以太坊虛擬機 (EVM)

以太坊虛擬機 (EVM) 是一個去中心化的虛擬環境，能在所有以太坊節點上一致且安全地執行程式碼。節點運行 EVM 來執行智能合約，並使用「燃料 (gas)」來衡量操作所需的運算量，以確保資源的有效分配與網路安全。

先決條件

了解 EVM 需要對電腦科學中的常見術語有一些基本的認識，例如位元組 (bytes) (opens in a new tab)、記憶體 (memory) (opens in a new tab)和堆疊 (stack) (opens in a new tab)。如果能熟悉密碼學/區塊鏈概念，例如雜湊函式 (opens in a new tab)和默克爾樹 (opens in a new tab)，也會很有幫助。

從帳本到狀態機

「分散式帳本」的比喻經常被用來描述像比特幣這樣的區塊鏈，它們利用密碼學的基本工具來實現去中心化的貨幣。該帳本維護著活動紀錄，這些紀錄必須遵守一套規則，這套規則規範了人們在修改帳本時能做與不能做的事。例如，一個比特幣地址花費的比特幣不能超過它之前收到的數量。這些規則是比特幣及許多其他區塊鏈上所有交易的基礎。

雖然以太坊擁有自己的原生加密貨幣（以太幣），且遵循幾乎完全相同且直觀的規則，但它還實現了一個更強大的功能：智能合約。對於這個更複雜的功能，我們需要一個更精確的比喻。以太坊與其說是分散式帳本，不如說是一個分散式狀態機 (opens in a new tab)。以太坊的狀態是一個大型資料結構，不僅保存所有帳戶和餘額，還包含一個_機器狀態_，該狀態可以根據預先定義的一套規則在區塊之間發生變化，並且可以執行任意的機器碼。在區塊之間改變狀態的具體規則就是由 EVM 所定義的。

圖表改編自 Ethereum EVM illustrated (opens in a new tab)

以太坊狀態轉換函式

EVM 的行為就像一個數學函式：給定一個輸入，它會產生一個確定性的輸出。因此，將以太坊更正式地描述為具有一個狀態轉換函式會非常有幫助：

Y(S, T)= S'

給定一個舊的有效狀態 (S) 和一組新的有效交易 (T)，以太坊狀態轉換函式 Y(S, T) 會產生一個新的有效輸出狀態 S'

狀態

在以太坊的脈絡下，狀態是一個巨大的資料結構，稱為修改過的默克爾帕特里夏樹，它將所有帳戶透過雜湊連結起來，並可簡化為儲存在區塊鏈上的單一根雜湊。

交易

交易是來自帳戶且經過密碼學簽署的指令。交易有兩種類型：導致訊息呼叫的交易，以及導致合約建立的交易。

建立合約會產生一個新的合約帳戶，其中包含已編譯的智能合約位元組碼。每當另一個帳戶對該合約進行訊息呼叫時，它就會執行其位元組碼。

EVM 指令

EVM 作為一個深度為 1024 個項目的堆疊機 (opens in a new tab)來執行。每個項目是一個 256 位元的字組，選擇這個大小是為了方便與 256 位元密碼學（例如 Keccak-256 雜湊或 secp256k1 簽章）搭配使用。

在執行期間，EVM 會維護一個暫時的_記憶體_（作為一個以字組定址的位元組陣列），該記憶體不會在交易之間保留。

暫時儲存

暫時儲存是一個針對每筆交易的鍵值儲存，透過 TSTORE 和 TLOAD 操作碼進行存取。它在同一筆交易期間的所有內部呼叫中都會保留，但在交易結束時會被清除。與記憶體不同，暫時儲存被塑造成 EVM 狀態的一部分，而不是執行框架的一部分，但它不會被提交到全域狀態中。暫時儲存能在交易期間的內部呼叫之間，實現節省燃料的暫時狀態共享。

儲存

合約包含一個默克爾帕特里夏_儲存_前綴樹（作為一個可字組定址的字組陣列），與相關帳戶關聯，並且是全域狀態的一部分。這種持久性儲存不同於暫時儲存，後者僅在單一交易期間可用，且不構成帳戶持久性儲存前綴樹的一部分。

操作碼

已編譯的智能合約位元組碼會作為多個 EVM 操作碼來執行，這些操作碼執行標準的堆疊操作，例如 XOR、AND、ADD、SUB 等。EVM 還實作了許多區塊鏈特定的堆疊操作，例如 ADDRESS、BALANCE、BLOCKHASH 等。操作碼集還包含 TSTORE 和 TLOAD，它們提供對暫時儲存的存取。

圖表改編自 Ethereum EVM illustrated (opens in a new tab)