以太坊虚拟机 (EVM)

以太坊虚拟机 (EVM) 是一个去中心化的虚拟环境，在所有以太坊节点上一致且安全地执行代码。节点运行 EVM 来执行智能合约，使用“Gas”来衡量操作所需的计算工作量，从而确保高效的资源分配和网络安全。

前提条件

要理解 EVM，必须对计算机科学中的常见术语（如字节 (opens in a new tab)、内存 (opens in a new tab)和堆栈 (opens in a new tab)有基本的了解。熟悉哈希函数 (opens in a new tab)和默克尔树 (opens in a new tab)等密码学/区块链概念也会有所帮助。

从账本到状态机

人们经常使用“分布式账本”的比喻来描述像比特币这样的区块链，它利用密码学的基础工具实现了一种去中心化货币。该账本维护着活动记录，这些记录必须遵守一组规则，这些规则规定了人们在修改账本时能做什么和不能做什么。例如，一个比特币地址花费的比特币不能超过它之前收到的比特币。这些规则构成了比特币和许多其他区块链上所有交易的基础。

虽然以太坊拥有自己的原生加密货币（以太币），并且遵循几乎完全相同的直观规则，但它还实现了一个更强大的功能：智能合约。对于这个更复杂的功能，需要一个更复杂的比喻。以太坊不是一个分布式账本，而是一个分布式状态机 (opens in a new tab)。以太坊的状态是一个大型数据结构，它不仅保存所有账户和余额，还保存一个_机器状态_，该状态可以根据预定义的一组规则在区块之间发生变化，并且可以执行任意机器代码。在区块之间改变状态的具体规则由 EVM 定义。

图表改编自 Ethereum EVM illustrated (opens in a new tab)

以太坊状态转换函数

EVM 的行为类似于数学函数：给定一个输入，它会产生一个确定性的输出。因此，将以太坊更正式地描述为具有状态转换函数是非常有帮助的：

Y(S, T)= S'

给定一个旧的有效状态 (S) 和一组新的有效交易 (T)，以太坊状态转换函数 Y(S, T) 会产生一个新的有效输出状态 S'

状态

在以太坊的背景下，状态是一个巨大的数据结构，称为修改后的默克尔帕特里夏树，它将所有账户通过哈希链接起来，并可简化为存储在区块链上的单个根哈希。

交易

交易是来自账户的经过密码学签名的指令。交易有两种类型：导致消息调用的交易和导致合约创建的交易。

合约创建会导致创建一个包含已编译智能合约字节码的新合约账户。每当另一个账户对该合约进行消息调用时，它就会执行其字节码。

EVM 指令

EVM 作为一个深度为 1024 个项的堆栈机 (opens in a new tab)执行。每个项都是一个 256 位的字，选择这个大小是为了便于与 256 位密码学（如 Keccak-256 哈希或 secp256k1 签名）结合使用。

在执行期间，EVM 维护一个瞬态_内存_（作为一个按字寻址的字节数组），该内存不会在交易之间持久保存。

瞬态存储

瞬态存储是一个按交易划分的键值存储，通过 TSTORE 和 TLOAD 操作码进行访问。它在同一交易期间的所有内部调用中持续存在，但在交易结束时被清除。与内存不同，瞬态存储被建模为 EVM 状态的一部分，而不是执行帧的一部分，但它不会提交到全局状态。瞬态存储能够在交易期间的内部调用之间实现节省 Gas 的临时状态共享。

存储

合约包含一个默克尔帕特里夏_存储前缀树_（作为一个按字寻址的字数组），它与相关账户关联，并且是全局状态的一部分。这种持久存储不同于瞬态存储，后者仅在单笔交易期间可用，并且不构成账户持久存储前缀树的一部分。

操作码

编译后的智能合约字节码作为许多 EVM 操作码执行，这些操作码执行标准的堆栈操作，如 XOR、AND、ADD、SUB 等。EVM 还实现了许多特定于区块链的堆栈操作，例如 ADDRESS、BALANCE、BLOCKHASH 等。操作码集还包括 TSTORE 和 TLOAD，它们提供对瞬态存储的访问。

图表改编自 Ethereum EVM illustrated (opens in a new tab)