以太坊虚拟机介绍2-栈操作指令

以太坊虚拟机栈操作指令

上一篇文章对EVM和它的指令集进行了简单介绍，本文将介绍POP指令、PUSHx系列指令、DUPx系列指令、SWAPx系列指令。这些指令只对EVM栈进行单纯的操作，它们的操作码分布如下图所示：

POP指令

POP指令（操作码0x50）从栈顶弹出一个元素。下面是POP指令的操作示意图（白色表示元素即将发生变动）：

PUSHx指令

PUSH系列指令把紧跟在指令后面的N（1 ～ 32）字节元素推入栈顶。PUSH系列指令一共有32条，从PUSH1（操作码0x60）一直到PUSH32（操作码0x7A）。EVM是大端机器，以PUSH2指令为例，下面是该指令的操作示意图（不完整的灰色纸带表示字节码）：

DUPx指令

DUP系列指令复制从栈顶开始数的第N（1 ～ 16）个元素，并把复制后的元素推入栈顶。DUP系列指令一共有16条，从DUP1（操作码0x80）一直到DUP16（操作码0x8A）。比如PUSH1指令复制栈顶元素，如下图所示：

下面是DUP2指令的操作示意图：

SWAPx指令

SWAP系列指令把栈顶元素和从栈顶开始数的第N（1 ～ 16）+ 1 个元素进行交换。SWAP系列指令一共有16条，从SWAP1（操作码0x90）一直到SWAP16（操作码0x9A）。比如SWAP1指令交换位于栈顶的两个元素，如下图所示：

下面是SWAP2指令的操作示意图：

实例分析

我们用Solidity语言编写一个简单的智能合约，看看以上这些指令是如何应用的：

// stack_demo.sol
pragma solidity ^0.4.24;

contract C {
    function foo() public view {
        uint32 x = 3;
        uint32 y = 4;
        uint32 z = x + y;
    }
}

用solc --asm stack_demo.sol命令编译上面的智能合约，观察编译器生产的汇编代码（下面仅给出部分输出）：

ASM

    tag_5:
        /* "stack_demo.sol":80:88  uint32 x */
      0x0
        /* "stack_demo.sol":102:110  uint32 y */
      dup1
        /* "stack_demo.sol":124:132  uint32 z */
      0x0
        /* "stack_demo.sol":91:92  3 */
      0x3
        /* "stack_demo.sol":80:92  uint32 x = 3 */
      swap3
      pop
        /* "stack_demo.sol":113:114  4 */
      0x4
        /* "stack_demo.sol":102:114  uint32 y = 4 */
      swap2
      pop
        /* "stack_demo.sol":139:140  y */
      dup2
        /* "stack_demo.sol":135:136  x */
      dup4
        /* "stack_demo.sol":135:140  x + y */
      add
        /* "stack_demo.sol":124:140  uint32 z = x + y */
      swap1
      pop
        /* "stack_demo.sol":43:147  function foo() public view {... */
      pop
      pop
      pop
      jump  // out

我们暂时忽略ADD指令和JUMP指令，下面是指令操作示意图（指令从左到右执行，指令上面是指令操作之后的栈状态）：

总结

本文介绍了EVM栈操作指令，下一篇文章将介绍EVM算术运算指令。如果大家对编程语言虚拟机有更多的兴趣，请关注我写的《自己动手写Java虚拟机》，以及马上将要出版的《自己动手实现Lua：虚拟机、编译器、标准库》。