以太坊虚拟机介绍4-按位运算指令

以太坊虚拟机按位运算指令

EVM定义了8条按位运算指令，见下表：

按位运算指令	操作码	说明
AND	0x16	按位与
OR	0x17	按位或
XOR	0x18	按位异或
NOT	0x19	按位取反
BYTE	0x1A	取第n个字节
SHL	0x1B	左移
SHR	0x1C	逻辑右移
SAR	0x1D	算术右移

下面是按位运算指令的操作码分布图：

AND、OR、XOR、NOT

AND、OR、XOR指令从栈顶弹出两个元素，进行按位运算，然后把结果推入栈顶。以AND指令为例，下面是它的操作示意图：

NOT指令将栈元素按位取反，下面是它的操作示意图：

这四条指令分别与Solidity语言里的&、|、^和~运算符直接对应，下面的Solidity代码演示了这四条指令的具体应用（读者可以运行solc --asm --opcodes bitwise_demo1.sol命令观察编译器生成的字节码）：

// bitwise_demo1.sol 
pragma solidity ^0.4.24;

contract C {

    function test() public pure {
        int s1; int s2; int s3;
        uint u1; uint u2; uint u3;

        s3 = s1 & s2; // ADD
        s3 = s1 | s2; // OR
        s3 = s1 ^ s2; // XOR
        s3 = ~ s1;    // NOT

        u3 = u1 & u2; // ADD
        u3 = u1 | u2; // OR
        u3 = u1 ^ u2; // XOR
        u3 = ~ u1;    // NOT
    }

}

BYTE

BYTE指令先后从栈顶弹出n和x，取x的第n个字节并推入栈顶。由于EVM的字长是32个字节，所以n在[0, 31]区间内才有意义，否则BYTE的运算结果就是0。另外，字节是从左到右数的，因此第0个字节占据字的最高位8个比特。以n=1为例，下面是BYTE指令操作示意图：

读者可以通过下面的Solidity代码观察BYTE指令的用法：

// byte_demo2.sol 
pragma solidity ^0.4.24;

contract C {

    function test() public pure {
        bytes32 a;
        bytes1 b = a[31]; // ... BYTE ...
    }

}

SHL、SHR、SAR

这三条位移指令是由EIP-145引入的，从Constantinople虚拟机开始支持。这三条指令都是先后从栈顶弹出两个数n和x，其中x是要进行位移操作顶数，n是位移比特数，然后把结果推入栈顶。以左移指令SHL为例，下面是它的操作示意图：

SHR和SAR的区别在于，前者执行逻辑右移（空缺补0），后者执行算术右移（空缺补符号位）。下表总结了这三条位移指令对于操作数的解释，以及计算结果（这里^表示指数运算）：

指令	x	n	结果
SHL	unsigned	unsigned	(arg2 * 2^arg1) mod 2^256
SHR	unsigned	unsigned	floor(arg2 / 2^arg1)
SAR	signed	unsigned	floor(arg2 / 2^arg1)

Solidity语言提供了<<和>>运算符，下表总结了这两个运算符的含义（这里**表示指数运算）：

运算符	解释
x >> n	x * 2**y
x << n	x / 2**y

在Constantinople之前，位移运算符使用EXP、MUL、DIV、SDIV等指令实现；从Constantinople开始，位移运算符可以使用位移指令实现。不过请读者注意，<<运算符可以直接编译成SHL指令，但是由于取整方式不同，所以>>运算符并不能直接编译成SAR指令，详见EIP-145和Solidity文档。读者可以通过下面的Solidity代码观察位移指令的用法（可以通过--evm-version选项告诉Solidity编译器目标EVM版本，例如solc --asm --opcodes --evm-version constantinople bitwise_demo2.sol，如不指定，默认是byzantium）：

// bitwise_demo2.sol 
pragma solidity ^0.4.24;

contract C {

    function test() public pure {
        int s1; int s2;
        uint u1; uint u2;
        uint n;

        u2 = u1 << n; // SHL
        s2 = s1 << n; // SHL
        u2 = u1 >> n; // SHR
        s2 = s1 >> n; // EXP、SDIV
        //s2 = s1 >>> n; // SHR?
    }

}

总结

本文介绍了EVM按位运算指令，下一篇文章将介绍EVM比较操作指令。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》。