【虚拟机专栏】Rust智能合约的应用

【导读】

往期“智能合约执行引擎的前世今生”、“熟悉的新朋友 - 链上JVM”中，我们介绍了智能合约的起源，以及自研的可以执行Java智能合约的执行引擎HVM。虽然HVM相比于EVM，性能已经有了很大的提升，但是由于其字节码数量很大，在解释执行的场景下执行性能十分受限。另一方面，合约漏洞(不考虑业务逻辑漏洞)引发的安全问题，每年都在发生，所造成的经济损失都十分严重，那么有没有一种方案能让使用者抛开个人因素，尽量写出安全的合约？

为了解决这两个迫切的问题，我们引入了wasm虚拟机FVM，以及Rust合约编写框架。下面本文将详细介绍这两个部分在智能合约领域的应用。

【安全性】

众所周知，solidity语法在更新时出于一些考量并没有做好兼容工作，导致不同版本的语法差异很大，开发人员在不同版本的语法之间来回切换，着实浪费精力。另外，由于区块链区别于传统的互联网技术有着“不可篡改”的特性，一旦产品发布，无法以补丁的形式修复现存在的问题，也无法在原有的基础上进行版本迭代。这就需要合约开发者能一次就写出没有任何问题的合约，否则容易造成巨额的经济损失。然而事情一旦过度依赖于"人"，往往会带来量子学的色彩，最好是有另外一套机制来确保合约的正确性。

Rust作为高效、可靠的通用语言毫无疑问是现有的最好解决方案。

Rust语言的可靠性依托于丰富的类型系统和所有权模型，以及强大的编译器，在编译期就能捕获经典错误。这迫使开发者在编写合约过程中，思考自己所写的每行代码是否准确，并通过编译器来确认，保证通过编译器检查的合约代码一定是安全的，极大的提高了合约的安全性以及可靠性。

此外，我们自研的合约框架提供了一个运行时的测试框架，让开发者能模拟合约运行，无需部署就能在链下找到合约中存在的问题。这无疑是给上链的合约增加了一重保险。

另外，我们的合约框架利用rust的宏展开技术，将操作放在宏注解里面。这样能让开发者在使用过程中更多的关注自己合约的业务逻辑，从某种程度上保证了合约逻辑安全，毕竟只需要专注一个部分而没有其他因素的干扰，能让开发者更加投入的去打磨逻辑的细节。

【执行效率】

EVM在本质上是脚本程序，是基于栈的虚拟机，需要由编译程序翻译成指令后执行，即解释执行，这导致EVM的执行效率非常低。与之相对，wasm使用了编译执行的方式，采用了虚拟机/字节码技术， 并定义了紧凑的二进制格式， 拥有更高更快的智能合约执行速度。因此我们引入wasm极大的提高了整个合约的运行效率。

WASM(WebAssembly) 按照字面意思就是web汇编，是为web浏览器定制的汇编语言。这里虽然说是定制，但随着灵性的发展，它不仅仅只适用于web，其《核心规范》更是与平台无关。既然号称汇编，那它显然具有汇编语言的特点：

1）层次低，接近于机器语言，提高运行效率；

2）适合作为目标代码，由其他高级语言(C/C++/Rust/Go等)编译器生成，扩大适用性；

另外模块是wasm程序编译、传输和加载的单位。wasm定义了两种模块格式：

二进制格式：是wasm模块的主要编码格式，文件以 .wasm为后缀 。由于其格式设计的非常紧凑，可以缩小二进制体积，拥有更快的传输和执行效率。

文本格式：文件以.wat为后缀，此处不详细展开。

模块的划分使得wasm的组织结构更加清晰，解析更为方便，极大地提升了解析的效率。

【FVM详解】

那么除了使用Rust来编写合约，以及将合约编译成wasm字节码，真正要将合约运行起来，依然需要为wasm提供一个运行环境，也就是FVM做的事。

从语义上讲，一个wasm模块从二进制格式到最终被执行可以分为3个阶段：解码，验证，执行。解码阶段把二进制模块解码为内存格式；验证阶段对模块进行静态分析，确保模块的结构满足规范要求，且函数的字节码没有不良行为；执行阶段又可以分为实例化和函数调用两个部分。

（1） FVM组成
显然，FVM完整的功能应当是包含上面提及到的解码、验证、实例化以及函数调用等部分。我们按照整个流程实现了FVM， 但是在实际运行中，发现执行过程会消耗大量的性能在内存的读写及分配上。为了进一步提高FVM的执行性能，我们新增了一层编译模块，将wasm的栈式内存转为基于寄存器式内存，对内存进行标记并加以重复利用，避免了频繁的分配内存，极大的提升了整体执行效率。

（2）FVM与平台的账本交互
在rust智能合约中，我们对数据是否上链做了明确的区分，只有标定特定宏注解的字段数据才会上链交互。在合约部署时，对于初始化的字段写入账本；在调用合约方法时，如果使用到合约的持久化字段，合约执行引擎会调用账本读取的方法从账本中获取其数据。对于存在有数据写入操作(即更新)的字段，待合约执行结束后，若账本还未存在此字段则将其写入账本，若此字段已存在， 则对相应的账本数据进行更新。

（3）整体流程

整个介绍下来，相信大家对Rust智能合约的使用有了个大概的印象。这里对整个流程做个梳理：

step1: 用户通过Rust合约框架编写智能合约 (一定要测试)

step2: 编译合约为wasm文件

step3: 将wasm合约文件部署到FVM

完成以上步骤你就成功的运行了一个合约❤。

【未来展望】
目前的合约都只是针对相对简单的业务，在我们的规划中，FVM既能应用在现有的合约场景，又能应用在业务复杂以及对合约执行速度有较高要求的场景。同时给了非区块链行业技术人员一种“零学习成本”的上链方法——使用他们熟悉的编程语言来编写合约。扩大了区块链技术的应用场景以及影响范围，以便探寻更多的区块链技术落地方案。
目前FVM在性能上的表现已经很好的达到了预期，但是我们不会满足于眼前的现状停滞不前。在后续的规划中，我们将继续探寻一些优化方案，比如：

1. 虚拟机缓存的优化；

2. 引入AOT(Ahead-of-Time)， 即预先编译的方式，替换现有的字节码解释执行，将wasm模块直接编译成go代码，利用go的插件机制直接加载运行，得到极致的性能体验。

技术在不断的推陈出新，优化工作将一直持续下去，“保持先进”是我们的目标。

【小结】

本文从「安全性」以及「效率的提升」两个角度，引出了对rust智能合约支持的FVM，探讨了rust与wasm在智能合约上为什么会有如此表现，以及我们使用FVM的意义。接下来我们还会对支持区块链上SQL执行的KVSQL进行详细介绍，敬请期待！

作者简介
李凯
趣链科技基础平台部区块链虚拟机研究小组
参考文献
[1] rust程序设计语言
[2]《WebAssembly原理与核心技术》