Solidity--合约最大栈深度与解决方案

Solidity合约最大栈深度与解决方案

以太坊中的数据存储

以太坊和比特币最大的区别就是，以太坊拥有智能合约可以写入代码，代码会被放在一个地址中永久保存且不能修改。而编写智能合约的solidity语言作为高级语言，不能直接执行，需要解释器来解释。因此soldity编写的合约在编译后会产生字节流（bytecode），产生的字节流会在以太坊中基于栈的虚拟机EVM来进行解释。EVM的主要功能有：

• 将源码编译成EVM指定的字节码
• 包含指令和操作数的数据结构（指令用语处理操作数作何种运算）
• 一个为所有函数操作的调用栈
• 一个指令指针（Instruction Point- -IP）：用于指向下一条将要执行的指令
• 一个虚拟“CPU”：

  • 取值：获取下一条指令（通过IP获取）

  • 译码：对指令进行翻译，将要做何种操作

  • 执行：执行命令

     

上图为EVM的架构，在EVM虚拟机中存在易失和非易失两个存储区域：

易失区域

堆栈（stack）：解释字节码时使用，每个堆栈顶的大小为256比特，堆栈的最大的大小为1024字。其中保存函数的局部变量数量限制在16个，当合约中声明的局部变量超过16个时，编译合约会报错

内存（memory）：易失性的可以读写修改的空间，主要是在运行期间存储数据，江参数传递给内部函数。内存可以在字节级别寻址，一次可以读取32字节。

当合约大于这个深度的时候就无法发布

非易失区域

代码（code）：写代码的地方（字节码）。该存储区域跟memory不一样，不能直接被EVM执行

存储（storge）：非易失性的可以读写修改存储的空间，也是每个合约持久化存储数据的地方，一共有2^256个插槽，一个插槽有32byte

为什么会超过合约最大的栈深度是1024个字

EVM作为一个堆栈虚拟机运行，为了方便进行密码学计算（如 Keccak-256 哈希或 secp256k1 签名）。EVM栈以字为单位进行操作，EVM采用32字节（256比特）的字长，最多可容纳1024个字。如果超过1024的上限，外部函数调用会失败，这种情况下，Solidity会抛出异常。

• EVM指令集

EVM和JVM一样，也是执行字节码。由于操作码被限制在一个字节以内，所以EVM指令集最多只能容纳256条指令。目前EVM已经定义了约142条指令，还有100多条指令可供以后扩展。这142条指令包括算数运算指令，比较操作指令，按位运算指令，密码学计算指令，栈、memory、storage操作指令，跳转指令，区块、智能合约相关指令等。

• EVM栈操作指令

主要有POP、PUSHx、DUPx和SWAPx（其中x为指令后跟随的元素）四种指令对栈进行简单操作：

1、POP指令

POP指令（操作码0x50）从栈顶弹出一个元素。

2、PUSHx指令

PUSH系列指令把紧跟在指令后面的x（1～32）字节元素推入栈定。PUSH系列指令一共有32条，PUSH1（操作码0x60）～PUSH32（操作码0x7A）。

3、DUPx指令

DUP系列指令复制从栈顶开始数的第x（1～26）个元素，并把复制后的元素推入栈顶。DUP系列之灵一共有16条，DUP1（操作码0x80）～DUP16（操作吗0x8A）。

4、SWAPx指令

SWAP系列指令把栈顶元素和从栈顶开始数的第x（1～16）+1个元素进行交换。SWAP系列之灵一共有16条，从SWAP1（操作码0x90）～SWAP16（操作码0x9A）。

栈深度的机制发明是为了保护什么

• 以太坊运行性能

stack是临时存储，当智能合约运行时有效，当运行结束后回收。如果stack容量过大且未及时收回存储空间会影响整个以太坊的运行，又因为以太坊是图灵完备的，允许循环操作，该机制能预防死循环导致计算和存储资源以及gas的浪费。

• 安全考虑（防止被攻击）

防止利用固定成本发起DOS（拒绝服务）攻击，任何对合约的调用从gas费上来说都是相对便宜的，但是根据被调用合约代码的大小（从磁盘读取代码、预处理代码、将数据添加到Merkle证明），合约调用对以太坊节点的影响会不成比例地增加。攻击者就会通过很少的资源给别人造成大量的工作，普通用户就可能会遭受到DOS攻击。

解决办法

• 对合约影响较大

方法	优点	缺点
通过拆分合约	可无限拆分扩容	当跨合约调用之后，gas费用会增大
使用库	库文件不需要声明为内部函数，会在编译过程中直接被添加到合约	会在后台使用DELEGATECALL，如果使用公共函数，这些函数事实上将在一个单独的库合约中
使用代理	只是用调用合约的状态执行另一个合约的函数	增加了很多复杂性

• 对合约影响中等

方法	优点	缺点
通过压缩减少代码量	节省gas	实现难度较大，优化的空间取决于技术本身对存储空间的理解深度
缩短错误信息	简化合约，节省gas	报错信息不完整，解决问题时可能找不到问题所在
在优化器中考虑一个低运行值	针对每个函数只运行一次的情况进行优化	增加运行函数的gas成本

• 对合约影响较小

方法	优点	缺点
避免将结构体传递给函数	简化合约大小，节省gas	结构体不清晰，容易混淆
声明函数和变量的正确可见性	节省gas	对开发人员要求较高，能准确使用可见性
移除修改器	再密集使用的情况下，可能会对合约大小产生重大影响	函数的验证减少，出错率增加