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深入浅出Solidity

 

在只有比特币的年代,区块链能够实现简单的价值产生和转移,但却未出现更多的商业模式。以太坊给区块链带来了维度的提升,基于区块链的应用渐趋丰富,区块链的各种商业模式加速涌现。这其中很重要的原因,是以太坊给区块链带来了一套图灵完备的编程语言。

 

区块链的主要功能,是实现了多方的共识。在比特币中,需要共识的操作是固定的,是非图灵完备的。其共识的仅仅是价值所有者的改变。但以太坊上,开发者可以自己编写需要共识的逻辑,以太坊通过智能合约语言Solidity,实现了共识逻辑的自定义。

 

 

 

 

  Solidity 介绍

 

Solidity语言和Java存在着些许相似之处。在众多编程语言中,Java是发展较为成熟的。Java代码在Java虚拟机(JVM)执行。JVM屏蔽掉了操作系统的差异,使得Java成为一个跨平台的语言。一套Java代码可在Windows、Linux、Mac上通用,而不需要关心操作系统的差异。

Solidity与Java类似。代码写好后,都需要通过编译器将代码转换成二进制,在Java中,编译器是Javac,而对于Solidity,是solc。生成后的二进制代码,会放到虚拟机里执行。Java代码在Java虚拟机(JVM)中执行,在Solidity中,是一个区块链上的虚拟机EVM。

 

Solidity与Java的不同之处在于,Solidity是服务于区块链的语言,代码在区块链上执行。EVM是区块链上的一个执行器。每个区块链节点都有一个EVM。Solidity在EVM中被执行后,EVM对区块链的数据进行了改变。这些数据的改变交由共识算法去共识。同时,Solidity的操作仅限于EVM内部,不能访问外部不确定系统或数据,如系统时钟,网络文件系统等。

Solidity的设计目的,是给区块链提供一套统一的逻辑,让相同的代码跑在区块链的每个节点上,借助共识算法,让区块链的数据以统一的方式进行改变,达到全局一致的结果。

 

 

  Solidity 实现细节

 

以此处的Demo合约为例,合约中有一个全局变量m,并有一个函数add(),实现给全局变量m增加x数值的功能。

 

通过合约编译器solc,可将此合约编译成二进制。二进制的每个字(8 bit),表示一个EVM的操作码(OPCODE)。Demo合约编译出的二进制及其相应的OPCODE如下,实现了完整的Demo合约的功能,包括对合约的装载、合约接口的调用和异常处理的逻辑。其中,标红部分是add()方法的实现。

 

将add()函数的OPCODE的标红部分摘取出来,可看到其具体的实现思想与汇编代码相同,是一种基于堆栈式的操作。其中的SLOAD将区块链上指定位置的数据读入堆栈顶部,ADD实现将堆栈顶端的两个数据相加,SSTORE再将相加后放在堆栈顶部的结果写入区块链下一个区块的数据中,为下个区块的共识做准备。

在合约二进制被部署到区块链上后,通过发送交易调用合约里的方法。节点根据交易将合约代码装载入EVM中,并根据交易的传参执行合约上相应的函数add()。

 

EVM执行合约代码,从区块链上读入当前区块的数据,进行相加操作,并将结果写入下一个区块(等待共识的区块)对应的状态数据中。

 

此后,共识算法将待执行的区块共识落盘,区块高度增加,区块链上的数据完成更新。

 

上述步骤可见,Solidity的实现与当今已有的做法有着很多相似之处。编译,用的是传统的套路,将代码转换成虚拟机可执行的二进制;执行,也是与传统方式相同,借助堆栈作为缓冲区执行二进制代码。

 

 

  Solidity 局限与改进

Solidity由于是第一个大规模应用的智能合约语言,存在着一些有待改进的地方。

 

Solidity不够灵活。Solidity语言受到自身堆栈深度的限制,函数传参和局部参数的个数总和不能超过16个。要实现一些比较复杂的函数难免有些鸡肋。Solidity是一种强类型的语言,但其类型转换较为麻烦。将整型转换成字符串时需要转换成二进制再拼接。在字符串的操作上,缺少一些方便的函数。

Solidity的性能较差。在执行上,OPCODE的执行是一种用程序模拟的汇编执行器,而不是直接使用CPU的资源。在存储上,Solidity的底层存储单位是32字节(256 bits),对硬盘的读写要求较高,浪费了大量的存储资源。

针对上述两点,FISCO BCOS提供了一种用C++写合约方式:预编译合约。开发者可以用C++编写智能合约逻辑,并将其内置在节点中。

 

预编译合约的调用方法与Solidity合约相同,通过合约地址即可直接调用。FISCO BCOS提供了参数解析,将调用的参数解析成C++可识别的格式。

预编译合约突破了Solidity语言的限制,借助强大的C++语言,可以灵活的实现各种逻辑,灵活性大大提高。同时,C++的性能优势也得到了很好的利用,通过预编译合约编写的逻辑,相比于Solidity语言来说,性能得到提升。

 
本文来源:陀螺财经 文章作者:FISCO_BCOS
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