技術入門 | Solidity編程語言 : 基本編譯原理介紹與添加新指令

本文目標

本文的主要目的：1、了解solidity的基本編譯原理2、通過示例的方式了解如何添加新的指令，不會涉及到solidity語言的語法講解。

solidity簡介

solidity是智能合約的開發語言，是一種語法類似于javascript的高級語言。合約源碼經過編譯生成虛擬機代碼運行在虛擬機中。

開發文檔：https://solidity

functionget()publicviewreturns(uint){returnstoredData;}}

abi,data,opcodes

以上代碼在remix：

http://remix.ethereum.org/中使用0.5.1commit版本編譯生成

abi=,"name":"get","outputs":,"payable":false,"stateMutability":"view","type":"function"},{"constant":false,"inputs":,"name":"set","outputs":,"payable":false,"stateMutability":"nonpayable","type":"function"}]

data="0x60806040526000805534801561001457600080fd5b5060c2806100236000396000f3fe6080604052600436106043576000357c0100000000000000000000000000000000000000000000000000000000900480636d4ce63c146048578063b8e010de146070575b600080fd5b348015605357600080fd5b50605a6084565b6040518082815260200191505060405180910390f35b348015607b57600080fd5b506082608d565b005b60008054905090565b4360008190555056fea165627a7a72305820825c534e94b487410e10fa0ba5da11584c0b0ad2bd9e56397a3dfa89e504ee1f0029"

opcodes="

固定指令：PUSH10x80PUSH10x40MSTORE

變量：PUSH10x0DUP1SSTORE//對應的storedData=0

內聯函數：CALLVALUEDUP1ISZEROPUSH20x14JUMPIPUSH10x0DUP1REVERTJUMPDESTPOP//用于出錯回滾

部署代碼指令：PUSH10xC2DUP1PUSH20x23PUSH10x0CODECOPYPUSH10x0RETURNINVALID//部署合約的核心指令

固定指令：PUSH10x80PUSH10x40MSTORE

固定指令：PUSH10x4CALLDATASIZELT//用于校驗input大小。

加載合約代碼：PUSH10x43JUMPIPUSH10x0CALLDATALOADPUSH290x100000000000000000000000000000000000000000000000000000000SWAP1DIVDUP1PUSH40x6D4CE63CEQPUSH10x48JUMPIDUP1PUSH40xB8E010DEEQPUSH10x70JUMPIJUMPDESTPUSH10x0DUP1REVERTJUMPDEST

國內首個自主可控區塊鏈技術體系“長安鏈”發布:今日下午，國內首個自主可控的區塊鏈軟硬件技術體系“長安鏈”在北京正式發布，并推出供應鏈金融、碳交易等首批應用場景。據了解，“長安鏈”具有模塊化特點，支持按需定制，實現數據“可用不可見”，構建共享機制，助力在交易、流通、統計等全流程的數據可信存儲和共享。目前，“長安鏈”已實現軟硬件全部自主研發。（央視）[2021/1/27 21:47:41]

內聯函數：CALLVALUEDUP1ISZEROPUSH10x53JUMPIPUSH10x0DUP1REVERTJUMPDESTPOP

get函數：PUSH10x5APUSH10x84JUMPJUMPDESTPUSH10x40MLOADDUP1DUP3DUP2MSTOREPUSH10x20ADDSWAP2POPPOPPUSH10x40MLOADDUP1SWAP2SUBSWAP1RETURNJUMPDEST

內聯函數：CALLVALUEDUP1ISZEROPUSH10x7BJUMPIPUSH10x0DUP1REVERTJUMPDESTPOP

set函數：PUSH10x82PUSH10x8DJUMPJUMPDESTSTOPJUMPDESTPUSH10x0DUP1SLOADSWAP1POPSWAP1JUMPJUMPDESTNUMBERPUSH10x0DUP2SWAP1SSTOREPOPJUMPINVALID

其他指令：LOG1PUSH60x627A7A723058KECCAK256DUP30x5cMSTORE80x4eSWAP50xb4DUP8COINBASE0xeLTSTATICCALLSIGNEXTEND0xa50xdaGTPC0x4cSIGNEXTENDEXP0xd20xbdSWAP15JUMPCODECOPYPUSH270x3DFA89E504EE1F0029000000000000000000000000000000000000"//

上述abi，data是在部署合約和執行合約需要的數據。其中abi包含了合約中用到的函數名，函數的輸入輸出，與函數的屬性。opcodes是虛擬機要執行的具體代碼指令，data是opcodes的16進制，二者之間可以互相轉化。下面介紹下如何生成abi與opcodes。

solidity編譯原理簡述

這里以上述合約代碼為例，簡單介紹下解析流程

1、以字符串的形式讀入完整合約代碼，轉第2步；

2、去除字符串前的空格，然后遍歷字符串，并以空格，‘{’，'}',';','(',')'等為分隔符將字符串進行分割，然后與TOKEN_LIST中定義的TOKEN進行對比，并替換為應的TOKEN，轉第3步。

3、第一個TOKEN是pragma，然后以pragma為開始，直到';'結束，確定語言為solidity，版本號大于等于0.5.0，并比較當前編譯器版本是否匹配，轉第4步。

4、繼續遍歷，TOKEN為contract,，然后從contract開始，確定下一個字符串storenumber為contractname，繼續遍歷，從‘{’開始，，到配對的‘}’結束，此時確定了合約名為storenumber的合約內容，轉第9步。

5、繼續遍歷，TOKEN為uint,判斷為數據類型，以‘；’為結尾，確定數據類型為uint,類型名為storedData，轉第6步

6、繼續遍歷，TOKEN為function，后續字符串set為函數名，以‘(’，開始，以‘)’為終確定input為空，繼續遍歷TOKEN為public，確定函數屬性，繼續遍歷TOKEN為‘{’，以配對的‘}’為結束，確定函數體，轉第7步。

聲音 | 日本金融廳長官：計劃于明年舉辦論壇討論以區塊鏈技術為基礎的金融系統課題:9月5日，日本金融廳長官遠藤俊英于日經新聞和日本金融廳聯合主辦的FINSUM大會上表示，計劃于明年春天舉辦管理論壇，討論以區塊鏈技術為基礎的金融系統課題和今后的應用可能性。遠藤表示已看到了公鏈的支付速度問題，解決可擴展性問題的新技術趨勢，以及提高加密資產交易安全性的最新動向。金融廳還將關注區塊鏈新用例的創新動態。（Coinpost）[2019/9/5]

7、繼續遍歷，TOKEN為function，處理邏輯與第6步相同，但是增加了view屬性與returns，returns的解析結果對應了abi中的outputs，轉第8步。

8、繼續遍歷遇到與合約初始‘{’配對的‘}’，轉第4步繼續處理。

9、遍歷結束，進行合法性檢查(語法檢查，命名規則檢查，指令檢查等)，轉第10步。

10、開始編譯合約，即opcodes的生成過程。編譯過程可分成三個過程，轉第11步。

11、編譯初始化。初始化指令是固定的：PUSH10x80PUSH10x40MSTORE。然后取出所有的狀態變量，這里的狀態變量會被編譯為：PUSH10x0DUP1SSTORE，轉到第12步。

備注：1、這里的指令并不是一開始就是這樣，而是后期經過翻譯過的，比如PUSH10x80在這里的正確表示方式是AssembllyItem(type:pushdata,data:0x80)，之后經過token,instruction的對應轉化為指令2、狀態變量指令PUSH10x0DUP1SSTORE表示初始化變量為值為零，變量位置偏移為0。如果代碼中初始化為1，這里的指令會編譯成PUSH10x1PUSH10x0SSTORE。如果增加一個變量初始化為3，則會被編譯為PUSH10x1PUSH10x0SSTOREPUSH10x3PUSH10x1SSTORE

12、繼續編譯，主要是完成對函數的編譯，添加一個用于檢查并回滾的內聯函數。對應的指令：CALLVALUEDUP1ISZEROPUSH20x14JUMPIPUSH10x0DUP1REVERTJUMPDESTPOP，轉13步；

13、添加合約初始化：PUSH10xC2DUP1PUSH20x23PUSH10x0CODECOPYPUSH10x0RETURN。至此，部署合約的主要opcodes生成完畢。下面開始編譯函數，轉14步；

14、先根據所有的函數名生成對應的函數地址，如例子中的0x6D4CE63C，0xB8E010DE，實際調用函數的時候在查看交易的input中，就有這個值，轉15步；

15、編譯函數，生成各個函數的指令，可參照前文示例。轉16步；

16、最后編譯missingFunctions。轉17步；

17、打印結果，編譯結束。

上述解析的流程只是介紹了基本的思路，實際的處理過程要復雜的多，因為合約中可以有類，繼承，多態，接口，庫等形式的存在，需要進行一些額外的處理。

生成abi:

abi的內容是合約內函數的相關信息，包括函數的constant,name,inputs,outputs,payable,stateMutability,type,從上述第2至8步的解析即可獲取到上述信息，然后封裝成json返回給前端即可。

生成opcodes:

上述第10到16步內流程即是生成cpcodes的過程，在實際使用中，用的opcodes的16進制。

添加新指令

影響范圍

動態 | 報告：區塊鏈和AI技術可以幫助肯尼亞解決腐敗等主要問題:周四，在接受由Bitange Ndemo-led領導的分布式分類賬和AI特別工作組關于區塊鏈和AI的報告時，肯尼亞信息通信技術內閣秘書Joe Mucheru表示，這些技術可以幫助肯尼亞解決腐敗、土地欺詐和選舉糾紛等主要問題。該報告還指出，其他利用區塊鏈和AI打擊腐敗的國家（包括加納、格魯吉亞和烏克蘭）正尋求改革土地登記制度，在區塊鏈建立不可變的產權制度，以防止欺詐，并使銀行業對土地資產有信心。Mucheru稱，現在最大的挑戰是將信息傳遞給階層，并向其解釋如何運作。（Daily Nation）[2019/7/26]

根據上述編譯流程的解析，要添加新的指令，需要考慮以下4點

1、token的定義：語法定義，比如token{Add,+}，將+與Add對應起來，解析的時候將代碼中的+替換為Add

2、instruction的定義：提供給虛擬機執行的指令,需要在編譯器和虛擬機中添加相同的定義

3、casetoken的處理：將token與instruction對應起來，編譯的過程中將token::Add替換為instruction::ADD指令，供虛擬機識別。

4、新指令對編譯的影響：比如對函數的影響，對存儲的影響等，這個修改可以參考其他的同類型指令，比如添加的是運算符就參考加減乘除指令，添加的是塊屬性就參考已有的number,gaslimit指令。

5、虛擬機中對新加指令的定義與處理

示例：以添加RANDOM指令(獲取塊中的隨機數屬性，可參考number屬性，合約中以block.number,block.random的方式進行使用)為例，說明在代碼中添加的位置。

修改編譯器代碼

1、查看token定義，代碼位置：liblangutil/Token.h。在TOKEN_LIST已定義了2中類型的token,一種是關鍵字token,一種是非關鍵字token,如括號，運算符，數據類型。要添加的random不是以上類型，不需要進行token定義。

#token定義示例，格式為M(name,string,precedence),M可以是T或者K，T表示非關鍵字token，K表示關鍵字token。name表示token名稱，string為token的原生字符串，precedence表示優先級。

#defineTOKEN_LIST(T,K)

......

T(LParen,"(",0)

T(RParen,")",0)

T(LBrack,"[",0)

T(RBrack,"]",0)

T(AssignShr,">>>=",2)

T(AssignAdd,"+=",2)

T(AssignSub,"-=",2)

......

K(Continue,"continue",0)

K(Contract,"contract",0)

K(Do,"do",0)

K(Else,"else",0)

......

2、指令定義，代碼位置：libevmasm/Instruction.h。在enumcalssInstruction中找到block的相關屬性，并在其后追加RANDOM指令。如下所示，RANDOM=0x46。注意添加的指令號不能與其他的沖突，比如不能再添加一個0x40的指令，會與現有的BLOCKHASH指令沖突。

聲音 | 聯合國教科文組織專家：區塊鏈技術可以改變高考制度:據核財經消息，聯合國教科文組織PISA教育質量測試專家組專家許紅偉在2018北京數字經濟論壇區·塊鏈應用創新峰會上表示，教育傳統評價體系“高考”一直廣受詬病，區塊鏈技術可以改變傳統教育評價體系。區塊鏈可以把學生平時成績記錄下來，并一直跟蹤到高三，最終成長報告，在畢業時移交給大學。大學再結合高考成績綜合考慮，改變“一考定終生”的高考制度。他表示，目前廊坊市教育局已經參考聯合國經貿發展組織的PISA測試模式開放試點了教育評估系統。[2018/9/21]

enumclassInstruction:uint8_t{......BLOCKHASH=0x40,///<gethashofmostrecentcompleteblockCOINBASE,///<gettheblock'scoinbaseaddressTIMESTAMP,///<gettheblock'stimestampNUMBER,///<gettheblock'snumberDIFFICULTY,///<gettheblock'sdifficultyGASLIMIT,///<gettheblock'sgaslimitRANDOM,......

}

上述定義為16進制，需要有一個字符串的"RANDOM"與指令對應，代碼位置libevmasm/Instruction.cpp中。

std::map<std::string,Instruction>constdev::solidity::c_instructions={......{"NUMBER",Instruction::NUMBER},{"DIFFICULTY",Instruction::DIFFICULTY},{"GASLIMIT",Instruction::GASLIMIT},{"RANDOM",Instruction::RANDOM},......}staticstd::map<Instruction,InstructionInfo>constc_instructionInfo={......{Instruction::ADD,{"ADD",0,2,1,false,Tier::VeryLow}},{Instruction::NUMBER,{"NUMBER",0,0,1,false,Tier::Base}},{Instruction::DIFFICULTY,{"DIFFICULTY",0,0,1,false,Tier::Base}},{Instruction::GASLIMIT,{"GASLIMIT",0,0,1,false,Tier::Base}},{Instruction::RANDOM,{"RANDOM",0,0,1,false,Tier::Base}},......}//后面的0,0,1，false,Tier::Base是可變的，根據指令的需要。第一個默認為0即可，第二個0表示參數個數，1表示需要1個返回值。false可理解為只在虛擬機內部使用，如果涉及到數據庫的讀寫，這里要填成true。最后的Tier::Base是gasprice的級別，根據需要填寫即可。

3、指令的處理:代碼位置libsolidity/codegen/ExpressionCompiler.cpp

boolExpressionCompiler::visit(MemberAccessconst&_memberAccess){......caseType::Category::Magic:if(member=="coinbase")m_context<<Instruction::COINBASE;elseif(member=="timestamp")m_context<<Instruction::TIMESTAMP;elseif(member=="difficulty")m_context<<Instruction::DIFFICULTY;elseif(member=="number")m_context<<Instruction::NUMBER;elseif(member=="gaslimit")m_context<<Instruction::GASLIMIT;elseif(member=="random")m_context<<Instruction::RANDOM;......}//不同的指令有不同的case進行處理，比如token:Add的處理如下：voidExpressionCompiler::appendArithmeticOperatorCode(Token_operator,Typeconst&_type){......switch(_operator){caseToken::Add:m_context<<Instruction::ADD;break;caseToken::Sub:m_context<<Instruction::SUB;break;caseToken::Mul:m_context<<Instruction::MUL;break;......}//如果添加的是其他類型的指令，就找到對應的case添加即可。

跨境通將圍繞區塊鏈技術進行研發投入:跨境通財務總監安小紅在“規范權利責任防控——山西轄區上市公司網上集體接待日”活動上介紹，結合跨境電商業務的發展趨勢和實際應用場景需要，公司將重點圍繞大數據、人工智能、云計算、區塊鏈等互聯網技術進行研發投入，提升公司日常業務運營管理的自動化和數據化，逐步形成技術在業務戰略層的牽引能力，實現公司業務發展從“業務推動”到“技術驅動”的戰略性升級。[2018/5/28]

4、對函數，存儲的影響：

確定數據類型，代碼位置libsolidity/ast/Types.cpp

MemberList::MemberMapMagicType::nativeMembers(ContractDefinitionconst*)const{//指定存儲的數據類型......caseKind::Block:returnMemberList::MemberMap({{"coinbase",make_shared<AddressType>(StateMutability::Payable。,{"timestamp",make_shared<IntegerType>(256。,{"blockhash",make_shared<FunctionType>(strings{"uint"},strings{"bytes32"},FunctionType::Kind::BlockHash,false,StateMutability::View。,{"difficulty",make_shared<IntegerType>(256。,{"number",make_shared<IntegerType>(256。,{"gaslimit",make_shared<IntegerType>(256。,{"random",make_shared<IntegerType>(256。//注意這里，設置數據類型為uint256,如果需要其他數據類型，參考libsolidity/ast/Types.h中的類型定義});......

對函數的影響：代碼位置libevmasm/Semanticlnformation.cpp

boolSemanticInformation::invalidInPureFunctions(Instruction_instruction)

{

switch(_instruction)

{

......

caseInstruction::TIMESTAMP:

caseInstruction::NUMBER:

caseInstruction::DIFFICULTY:

caseInstruction::GASLIMIT:

caseInstruction::RANDOM://增加的random指令影響函數的Pure屬性。returntrue表示該函數不能使用pure關鍵字。

caseInstruction::STATICCALL:

caseInstruction::SLOAD:

returntrue;

default:

break;

}

returninvalidInViewFunctions(_instruction);

}

修改虛擬機代碼

random指令的定義，代碼位置：hvm/evm/opcodes.go

const(

//0x40range-blockoperations

BLOCKHASHOpCode=0x40+iota

COINBASE

TIMESTAMP

NUMBER

DIFFICULTY

GASLIMIT

RANDOM//新增

)

varopCodeToString=mapstring{

......

NUMBER:"NUMBER",

DIFFICULTY:"DIFFICULTY",

GASLIMIT:"GASLIMIT",

RANDOM:"RANDOM",//新增

......

}

varstringToOp=mapOpCode{

......

"NUMBER":NUMBER,

"DIFFICULTY":DIFFICULTY,

"GASLIMIT":GASLIMIT,

"RANDOM":RANDOM,//新增

......

}

指令操作的定義：代碼位置：hvm/evm/jump_table.go,添加指令的操作屬性

instructionSet=operation{

execute:opRandom,

gasCost:constGasFunc(GasQuickStep),

validateStack:makeStackFunc(0,1),

valid:true,

}

上述操作碼對應函數opRandom的定義：代碼位置hvm/evm/instrucitons.go，可參考number函數的定義

funcopNumber(pc*uint64,evm*EVM,contract*Contract,memory*Memory,stack*Stack)(byte,error){

stack.push(math.U256(new(big.Int).Set(evm.BlockNumber)))

returnnil,nil

}

funcopRandom(pc*uint64,evm*EVM,contract*Contract,memory*Memory,stack*Stack)(byte,error){

stack.push(math.U256(new(big.Int).Set(evm.Random)))

returnnil,nil

}

上述opRandom中使用了evm.Random，因此需要在evm結構體增加Random的屬性。代碼位置hvm/evm/evm.go

typeContextstruct{

......

Coinbasecommon.Address//ProvidesinformationforCOINBASE

GasLimit*big.Int//ProvidesinformationforGASLIMIT

BlockNumber*big.Int//ProvidesinformationforNUMBER

Time*big.Int//ProvidesinformationforTIME

Difficulty*big.Int//ProvidesinformationforDIFFICULTY

Random*big.Int//新增

}

上述增加了Random屬性，需要對其進行初始化，代碼位置為：hvm/hvm.go

funcNewEVMContext(msgMessage,header*types.Header,chainChainContext,author*common.Address)evm.Context{

......

returnevm.Context{

CanTransfer:CanTransfer,

Transfer:Transfer,

GetHash:GetHashFn(header,chain),

Origin:msg.From(),

Coinbase:beneficiary,

BlockNumber:new(big.Int).Set(header.Number),

Time:new(big.Int).Set(header.Time),

Difficulty:new(big.Int).Set(header.Difficulty),

GasLimit:new(big.Int).Set(header.GasLimit),

Random:new(big.Int).Set(header.Random),//新增

GasPrice:new(big.Int).Set(msg.GasPrice()),

}

}

上述獲取的header為當前校驗的塊的header。header.Random的增加與生成此處不介紹了。

至此，編譯源碼與虛擬機源碼添加Random指令修改完成。

生成編譯器

1、下載源碼：gitclone

https://github.com/ethereum/solidity

2、cdsolidity&&gitcheckoutv0.5.7#本文例子以v0.5.7版本為基礎版本進行修改

3、按照前文介紹修改相關代碼

4、編譯源碼生成編譯器

二進制編譯器：mkdirbuild&&cdbuild&&cmake..&&make#執行完成后生成二進制文件：solc

js編譯器：執行./scripts/build_emscripten.sh#執行完成后生成js文件：soljson.js

5、使用編譯器編譯合約代碼

使用二進制編譯器：solc--abitest.sol#生成abi

solc--bintest.sol#生成data

solc--opcodestest.sol#查看opcodes

使用js編譯器：可以將soljson.js替換到remix中進行測試。需要搭建remix環境并修改soljson.js的加載路徑或者自行編寫js腳本進行測試。

6、按照前文介紹修改虛擬機代碼并部署到測試鏈，使用上述生成的abi，data進行鏈上測試，合約部署和調用過程不在贅述。

注：如有問題請在下方留言聯系我們技術社群。

汪曉明博客：http://wangxiaoming.com/

汪曉明：HPB芯鏈創始人，巴比特專欄作家。十余年金融大數據、區塊鏈技術開發經驗，曾參與創建銀聯大數據。主創區塊鏈教學視頻節目《明說》30多期，編寫了《以太坊官網文檔中文版》，并作為主要作者編寫了《區塊鏈開發指南》，在中國區塊鏈社區以ID“藍蓮花”知名。

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