Solidity汇编开发简明教程

Dear 丶 2022-08-29 05:51 391阅读 0赞

在用Solidity开发以太坊智能合约时，使用汇编可以直接与EVM交互，降低 gas开销成本，更精细的控制智能合约的行为，因此值得Solidity开发者学习 并加以利用。本文是Solidity汇编开发的简明教程，旨在帮助你快速熟悉 如何在Solidity智能合约代码中嵌入汇编代码。

## 2、以太坊虚拟机和堆栈结构机器 ##

以太坊虚拟机EVM有自己的指令集，该指令集中目前包含了 144个操作码，详情参考[Geth源代码][Geth]

这些指令是Solidity抽象出来的，可以在Solidity内联使用。例如：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> <pre>1
2
3
4
5
6
7
</pre> </td> 
   <td> <pre>contract Assembler {    
  function do_something_cpu() public {
    assembly {
      // start writing evm assembler language
    }
  }
}
</pre> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

EVM是一个栈虚拟机，栈这种数据结构只允许两个操作：压入（PUSH）或弹出（POP）数据。 最后压入的数据位于栈顶，因此将被第一个弹出，这被称为后进先出 （LIFO：Last In, First Out）：

![33d0a1d00a3240fd324ad23254d7e0c8.png][]

栈虚拟机将所有的操作数保存在栈上，关于栈虚拟机的详细信息 可以参考[stack machine 基础][stack machine]

## 3、堆栈结构机器的操作码 ##

为了能够解决实际问题，栈结构机器需要实现一些额外的指令，例如 ADD、SUBSTRACT等等。指令执行时通常会先从堆栈弹出一个或多个值作为参数， 再将执行结果压回堆栈。这通常被称为逆波兰表示法（RPN：Reverse Polish Notation）：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> <pre>1
2
</pre> </td> 
   <td> <pre>a + b      // 标准表示法Infix
a b add    // 逆波兰表示法RPN
</pre> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

## 4、在Solidity合约中使用内联汇编 ##

可以在Solidity中使用`assembly{}`来嵌入汇编代码段，这被称为内联汇编：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> <pre>1
2
3
</pre> </td> 
   <td> <pre>assembly {
  // some assembly code here
}
</pre> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

在`assembly`块内的代码开发语言被称为Yul，为了简化我们称其为 汇编或EVM汇编。

另一个需要注意的问题时，汇编代码块之间不能通信，也就是说在 一个汇编代码块里定义的变量，在另一个汇编代码块中不可以访问。 例如：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> <pre>1
2
3
4
5
6
</pre> </td> 
   <td> <pre>assembly { 
    let x := 2
}        
assembly {
    let y := x          // Error
}
</pre> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

上面的代码编译时会报如下错误：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> <pre>1
2
3
</pre> </td> 
   <td> <pre>// DeclarationError: identifier not found
// let y := x
// ^
</pre> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

下面的代码使用内联汇编代码计算函数的两个参数的和并返回结果：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> <pre>1
2
3
4
5
6
7
</pre> </td> 
   <td> <pre>function addition(uint x, uint y) public pure returns (uint) {
  assembly {
    let result := add(x, y)   // x + y
    mstore(0x0, result)       // 在内存中保存结果
    return(0x0, 32)           // 从内存中返回32字节
  }
 }
</pre> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

让我们重写上面的代码，补充一些更详细的注释，以便说明每个指令 在EVM内部的运行原理。

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> <pre>1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
</pre> </td> 
   <td> <pre>function addition(uint x, uint y) public pure returns (uint) { 
  assembly {        
    // 创建一个新的变量result
    //     -&gt; 使用add操作码计算x+y
    //     -&gt; 将计算结果赋值给变量result      
    let result := add(x, y)   // x + y   
    
    // 使用mstore操作码
    //     -&gt; 将result变量的值存入内存
    //     -&gt; 指定内存地址 0x0      
    mstore(0x0, result)       // 将结果存入内存
    
    // 从内存地址0x返回32字节
    return(0x0, 32)          
  }
}
</pre> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

## 5、Solidity汇编中的变量定义与赋值 ##

在Yul中，使用`let`关键字定义变量。使用`:=`操作符给变量赋值：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> <pre>1
2
3
</pre> </td> 
   <td> <pre>assembly {
  let x := 2
}
</pre> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

如果没有使用`:=`操作符给变量赋值，那么该变量自动初始化为0值：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> <pre>1
2
3
4
</pre> </td> 
   <td> <pre>assembly {
  let x           // 自动初始化为 x = 0
  x := 5          // x 现在的值是5
}
</pre> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

你可以使用复杂的表达式为变量赋值，例如：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> <pre>1
2
3
4
5
6
</pre> </td> 
   <td> <pre>assembly {
  let x := 7 
  let y := add(x, 3)
  let z := add(keccak256(0x0, 0x20), div(slength, 32))    
  let n            
}
</pre> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

## 6、Solidity汇编中let指令的运行机制 ##

在EVM的内部，`let`指令执行如下任务：

*  创建一个新的堆栈槽位
 *  为变量保留该槽位
 *  当到达代码块结束时自动销毁该槽位

因此，使用let指令在汇编代码块中定义的变量，在该代码块 外部是无法访问的。

## 7、Solidity汇编中的注释 ##

在Yul汇编中注释的写法和Solidity一样，可以使用单行注释`//` 或多行注释`/* */`。例如：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> <pre>1
2
3
4
5
6
7
8
9
</pre> </td> 
   <td> <pre>assembly {     
  // single line comment

/*
    Multi
    line
    comment
  */
}
</pre> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

## 8、Solidity汇编中的字面量 ##

在Solidity汇编中字面量的写法与Solidity一致。不过，字符串字面量 最多可以包含32个字符。

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> <pre>1
2
3
4
5
6
7
</pre> </td> 
   <td> <pre>assembly {    
  let a := 0x123             // 16进制
  let b := 42                // 10进制
  let c := "hello world"     // 字符串

let d := "very long string more than 32 bytes" // 超长字符串，错误！
}
</pre> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

## 9、Solidity汇编中的块和作用范围 ##

在Solidity汇编中，变量的作用范围遵循标准规则。一个块的范围使用 一对大括号标识。

在下面的示例中，y和z仅在定义所在块范围内有效。因此y变量的作用 范围是scope 1，z变量的作用范围是scope 2。

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> <pre>1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
</pre> </td> 
   <td> <pre>assembly {     
  let x := 3          // x在各处可见
    
  // Scope 1           
  {         
    let y := x     // ok    
  }  // 到此处会销毁y

// Scope 2    
  {        
    let z := y     // Error    
  } // 到此处会销毁z
}

// DeclarationError: identifier not found
// let z := y
// ^
</pre> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

作用范围的唯一例外是函数和for循环，我们将在下面解释。

## 10、在Solidity汇编中使用函数的局部变量 ##

在Solidity汇编中，只需要使用变量名就可以访问局部变量， 无论该变量是定义在汇编块中，还是Solidity代码中，不过 变量必须是函数的局部变量：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> <pre>1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
</pre> </td> 
   <td> <pre>function assembly_local_var_access() public pure {    
  uint b = 5;    
  assembly {                // defined inside  an assembly block
      let x := add(2, 3)  
      let y := 10  
      z := add(x, y)
  }    
  assembly {               // defined outside an assembly block
      let x := add(2, 3)
      let y := mul(x, b)
  }
}
</pre> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

## 11、在Solidity汇编中使用for循环 ##

先看一下Solidity中循环的使用。下面的Solidity函数代码中 计算变量的倍数n次，其中value和n是函数的参数：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> <pre>1
2
3
4
5
6
</pre> </td> 
   <td> <pre>function for_loop_solidity(uint n, uint value) public pure returns(uint) {         
  for ( uint i = 0; i &lt; n; i++ ) {
    value = 2 * value;
  }    
  return value;
}
</pre> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

等效的Solidity汇编代码如下：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> <pre>1
2
3
4
5
6
7
8
9
</pre> </td> 
   <td> <pre>function for_loop_assembly(uint n, uint value) public pure returns (uint) {   
  assembly {         
    for { let i := 0 } lt(i, n) { i := add(i, 1) } { 
      value := mul(2, value) 
    }  
    mstore(0x0, value)
    return(0x0, 32)
  }   
}
</pre> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

类似于其他开发语言中的for循环，在Solidity汇编中，for循环也包含 3个元素：

*  初始化：`let i := 0`
 *  执行条件：`lt(i, n)` ，必须是函数风格表达式
 *  迭代后续步骤：`add(i, 1)`

注意：for循环中变量的作用范围略有不同。在初始化部分定义的变量 在循环的其他部分都有效。

## 12、在Solidity汇编中使用while循环 ##

在Solidity汇编中实际上是没有while循环关键字的，但是可以使用 for循环实现同样的功能：只要留空for循环的初始化部分和迭代后续步骤即可。

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> <pre>1
2
3
4
5
6
7
8
</pre> </td> 
   <td> <pre>assembly {
  let x := 0
  let i := 0
  for { } lt(i, 0x100) { } {     // 等价于：while(i &lt; 0x100)
    x := add(x, mload(i))
    i := add(i, 0x20)
  }
}
</pre> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

## 13、在Solidity汇编中使用if语句 ##

Solidity内联汇编支持使用`if`语句来设置代码执行的条件，但是 没有其他语言中的`else`部分。

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> <pre>1
2
3
4
</pre> </td> 
   <td> <pre>assembly {    
  if slt(x, 0) { x := sub(0, x) }  // Ok
  if eq(value, 0) revert(0, 0)     // Error, 需要大括号
}
</pre> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

if语句强制要求代码块使用大括号，即使需要保护的代码只有一行， 也需要使用大括号。这和solidity不同。

如果需要在Solidity内联汇编中检查多种条件，可以考虑使用 `switch`语句。

## 14、在Solidity汇编中使用switch语句 ##

EVM汇编中也有`switch`语句，它将一个表达式的值于多个常量 进行对比，并选择相应的代码分支来执行。`switch`语句支持 一个默认分支`default`，当表达式的值不匹配任何其他分支条件时，将 执行默认分支的代码。

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> <pre>1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
</pre> </td> 
   <td> <pre>assembly {
  let x := 0
  switch calldataload(4)
  case 0 {
    x := calldataload(0x24)
  }
  default {
    x := calldataload(0x44)
  }
  sstore(0, div(x, 2))
}
</pre> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

`switch`语句有一些限制：

*  分支列表不需要大括号，但是分支的代码块需要大括号
 *  所有的分支条件值必须：1）具有相同的类型 2）具有不同的值
 *  如果分支条件已经涵盖所有可能的值，那么不允许再出现default条件

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> <pre>1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
</pre> </td> 
   <td> <pre>assembly {            
  let x := 34
           
  switch lt(x, 30)
  case true {
      // do something
  }
  case false {
      // do something els
  }
  default {
      // 不允许
  }             
}
</pre> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

## 15、在Solidity汇编中使用函数 ##

也可以在Solidity内联汇编中定义底层函数。调用这些自定义的函数 和使用内置的操作码一样。

下面的汇编函数用来分配指定长度的内存，并返回内存指针pos：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> <pre>1
2
3
4
5
6
7
</pre> </td> 
   <td> <pre>assembly {    
  function allocate(length) -&gt; pos {
    pos := mload(0x40)
    mstore(0x40, add(pos, length))
  }    
  let free_memory_pointer := allocate(64)
}
</pre> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

汇编函数的运行机制如下：

*  从堆栈提取参数
 *  将结果压入堆栈

和Solidity函数不同，不需要指定汇编函数的可见性，例如public或private， 因为汇编函数仅在定义所在的汇编代码块内有效。

## 16、Solidity汇编中的操作码 ##

EVM操作码可以分为以下几类：

*  算数和比较操作
 *  位操作
 *  密码学操作，目前仅包含`keccak256`
 *  环境操作，主要指与区块链相关的全局信息，例如`blockhash`或`coinbase`收款账号
 *  存储、内存和栈操作
 *  交易与合约调用操作
 *  停机操作
 *  日志操作

详细的操作码可以查看[Solidity文档][Solidity]。

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原文链接：[Solidity Tutorial : all about Assembly][Solidity Tutorial _ all about Assembly]

[Geth]: https://github.com/ethereum/go-ethereum/blob/15d09038a6b1d533bc78662f2f0b77ccf03aaab0/core/vm/opcodes.go#L223-L388
[33d0a1d00a3240fd324ad23254d7e0c8.png]: /images/20220829/b6057457da884045b476f7ab2784e0d2.png
[stack machine]: https://igor.io/2013/08/28/stack-machines-fundamentals.html
[Solidity]: https://solidity.readthedocs.io/en/v0.6.2/yul.html#evm-dialect
[Solidity Tutorial _ all about Assembly]: https://medium.com/@jeancvllr/solidity-tutorial-all-about-assembly-5acdfefde05c