EVM学习笔记（二）：理解EVM执行

深入解析 EVM 执行机制：以最小 Bank 合约为例

本文将通过一个精简的 Bank 合约实现，系统性地剖析 EVM（以太坊虚拟机）的执行流程。不同于常规的代码编写教学，本文聚焦于 Solidity 代码与 EVM 底层操作的映射关系，建立完整的虚拟机执行认知框架。

一、核心学习目标

通过本案例分析，读者将彻底掌握以下关键问题：

deposit() 函数执行时：
- EVM 修改了哪些存储状态
- Gas 消耗的具体分布
withdraw() 函数执行时：
- 外部调用（CALL）的底层机制
- 重入攻击的防范原理
高级语言特性：
- mapping 存储结构的成本构成
- require 语句的回滚实现机制

二、最小 Bank 合约实现

// SPDX-License-Identifier: MIT
pragma solidity ^0.8.20;

contract SimpleBank {
    // 存储用户余额的mapping结构
    mapping(address => uint256) public balances;

    // 事件日志（不占用存储空间）
    event Deposit(address indexed user, uint256 amount);
    event Withdraw(address indexed user, uint256 amount);

    // 存款函数
    function deposit() external payable {
        require(msg.value > 0, "zero value");
        balances[msg.sender] += msg.value;
        emit Deposit(msg.sender, msg.value);
    }

    // 取款函数
    function withdraw(uint256 amount) external {
        require(balances[msg.sender] >= amount, "not enough");
        balances[msg.sender] -= amount;
        (bool ok, ) = msg.sender.call{value: amount}("");
        require(ok, "transfer failed");
        emit Withdraw(msg.sender, amount);
    }
}

三、存款操作（deposit）的 EVM 执行解析

1. 交易初始化阶段

当用户发起存款交易时，交易数据包含：

to：合约地址
value：转账金额（如1 ETH）
data：函数选择器（deposit()的4字节标识）
gasLimit：最大Gas消耗限制

EVM首先创建新的执行上下文，初始化栈（Stack）、内存（Memory）和存储（Storage）环境。

2. 条件检查执行

require(msg.value > 0);

EVM操作序列：

从交易上下文读取msg.value
执行比较操作（栈操作）
条件不满足时触发REVERT操作码
- 回滚所有状态修改
- 保留已消耗Gas（与STOP不同）

3. 余额更新操作

balances[msg.sender] += msg.value;

底层执行流程：

计算存储槽位置：
- slot = keccak256(abi.encodePacked(msg.sender, mapping初始槽))
执行SLOAD读取当前值
在栈上执行加法运算
执行STORE写入新值

成本分析：

STORE操作成本：
- 首次设置非零值：20,000 Gas
- 修改非零值：5,000 Gas
- 清零存储槽：2,900 Gas（含2,000 Gas退款）

4. 事件触发机制

emit Deposit(...);

日志记录过程：

创建LOG条目（不修改存储）
消耗Gas（约375 Gas + 每个topic 375 Gas）
数据存储在区块链收据中（可通过事件监听获取）

四、取款操作（withdraw）的 EVM 执行解析

1. 余额验证阶段

require(balances[msg.sender] >= amount);

安全设计要点：

先验证后修改的原子性
使用SLOAD读取存储值
验证失败触发REVERT

2. 状态更新顺序

balances[msg.sender] -= amount;

重入防护机制：

采用"Checks-Effects-Interactions"模式
先更新本地状态
再执行外部调用
防止恶意合约通过回调重复取款

3. 外部调用执行

msg.sender.call{value: amount}("");

CALL操作细节：

创建新的调用帧（Call Frame）
传递控制权至目标地址
提供2300 Gas基础值（可调整）
返回执行结果（bool值）

安全风险：

目标合约可能执行恶意回调
低Gas传递可能导致转账失败
建议添加Gas限制或使用transfer（但需注意其2300 Gas限制）

五、关键技术概念映射表

高级概念	EVM实现机制	性能特征
状态存储	Storage（持久化键值存储）	高成本（SSTORE）
临时计算	Stack（256位LIFO栈）	超高速（3 Gas/操作）
动态数据	Memory（线性可扩展内存）	中等成本（扩展成本递增）
外部交互	CALL操作码	创建新执行上下文
异常处理	REVERT/STOP操作码	REVERT保留Gas消耗

六、Q&A

Q1：为什么mapping无法直接遍历？
A：EVM的Storage设计为哈希映射结构，仅支持通过keccak256(key, slot)计算访问。没有内置方法获取所有键列表，遍历需要额外维护索引结构。

Q2：为什么存款操作比取款操作Gas消耗低？
A：存款主要消耗在STORE写入，而取款包含：

两次SLOAD读取
一次STORE写入
外部CALL操作（约700 Gas）
额外的条件检查逻辑

Q3：如何优化这个合约的Gas使用？
A：优化建议包括：

使用unchecked块减少算术检查Gas
对频繁访问的存储变量使用缓存模式
考虑使用assembly优化关键路径
批量处理存储更新减少STORE次数

通过这个最小Bank合约的深度剖析，可以建立从高级语言到虚拟机指令的完整认知链条。这种底层理解对于编写安全高效的智能合约、进行Gas优化以及通过安全审计都至关重要。建议读者结合实际代码调试，加深对EVM执行模型的理解。