1.智能合約的源起

區塊鏈技術自比特幣誕生之日起便受到了廣泛的關注。最初，區塊鏈僅僅作為記錄用戶交易的底層賬本，不支持用戶訂制其它功能。

比特幣為了實現交易，即用戶間轉賬的功能，設計了一套基于棧的簡單腳本語言。這套語言不支持循環，不具備圖靈完備性，僅限于比特幣客戶端內部使用，且只圍繞交易這一項功能，一般被稱之為“Bitcoin Script”。

如果大家去查看比特幣區塊鏈中的每一筆交易記錄，那么會發現交易內容其實是一串字節碼，這串字節碼就是Bitcoin Script。比特幣對Bitcoin Script書寫的交易代碼的格式進行了限制，這種做法保證了交易的合法性與資金的安全性，但犧牲了整個系統的可編程性與靈活性。

一般情況下，一套語言能實現成千上萬種功能，如果設計一套語言只是實現了一個功能，未免有些可惜。或許Vitalik Buterin正是發現了區塊鏈中腳本語言的可能性，于是他在以太坊中把語言請到了舞臺中央，供用戶創建與調用，這也成為了以太坊最具魅力的特性——智能合約。

與比特幣的Bitcoin Script對應，以坊中腳本語言名字叫EVM語言（Ethereum Virtual Machine Code）。EVM語言也是基于棧的語言，但它是圖靈完備的語言，且以太坊設計了專門的虛擬機EVM來為其提供運行環境，這和Bitcoin Script有明顯的區別。

2.智能合約的使用以交易為接口

為了明確系統的功能，以太坊擴充了交易的概念。在比特幣中，交易一般指用戶之間的轉賬操作，在以太坊中，交易除了轉賬，還包括創建或者調用智能合約。因此可以說EVM語言也是為了交易而存在，但它服務的交易的內容廣泛得多。

我們先補充一些必要的概念。以太坊中賬戶分為外部賬戶與合約賬戶，外部賬戶就是用戶使用的賬戶，其中包括了用戶的私鑰和錢包等重要信息；合約賬戶用來存放一個智能合約，通常是由外部賬戶創建的。

用戶發送到以太坊區塊鏈上的每一筆交易中都包含幾個關鍵字段：“from”表示交易發起者，“to”表示交易接收者，“value”表示交易金額，“data”表示附帶的信息。

上文提及的三種操作的交易格式如下：

1） 普通轉賬操作：“from A， to B， value C”表示從外部賬戶A向外部賬戶B轉賬，轉賬金額為C；

2） 智能合約創建操作：“from A， to （空）， value C， data D”表示外部賬戶A創建一個智能合約，向該合約賬戶里轉賬C， 合約的代碼為D；

3） 智能合約調用操作：“from A， to E， data F”表示外部賬戶A調用合約賬戶E的智能合約，本次調用傳入的參數為F。

3一筆交易的處理流程

下面我們來分析一筆交易在以太坊區塊鏈中是如何被處理與執行的。

這部分在以太坊的源碼中十分清晰，因此我們跟隨源碼里的函數調用流程來進行說明。以太坊Go版本源碼地址：https://github.com/ethereum/go-ethereum。

首先先定位，我們可以從core/blockchain.go中找到執行的core/state_processor.go中Process（）方法，在Process（）方法中可以找到如下一行代碼：

receipt， _，err：= ApplyTransaction（p.config， p.bc， nil， gp， statedb， header， tx， usedGas， cfg）

根據這個函數名字我們知道已經找到了執行交易的入口。

3.1 創建EVM虛擬機

瀏覽在core/state_processor.go中的ApplyTransaction（）方法，可發現如下三行關鍵代碼：

context ：= NewEVMContext（msg， header， bc， author）

vmenv ：= vm.NewEVM（context， statedb， config， cfg）

_， gas， failed， err ：= ApplyMessage（vmenv， msg， gp）

第一行是創建新的EVM的執行上下文環境，第二行是創建新的EVM，第三行是用新創建的EVM來處理交易消息。由此可知，每一筆交易在執行之前以太坊都會創建一個EVM虛擬機來負責該交易的執行。

繼續瀏覽core/state_transition.go中的ApplyMessage（）方法，發現該方法只有一行代碼：

return NewStateTransition（evm， msg， gp）.TransitionDb（）

繼續看core/state_transition.go中的TransitionDb（）方法，發現方法中有一個重要的分支：

if contractCreation {

ret， _， st.gas， vmerr = evm.Create（sender， st.data， st.gas， st.value）

} else {

st.state.SetNonce（msg.From（）， st.state.GetNonce（sender.Address（））+1）

ret， st.gas， vmerr = evm.Call（sender， st.to（）， st.data， st.gas， st.value）

}

這段代碼的意思是先判斷是不是創建合約的操作，如果是，則調用Create（）方法，如果不是，則調用Call（）方法。由此可知，交易的三種操作中，創建合約使用的方法是Create（），而調用合約與轉賬使用的方法是Call（）。

接下來我們分別看一下這兩個方法。

3.2 智能合約的創建

先看core/vm/evm.go中的Create（）方法。該方法只有兩行代碼：

contractAddr=crypto.CreateAddress（caller.Address（），evm.StateDB.GetNonce（caller.Address（）））

return evm.create（caller， &codeAndHash{code： code}， gas， value， contractAddr）

第一行是根據外部賬戶的地址和nonce值計算將要創建的合約賬戶的地址，這個nonce參數用來記錄該外部賬戶已創建的合約的數目。

第二行是將創建的合約賬戶地址和其它參數一起傳給同文件中的create（）方法。

繼續看create（）方法可看到如下三行代碼：

nonce ：= evm.StateDB.GetNonce（caller.Address（））

evm.StateDB.SetNonce（caller.Address（）， nonce+1）

contractHash ：= evm.StateDB.GetCodeHash（contractAddr）

第一行是獲取想創建合約的外部賬戶的nonce值。

第二行是將該nonce的值加一后寫回去，第三行是計算合約地址的哈希值確保不會發生地址沖突。

在計算出合約地址后，可看到下面一行代碼：

evm.StateDB.CreateAccount（contractAddr）

這行代碼是根據合約地址創建出了合約賬戶。合約賬戶創建完后，可看到下面一行代碼：

evm.Transfer（evm.StateDB， caller.Address（）， contractAddr， value）

創建者從外部賬戶向合約賬戶轉賬，金額為value。至此，合約賬戶創建工作完成了。

接下來需要創建合約對象并把合約代碼跑起來：

contract：=NewContract（caller， AccountRef（contractAddr）， value， gas） contract.SetCallCode（&contractAddr， crypto.Keccak256Hash（code）， code）

第一行是創建合約對象，第二行是將用戶定義的智能合約代碼綁定到該合約對象上。

合約對象創建完后，用下面一行代碼運行該合約：

ret， err = run（evm， contract， nil）

可能有人會疑惑：創建完合約為什么要運行一遍？

這主要有兩方面的原因：其一，系統需保證合約代碼是能正確運行的，這樣在以后的調用中才不會出錯；其二，系統需要通過運行才能計算出消耗的gas數量，進而完成對外部賬戶的創建合約操作的扣費。其實在create（）方法中還有檢查棧深度、創建快照、出錯后回滾、gas計算等代碼，因它們不涉及到本文的主要內容，故略過。

3.3 轉賬與智能合約的調用

然后我們看core/vm/evm.go中的Call（）方法，該方法負責合約調用和轉賬兩種交易操作。

Call（）方法中不需要創建新的地址，只需要：

to = AccountRef（addr）

該行代碼獲取交易接收方的地址。之后可看到下面一行代碼：

evm.Transfer（evm.StateDB， caller.Address（）， to.Address（）， value）

交易發起者向交易接收方轉賬value金額。接下來的代碼和Create（）相像：

contract ：= NewContract（caller， to， value， gas）

contract.SetCallCode（&addr，evm.StateDB.GetCodeHash（addr），evm.StateDB.GetCode（addr））

第一行創建合約對象，第二行將接收者地址上的智能合約代碼綁定到合約對象上。如果是轉賬操作，接收者地址上沒有代碼，因此綁定的代碼是空，之后的運行會很快結束。綁定完成后，使用run（）方法運行該合約完成調用：

ret， err = run（evm， contract， input）

在Call（）方法中同樣還有檢查棧深度、創建快照、出錯會滾、gas計算等代碼，留給感興趣的讀者自行閱讀。

Create（）與Call（）中最后執行都調用了core/vm/evm.go中的run（）方法，而run（）方法中可發現：

return interpreter.Run（contract， input， readOnly）

接下來定位到core/vm/interpreter.go中的Run（）方法。該方法是EVM中解釋器的運行流程，核心邏輯為循環取出合約的代碼，查表解析出具體的操作碼，再查表計算出需要消耗的gas數目，然后調用操作碼相應的處理函數執行。

核心代碼如下：

for atomic.LoadInt32（&in.evm.abort） == 0 {

…

op = contract.GetOp（pc）

operation ：= in.cfg.JumpTable［op］

…

cost， err = operation.gasCost（in.gasTable， in.evm， contract， stack， mem， memorySize）

…

res， err ：= operation.execute（&pc， in， contract， mem， stack）

…

}

至此，一筆交易的運行就結束了。

4. 結語

綜上所述，我們能了解到以太坊設計的三種交易背后能給予用戶極大的自由度，也充分發揮了EVM語言及其虛擬機的功能。

用戶通過Solidity等語言編寫智能合約，然后編譯成EVM語言，再打包成交易的格式發送到區塊鏈上運行。以太坊得益于這種模式帶來的可編程的特性，引領區塊鏈技術進入了2.0時代。

然而，現在智能合約由于EVM的棧深度與gas消耗的限制，多數都是簡單且袖珍的程序。即使現在這樣的程序已經足夠滿足需求，但未來必將面臨更多更加復雜化的交易場景。

如何去應對這些場景，需要廣大開發者們繼續努力。