Solidity ではアレイ ストレージはどのように機能し、そのコストはいくらですか?

Solidity の配列ストレージを理解する

1. Solidity の配列はコントラクト ストレージに保存され、関数呼び出しとトランザクションにわたって永続的になります。 uint[] public valueなどの動的配列が宣言されている場合、配列に割り当てられたスロットには配列の長さのみが保持されます。実際のデータ要素は、アレイのスロット番号の keccak256 ハッシュに保存され、安全で決定的な位置マッピングが可能になります。

2. 配列内の各要素は、式keccak256(スロット) + インデックスから導出されたストレージ スロットに配置されます。このメカニズムにより、コントラクト内に複数の配列が存在する場合でも、それらのデータが衝突しないことが保証されます。 Ethereum ストレージは 256 ビットにアライメントされているため、各スロットは 1 つの完全な uint256 または同等のサイズの値を保持できます。大きなタイプは複数のスロットにまたがる場合があります。

3. 固定サイズの配列の場合、コンパイラは、宣言された変数の位置から始まる連続したストレージ スロットを予約します。 uint[3] idsのような固定配列は、ちょうど 3 つの隣接するスロットを使用します。サイズはコンパイル時に既知であるため、長さなどのメタデータは保存されず、アクセスがより直接的になり、ガスの点でわずかに安くなります。

4. ネストされた配列により、複雑さが大幅に増加します。 2 次元動的配列は、同じハッシュ法を使用して基本位置を計算し、内部配列インデックスに基づいてオフセットを適用します。アクセス パターンは、複数レベルのハッシュと読み取りまたは書き込み時の SLOAD 操作の増加によりコストが高くなります。

5. 可能であれば、値を構造体にパックするか、より小さな整数型 (たとえば、uint256 の代わりに uint128) を使用すると、複数の変数を 1 つのストレージ スロット内に収めることができます。これにより、使用されるスロットの合計数が減り、これらの変数に関係する展開と状態変更の両方にかかるガス コストが削減されます。

アレイ操作に関連するガスコスト

1. Push()を介して動的配列に追加すると、追加された要素がゼロか非ゼロかによって異なるコストが発生します。保存されている値がゼロ以外の場合、以前に空だったスロットを設定すると、ガスコストが 20,000 の SSTORE 操作が実行されます。スロットに既にデータが含まれていると仮定すると、EIP-1283 ルールに基づいてゼロ以外の値を上書きすると、5,000 ガスのコストがかかります。

2. 配列から要素を読み取ると SLOAD 操作がトリガーされ、アクセスごとに 2,100 ガスのコストがかかります。オンチェーン ロジックでは、読み取りごとにこの基本コストが増加するため、大規模な配列に対する頻繁な反復は避けるべきです。オフチェーンのインデックス作成サービスは、完全なデータセットを取得するのに適しています。

3. 手動シフトが実装されていない限り、動的配列では要素の削除は本質的にサポートされていません。 Pop() を呼び出すと、最後のアイテムが削除され、ストレージ スロットがクリアされると 15,000 ガスが返金され、未使用状態のクリーンアップが促進されます。ただし、項目を中間から削除するには、後続のすべての要素を移動する必要があり、O(n) の計算と大量のガス使用量が発生します。

4. コントラクトの作成中に大規模なアレイを初期化すると、展開コストが大幅に増加します。すべての事前設定値はストレージ初期化ガスを消費します。多くの場合、配列を空に初期化し、ユーザーの操作を通じて徐々に配列を設定し、コストを複数のトランザクションに分散する方が効率的です。

5. 関数内で一時的に使用されるメモリ配列は永続ストレージに書き込まないため、SSTORE コストを完全に回避できます。これらは中間計算には最適ですが、トランザクションの範囲を超えてデータを保持することはできません。選択した結果をストレージに書き込む前にバッチ処理にメモリ アレイを使用すると、全体の効率が最適化されます。

配列を効率的に使用するための最適化手法

1. キーによるランダム アクセスが必要な場合は、配列よりもマッピングを優先します。マッピング (uint => address)のようなマッピングは、反復や長さの管理のオーバーヘッドなしで定数時間のルックアップを提供します。マッピングにより、インデックスの境界やサイズ変更に関する懸念も解消されます。

2. 個々の配列要素に対して削除は慎重に使用します。特に払い戻しが適用されない場合は、要素を手動でゼロに設定する方が、削除に頼るよりもコストがかからない可能性があります。完全にクリーンアップするには、配列が空になるまで繰り返し Pop() を呼び出すことで、クリアされたストレージ スロットからのガスの払い戻しを最大化します。

3. 配列内容のオンチェーン公開を制限します。配列データを使用してイベントを発行すると、外部システムはストレージから直接読み取ることなく状態を再構築できます。イベントは永続ストレージへの書き込みよりコストが低く、インデックス付きパラメーターによるフィルター処理をサポートします。

4. 追加の多いワークロード用にチェックポイントまたはリンク リスト パターンを実装します。コントラクトは、エントリ間のデルタまたは参照のみを保存することにより、冗長なデータ ストレージを削減し、コストのかかる再編成を最小限に抑えます。このアプローチは、履歴状態やユーザー アクティビティ ログを追跡するのに適しています。

5. アセンブリレベルの最適化を慎重に活用します。インライン Yul コードは、高レベルの Solidity 構造よりも高速にストレージの場所を計算できますが、誤ったアドレス指定のリスクが生じます。上級開発者のみが低レベルのストレージ操作を試み、さまざまなコンパイラ バージョン間で徹底的なテストを行う必要があります。

よくある質問

範囲外の配列インデックスにアクセスするとどうなりますか?現在の配列の長さを超えたインデックスにアクセスすると、無効なオペコードがトリガーされ、残りのガスがすべて消費され、トランザクションが元に戻されます。境界チェックは、アクセスする前にコード内で明示的に処理する必要があります。

コントラクト間で配列を引数として渡すことはできますか?はい、配列は内部および外部の関数呼び出しで渡すことができます。 Calldata 配列はメモリへのコピーを避けるため、大規模な入力に対して効率的です。外部インターフェイスには、静的型と動的型の両方をサポートする ABI エンコードが必要です。

動的配列のサイズに制限はありますか?理論上の制限は、利用可能なガスとブロック サイズの制限によって制限されます。実際の制約には、追加と反復のコストが増大することが含まれます。コントラクトでは、オンチェーンで過度に大規模なアレイを処理する場合、トランザクション ガス制限に達するリスクがあります。

空の配列宣言は記憶域を消費しますか?初期化せずに配列を宣言すると、配列の長さがゼロに設定され、1 つのストレージ スロットが占有されます。要素が追加されるまで、追加のスロットは割り当てられません。この最小限のフットプリントにより、初期化されていない配列の遅延実装に対するコスト効率が高くなります。