陣列存儲在 Solidity 中如何工作以及其成本是多少？

了解 Solidity 中的數組存儲

1. Solidity 中的數組存儲在合約存儲中，該存儲在函數調用和交易之間是持久的。當聲明動態數組時，例如uint[] public value ，分配給數組的槽僅保存數組的長度。實際數據元素存儲在陣列槽號的 keccak256 散列中，從而實現安全且確定的位置映射。

2. 數組中的每個元素都放置在由公式keccak256(slot) + index導出的存儲槽中。這種機制保證了即使合約中存在多個數組，它們的數據也不會發生衝突。由於以太坊存儲是 256 位對齊的，因此每個槽可以容納一個完整的 uint256 或同等大小的值。較大的類型可能跨越多個插槽。

3. 對於固定大小的數組，編譯器從聲明的變量位置開始保留連續的存儲槽。像uint[3] ids這樣的固定數組恰好使用三個相鄰的槽。由於大小在編譯時已知，因此不會存儲長度等元數據，這使得訪問更直接，並且在燃料方面稍微便宜一些。

4. 嵌套數組顯著增加了複雜性。二維動態數組使用相同的哈希方法計算基位置，然後根據內部數組索引應用偏移量。由於讀取或寫入期間的多級散列和增加的 SLOAD 操作，訪問模式變得更加昂貴。

5. 如果可能，將值打包到結構中或使用較小的整數類型（例如，uint128 而不是 uint256），以允許多個變量適合單個存儲槽。這減少了使用的時隙總數，並降低了涉及這些變量的部署和狀態修改的 Gas 成本。

與陣列操作相關的 Gas 成本

1. 通過push()追加到動態數組會產生一定的成本，具體取決於添加的元素是零還是非零。如果存儲的值非零，則在設置先前的空槽時，會導致 SSTORE 操作的 Gas 成本為 20,000。根據 EIP-1283 規則，假設槽已包含數據，後續非零值的覆蓋將花費 5,000 個 Gas。

2. 從數組中讀取元素會觸發 SLOAD 操作，每次訪問消耗 2,100 Gas。在鏈上邏輯中應避免對大型數組進行頻繁迭代，因為每次讀取都會增加此基本成本。鏈下索引服務更適合檢索完整數據集。

3. 動態數組本質上不支持刪除元素，除非實現手動移位。調用pop()會刪除最後一項，並在清理存儲槽時退還 15,000 個 Gas，從而激勵清理未使用的狀態。然而，從中間刪除項目需要移動所有後續元素，導致 O(n) 計算和高 Gas 使用量。

4. 在合同創建期間初始化大型陣列會大大增加部署成本。每個預設值都會消耗存儲初始化氣體。將數組初始化為空並通過用戶交互逐漸填充它們通常會更有效，從而將成本分散到多個事務中。

5. 函數內臨時使用的內存陣列不會寫入持久存儲，從而完全避免 SSTORE 成本。這些非常適合中間計算，但無法保留事務範圍之外的數據。在將選擇性結果寫入存儲之前使用內存陣列進行批處理可以優化整體效率。

高效陣列使用的優化技術

1. 當需要通過密鑰進行隨機訪問時，優先選擇映射而不是數組。像映射（uint =>地址）這樣的映射提供恆定時間的查找，而無需迭代或管理長度的開銷。映射還消除了對索引範圍和調整大小的擔憂。

2. 謹慎地對單個數組元素使用delete。手動將元素設置為零可能比依賴刪除更便宜，尤其是在不適用退款的情況下。為了完全清理，重複調用 pop() 直到數組為空可以最大限度地從已清理的存儲槽中退款。

3. 限制數組內容的鏈上暴露。使用數組數據發出事件允許外部系統重建狀態，而無需直接從存儲中讀取。事件的成本低於永久存儲寫入，並支持通過索引參數進行過濾。

4. 針對追加繁重的工作負載實施檢查點或鍊錶模式。通過僅存儲條目之間的增量或引用，合約減少了冗餘數據存儲並最大限度地減少了昂貴的重組。這種方法非常適合跟踪歷史狀態或用戶活動日誌。

5. 謹慎利用彙編級優化。內聯 Yul 代碼可以比高級 Solidity 構造更快地計算存儲位置，但會帶來尋址不正確的風險。只有高級開發人員才應該嘗試低級存儲操作，以確保跨不同編譯器版本進行徹底測試。

常見問題解答

當訪問越界數組索引時會發生什麼？訪問當前數組長度之外的索引會觸發無效的操作碼，消耗所有剩餘的氣體並恢復交易。在訪問之前，必須在代碼中顯式處理邊界檢查。

數組可以作為參數在合約之間傳遞嗎？是的，數組可以在內部和外部函數調用中傳遞。 Calldata 數組對於大型輸入非常有效，因為它們避免了複製到內存中。外部接口需要ABI編碼，支持靜態和動態類型。

動態數組的增長大小是否有限制？理論限制受到可用氣體和區塊大小限制的約束。實際的限制包括追加和迭代的成本不斷上升。在鏈上處理過大的數組時，合約有達到交易 Gas 限制的風險。

空數組聲明會消耗存儲空間嗎？聲明一個數組而不初始化它會將其長度設置為零並佔用一個存儲槽。在添加元素之前不會分配額外的槽。這種最小的佔用空間使得未初始化的陣列對於延遲填充來說具有成本效益。