什麼是以太坊虛擬機（EVM）以及它如何執行代碼？

了解以太坊虛擬機（EVM）

1. 以太坊虛擬機（EVM）是一個去中心化的運行時環境，在以太坊區塊鏈上執行智能合約。它是以太坊支持可編程交易和去中心化應用程序（dApp）的能力背後的核心計算引擎。以太坊網絡中的每個節點都運行一個 EVM 實例，確保整個系統達成共識。

2. EVM 使用基於堆棧的架構運行，最大堆棧深度為 1024 項。它處理用字節碼編寫的指令，字節碼是由 Solidity 或 Vyper 等高級編程語言生成的。這些智能合約代碼被編譯成 EVM 操作碼——EVM 可以解釋和執行的低級機器指令。

3. EVM 中的每個操作都會消耗預定義數量的 Gas，這充當計量機制，以防止無限循環並阻止惡意計算。用戶必須以以太幣（ETH）支付燃氣費才能執行交易或部署合約，確保網絡資源得到高效、公平的使用。

4. EVM與主機操作系統和網絡保持完全隔離，為代碼執行提供安全的沙箱環境。這種設計可以防止智能合約直接訪問外部系統，從而減少與文件系統、網絡或其他進程相關的漏洞。

5. 以太坊上的狀態更改（例如更新帳戶餘額或修改存儲）只有在交易成功完成時才會最終確定。如果執行期間發生錯誤，所有狀態修改都會恢復，從而保持整個區塊鏈的數據完整性。

EVM 如何執行智能合約代碼

1. 當用戶發送交易以部署智能合約或與智能合約交互時，該請求將在以太坊點對點網絡上廣播。礦工或驗證者接收交易並將其包含在塊中進行處理。

2. 在執行之前，EVM 會初始化一個新的執行環境，其中包含發送者地址、接收者地址、輸入數據、gas limit 和正在傳輸的值等信息。此上下文定義了代碼運行的條件。

3. 合約的字節碼被加載到內存中，EVM 開始按順序處理每個操作碼。操作可能涉及算術計算、操作內存或持久存儲中的數據、調用其他合約或觸發事件。

4. 在執行過程中，EVM 會跟踪每次操作後的 Gas 消耗。如果可用氣體在任何時候降至零以下，執行將立即停止，交易將失敗。然而，由於計算工作是由網絡執行的，因此仍需收取 Gas 費。

5. 成功完成後，對以太坊狀態所做的任何更改（例如寫入合約存儲或轉移資金）都將永久提交。與事件發射相關的日誌也會被記錄下來，稍後可以通過 dApp 或索引服務進行查詢。

Gas 和操作碼在 EVM 操作中的作用

1. Gas 是 EVM 功能的關鍵組成部分，充當計算工作的單位。每個操作碼都有特定的 Gas 成本，具體取決於其複雜性和資源使用情況。像加法這樣的簡單操作需要最少的 Gas，而存儲寫入或加密功能則需要更多的 Gas。

2. 開發人員必須仔細優化其智能合約代碼，以最大限度地減少 Gas 支出，尤其是在部署大規模應用程序時。低效的代碼不僅會增加成本，還會導致最終用戶無法進行交互。

3. EVM 強制執行嚴格的確定性：給定相同的輸入和初始狀態，每個節點必須得出完全相同的結果。這確保了分佈式網絡的一致性，並防止由於執行結果不同而產生分叉。

4. CALL、DELEGATECALL 和 STATICCALL 等特殊操作碼允許合約之間進行交互。這些合約間通信支持模塊化設計，其中復雜的邏輯被分割到多個協同工作的合約中。

5. 儘管 EVM 功能強大，但它在維護安全性和可預測性方面也存在一些限制。例如，沒有對浮點運算的原生支持，並且通過氣體約束和調用深度限制有效地防止了遞歸。

常見問題解答

當智能合約耗盡 Gas 時會發生什麼？當智能合約在執行期間超出分配的 Gas 限制時，EVM 會立即停止處理。所有狀態更改都會回滾，但交易仍以失敗狀態保留在區塊鏈上，並且發送者會損失為計算支付的天然氣。

EVM 可以執行任何編程語言的代碼嗎？ EVM 本身只理解字節碼。在部署之前，Solidity、Vyper 或 Yul 等高級語言必須編譯為 EVM 兼容的字節碼。只要存在編譯器將語言翻譯成有效的操作碼，源語言就不會限制執行。

EVM 圖靈完備嗎？ EVM 是準圖靈完備的。雖然它支持循環和條件邏輯，但氣體限制的存在阻止了無限計算。這種設計選擇犧牲了完整的圖靈完整性，以確保所有執行的實際終止。