什麼是以太坊虛擬機（EVM）以及它如何執行合約？

EVM核心架構

1. 以太坊虛擬機作為嵌入在每個以太坊節點中的確定性沙盒運行時環境運行。

2. 它被實現為基於堆棧的虛擬機，字大小為 256 位，針對加密操作和狀態轉換進行了優化。

3. 每個 EVM 實例將合約執行與底層主機系統隔離，防止直接訪問文件系統、網絡或外部進程。

4. EVM 中的內存是易失性的，並組織為字節可尋址的線性數組，而存儲是持久的，並映射到區塊鏈的全局狀態樹。

5. 執行以交易發送者指定的固定 Gas 限制開始，每個操作碼都會消耗預定義的 Gas 成本，以防止無限循環和資源耗盡。

字節碼編譯和部署

1. 使用Solidity等高級語言編寫的智能合約，使用solc等工具編譯成EVM字節碼。

2. 該字節碼由操作碼（低級指令，如PUSH1 、 SSTORE和RETURN ）組成，每個操作碼映射到一個單字節標識符。

3. 在部署期間，創建事務觸發 EVM 執行構造函數代碼，然後將生成的運行時字節碼存儲在新派生的地址中。

4. 部署的合約代碼變得不可變；任何後續調用都會調用此存儲的字節碼，而無需重新編譯。

5. EVM 在執行前驗證字節碼有效性，拒絕包含未定義或格式錯誤的操作碼的序列。

事務驅動的執行流程

1. 每個合約交互都源自外部擁有的賬戶（EOA）發起針對特定合約地址的簽名交易。

2. EVM 加載目標合約的字節碼，並使用調用者地址、傳輸的值、調用數據和剩餘氣體來初始化新的執行上下文。

3. 執行逐條指令進行：從調用數據讀取、修改內存或存儲、執行算術以及通過條件跳轉進行分支。

4. 如果操作失敗（例如除以零、氣體耗盡或跳轉目標無效），EVM 將恢復該事務期間所做的所有狀態更改。

5. 成功執行會發出日誌、更新存儲，並可能觸發對其他合約的嵌套調用，每個合約都限制在自己獨立的堆棧和內存空間內。

天然氣核算和國家誠信

1. Gas既充當計算定價機制，又充當安全邊界；每個操作碼在執行前都會扣除gas，gas不足會立即停止處理。

2. 存儲寫入所產生的 Gas 成本明顯高於內存操作，這反映了它們在世界狀態中的持久性。

3. EVM 強制執行嚴格的確定性：相同的輸入、相同的合約代碼和相同的前狀態總是產生相同的後狀態和輸出。

4. 本身無法訪問隨機性或基於時間的值；塊號和時間戳是在調用時注入的只讀環境變量。

5. 所有狀態修改都是批量的，並且只有在完整事務執行結束後才會提交到全局狀態樹，無一例外。

常見問題解答

問：EVM 字節碼可以逆向工程為可讀的 Solidity 源嗎？答：反編譯產生近似邏輯，但由於不可逆的編譯損失而無法恢復原始變量名稱、註釋或高級抽象。

問：為什麼 EVM 使用 256 位字而不是 64 位或 128 位？答：256 位與以太坊的加密原語（Keccak-256 哈希、ECDSA 簽名和 Merkle 證明）一致，所有這些都在 32 字節塊上運行。

問：合約自毀時會發生什麼？答：EVM 從狀態樹中刪除合約的代碼和存儲，退還剩餘的 Gas，並將其全部餘額轉移到指定的受益人地址。

問：EVM 執行可以跨節點並行嗎？答：不會。以太坊強制執行每個區塊的順序、確定性執行；節點按照規範順序一一重播交易，以就最終狀態達成共識。