什么是以太坊虚拟机（EVM）以及它如何执行代码？

了解以太坊虚拟机（EVM）

1. 以太坊虚拟机（EVM）是一个去中心化的运行时环境，在以太坊区块链上执行智能合约。它是以太坊支持可编程交易和去中心化应用程序（dApp）的能力背后的核心计算引擎。以太坊网络中的每个节点都运行一个 EVM 实例，确保整个系统达成共识。

2. EVM 使用基于堆栈的架构运行，最大堆栈深度为 1024 项。它处理用字节码编写的指令，字节码是由 Solidity 或 Vyper 等高级编程语言生成的。这些智能合约代码被编译成 EVM 操作码——EVM 可以解释和执行的低级机器指令。

3. EVM 中的每个操作都会消耗预定义数量的 Gas，这充当计量机制，以防止无限循环并阻止恶意计算。用户必须以以太币（ETH）支付燃气费才能执行交易或部署合约，确保网络资源得到高效、公平的使用。

4. EVM与主机操作系统和网络保持完全隔离，为代码执行提供安全的沙箱环境。这种设计可以防止智能合约直接访问外部系统，从而减少与文件系统、网络或其他进程相关的漏洞。

5. 以太坊上的状态更改（例如更新帐户余额或修改存储）只有在交易成功完成时才会最终确定。如果执行期间发生错误，所有状态修改都会恢复，从而保持整个区块链的数据完整性。

EVM 如何执行智能合约代码

1. 当用户发送交易以部署智能合约或与智能合约交互时，该请求将在以太坊点对点网络上广播。矿工或验证者接收交易并将其包含在块中进行处理。

2. 在执行之前，EVM 会初始化一个新的执行环境，其中包含发送者地址、接收者地址、输入数据、gas limit 和正在传输的值等信息。此上下文定义了代码运行的条件。

3. 合约的字节码被加载到内存中，EVM 开始按顺序处理每个操作码。操作可能涉及算术计算、操作内存或持久存储中的数据、调用其他合约或触发事件。

4. 在执行过程中，EVM 会跟踪每次操作后的 Gas 消耗。如果可用气体在任何时候降至零以下，执行将立即停止，交易将失败。然而，由于计算工作是由网络执行的，因此仍需收取 Gas 费。

5. 成功完成后，对以太坊状态所做的任何更改（例如写入合约存储或转移资金）都将永久提交。与事件发射相关的日志也会被记录下来，稍后可以通过 dApp 或索引服务进行查询。

Gas 和操作码在 EVM 操作中的作用

1. Gas 是 EVM 功能的关键组成部分，充当计算工作的单位。每个操作码都有特定的 Gas 成本，具体取决于其复杂性和资源使用情况。像加法这样的简单操作需要最少的 Gas，而存储写入或加密功能则需要更多的 Gas。

2. 开发人员必须仔细优化其智能合约代码，以最大限度地减少 Gas 支出，尤其是在部署大规模应用程序时。低效的代码不仅会增加成本，还会导致最终用户无法进行交互。

3. EVM 强制执行严格的确定性：给定相同的输入和初始状态，每个节点必须得出完全相同的结果。这确保了分布式网络的一致性，并防止由于执行结果不同而产生分叉。

4. CALL、DELEGATECALL 和 STATICCALL 等特殊操作码允许合约之间进行交互。这些合约间通信支持模块化设计，其中复杂的逻辑被分割到多个协同工作的合约中。

5. 尽管 EVM 功能强大，但它在维护安全性和可预测性方面也存在一些限制。例如，没有对浮点运算的原生支持，并且通过气体约束和调用深度限制有效地防止了递归。

常见问题解答

当智能合约耗尽 Gas 时会发生什么？当智能合约在执行期间超出分配的 Gas 限制时，EVM 会立即停止处理。所有状态更改都会回滚，但交易仍以失败状态保留在区块链上，并且发送者会损失为计算支付的天然气。

EVM 可以执行任何编程语言的代码吗？ EVM 本身只理解字节码。在部署之前，Solidity、Vyper 或 Yul 等高级语言必须编译为 EVM 兼容的字节码。只要存在编译器将语言翻译成有效的操作码，源语言就不会限制执行。

EVM 图灵完备吗？ EVM 是准图灵完备的。虽然它支持循环和条件逻辑，但气体限制的存在阻止了无限计算。这种设计选择牺牲了完整的图灵完整性，以确保所有执行的实际终止。