CoinEx Chain开发团队：EVM组成-设计近些年来，基于区块链技术，出现了一些火爆的区块链游戏、去中心化金融(D

近些年来，基于区块链技术，出现了一些火爆的区块链游戏、去中心化金融(DeFi)等应用，而大部分这些应用，都是基于以太坊合约开发的。

以太坊被称为区块链2.0，号称永不停机的世界计算机(The Unstoppable World Computer)，提供了强大的去中心运算能力。而以太坊协议的核心是以太坊虚拟机（简称EVM），是一个基于堆栈的准图灵完备的虚拟机，以沙箱模式嵌入在每个以太坊节点中，用来处理智能合约的部署和执行。在以太坊中，除了基础的外部账户间的转账，剩余所有操作都涉及到EVM，用来执行合约，更新对应账户的状态。用高级语言Solidity编写的以太坊合约，编译为EVM字节码后，就可以在EVM中执行。下面将介绍EVM的组成、以及设计。

EVM组成-设计

EVM主要由三部分组成：链的上下文StateDB环境、指令解释器Interpreter、Environment Function；作为独立的三部分，各自在运行虚拟机中运行中起着不同的作用。

链的上下文StateDB环境：向EVM虚拟机提供链上数据支持，同时可以将合约执行过程中的需要存储的数据持久化至链上；例如：合约执行过程中账户余额的更新、合约账户内部状态的更新等。类似与通用计算机中的硬盘。
指令解释器Interpreter：解释执行编译后合约字节码，与一般虚拟机不同的是，EVM执行中有Gas的概念，用来解决停机和资源消耗问题，所以在解释器执行指令时，也会对计算相应指令的Gas消耗。解释器依据PC调用相应的指令，从堆栈、内存中获取该指令所需的操作数；如果属于简单指令（如：算术ADD、比较指令GT...），则解释器直接计算相应指令的结果；如果属于EVM语义的指令（如：SSTORE、CALL），则将操作数与StateDB或Enviroment Function进行交互，计算指令结果，然后将结果存入堆栈。

Environment Function(简写ENV FUNC)：提供EVM特有指令的执行逻辑，使用指令的操作数、StateDB进行交互，计算执行结果（如：对于CALL指令，EVM先从堆栈中获取指令所需的操作数，将操作数和StateDB传入ENV FUNC，ENV FUNC使用自身的执行逻辑和传入数据，计算结果，返回给解释器）；部分代码展示如下

func opCreate(pc *uint64, interpreter *EVMInterpreter, callContext *callCtx) ... {
	//1. 从堆栈、内存获取指令操作数
	var (
		value        = callContext.stack.pop()
		offset, size = callContext.stack.pop(), callContext.stack.pop()
		input        = callContext.memory.GetCopy(int64(offset.Uint64()), int64(size.Uint64()))
		gas          = callContext.contract.Gas
	)	
	....
	
	//2. 使用ENV FUNC计算指令结果
	res, addr, returnGas, suberr := interpreter.evm.Create(callContext.contract, input, gas, value.ToBig())
	....
	
	//3. 将计算结果压回站上
	stackvalue.SetBytes(addr.Bytes())
	callContext.stack.push(&stackvalue)
	callContext.contract.Gas += returnGas
}

从更宏观上来看，可以将EVM分为两层抽象，如下图所示。

从VM层进行抽象，从根本上来说，EVM只对外暴漏了两个方法调用Call、Create.
```
type VM interface{
	Create(caller types.ContractRef, code []byte, gas uint64, val sdk.Int) (ret []byte, contractAddr sdk.AccAddress, gasLeft uint64, err error)
  
	Call(caller types.ContractRef, toAddr sdk.AccAddress, input []byte,	gas uint64, val sdk.Int) (ret []byte, gasLeft uint64, err error)
}
```
- Create: 依据链上交易，来创建指定的合约；参数为创建者地址、原始合约字节码、gas、金额，返回创建的合约地址、合约存储字节码和剩余gas。
- Call: 依据链上交易，来调用指定合约；参数为调用者地址、合约地址、调用输入、gas、金额，返回合约执行结果、剩余gas。
解释器层抽象，解释器的功能比较单纯，解释执行合约指令，并将计算压入栈。
```
type Interpreter interface {
	Run(contract *Contract, input []byte, static bool) ([]byte, error)
	CanRun([]byte) bool
}
```
- Run: 用来解释执行合约；参数为合约信息、调用输入，返回执行结果。
- CanRun: 解释器的额外控制逻辑，可以作为解释器的拓展点。
- 当前的有一些解释器的开源实现和规范
  - go-ethereum项目自带的官方解释器
  - 遵循EVMC解释器规范实现的C++版解释器EVMONE，C++版解释器Hera，其中Hera是一个Wasm版字节码实现。
EVM整体结构上，为如下组织
```
type VM interface{	...	 }
type EVM struct {
	....
	
	StateDB StateDB
	interpreter  Interpreter
}
func (evm *EVM) Call(...)...
func (evm *EVM) Create(...)...
```
Go 的类型系统为Duck typing，不要求一个类型显式地声明它实现了某个接口。因此go-ethereum的EVM结构体实现了VM接口。
- Duck typing 的准则是 “If you can do it, you can be used here”。
EVM的整体执行流程如下图所示

小结

所以在一个准备兼容EVM的其它区块链项目中，可以通过下面几种方案，来引入EVM：

只引用现成的EVM字节码解释器，项目中自己实现ENV FUNC.
- 例如使用遵从EVMC规范的解释器实现：EVMONE、Hera ...
- 官方的go-ethereum解释器，并未拆分为一个单独的可导入组件，无法独立使用。
引用官方go-ethereum的EVM，然后替换其中的Interpreter实现。
- 可以使用上述提到的那些解释器项目

但无论使用上述那种方式，都需要给虚拟机提供链的上下文StateDB，用于和链之间进行数据交互。

*本文由CoinEx Chain开发团队成员撰写。CoinEx Chain是全球首条基于Tendermint共识协议和Cosmos SDK开发的DEX专用公链，借助IBC来实现DEX公链、智能合约链、隐私链三条链合一的方式去解决可扩展性（Scalability）、去中心化（Decentralization）、安全性（security）区块链不可能三角的问题，能够高性能的支持数字资产的交易以及基于智能合约的Defi应用。