title: Ethereum 以太坊智能合约调用源码分析
date: 2018-06-16 09:47:08
tags:
- 以太坊
- 智能合约
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- 区块链
0 前言
- 基于 Ethereum Coffice (v.1.8.8) 分析
- 需要区块链基础知识
- 有 C++/JAVA 基础就能理解文中 go 代码
- 本文不包含合约部署的前序步骤，即sol源码编译打包过程，请参考网络上其他文章
- 流程图使用 ProcessOn.com 在线绘制
- 合约调用与交易的流程大同小异，可参考之前笔者文章“Ethereum 以太坊智能合约部署源码分析”
整体流程图如下所示：
1 API 发起智能合约执行交易
在部署好的智能合约上，可以发起合约调用。每次合约调用将生成一笔新的交易，Ethereum 区块链网络需要处理交易上链事件。下面是交易发起过程用到的两个主要数据结构：
1.1 相关数据结构
- 客户端侧传输数据结构展示：
/*
file: ethapi\api.go
*/
type SendTxArgs struct {
From common.Address `json:"from"`
To *common.Address `json:"to"`
Gas *hexutil.Uint64 `json:"gas"`
GasPrice *hexutil.Big `json:"gasPrice"`
Value *hexutil.Big `json:"value"`
Nonce *hexutil.Uint64 `json:"nonce"`
Data *hexutil.Bytes `json:"data"`
Input *hexutil.Bytes `json:"input"`
}
- Ethereum 交易数据结构展示：
/*
file: core\types\transaction.go
*/
type Transaction struct {
data txdata
hash atomic.Value
size atomic.Value
from atomic.Value
}
type txdata struct {
AccountNonce uint64 `json:"nonce" gencodec:"required"`
Price *big.Int `json:"gasPrice" gencodec:"required"`
GasLimit uint64 `json:"gas" gencodec:"required"`
Recipient *common.Address `json:"to" rlp:"nil"`
Amount *big.Int `json:"value" gencodec:"required"`
Payload []byte `json:"input" gencodec:"required"`
V *big.Int `json:"v" gencodec:"required"`
R *big.Int `json:"r" gencodec:"required"`
S *big.Int `json:"s" gencodec:"required"`
Hash *common.Hash `json:"hash" rlp:"-"`
}
1.2 流程图细节
-
ethapi/api.go识别到这是一次交易发送请求，调用SendTransaction()函数，进一步向底层发送消息。首先，函数会检查发送交易账户的合法性，并且为交易设置一系列的初始值，例如 gas, nonce 等。交易信息填满后，放到交易池中，等待下一步处理。
1a. 根据传入信息创建Transaction。注意此处有个判断语句，根据To是否有值来确定是合约创建或调用。if args.To == nil { // 合约调用时，此处to不为空 return types.NewContractCreation(...) } return types.NewTransaction(...)1b.
SignTx()使用交易发起者信息对交易进行签名。此处有wallet的概念，官方源码注释中多次提到“USB”。笔者网上检索后知道这是以太坊推出的硬件钱包，它是一个安全存储私钥的硬件设备，通过USB与电脑连接。在进行交易时，发送交易到 Ethereum 区块链网络时，需要使用硬件钱包的私钥进行交易签名。下面引用一段对于硬件钱包的说明：Ledger的硬件钱包围绕“安全元件”或安全芯片进行架构。这是和芯片及PIN支付或SIM卡中使用的相同技术。这些芯片为物理攻击提供保护，大大提升私钥的安全性。 我们的研发人员来自安全行业（曾服务于数字安全领域的全球领先企业Gemalto金雅拓，Oberthur 欧贝特等企业），我们在智能卡和安全嵌入式操作系统领域拥有丰富的经验。
go var chainID *big.Int if config := s.b.ChainConfig(); config.IsEIP155(s.b.CurrentBlock().Number()) { chainID = config.ChainId } signed, err := wallet.SignTx(account, tx, chainID)
若是检测到 Ethereum 软件未运行，将直接反馈空的交易信息
go /* file: accouts\usbwallet\ledger.go */ if w.offline() { return common.Address{}, nil, accounts.ErrWalletClosed }
1c.submitTransaction()将交易推进交易池，等待下一步处理。
go func submitTransaction(...) (common.Hash, error) { if err := b.SendTx(ctx, tx); err != nil { return common.Hash{}, err } if tx.To() == nil { ... addr := crypto.CreateAddress(from, tx.Nonce()) log.Info(... "contract", addr.Hex()) } ... return tx.Hash(), nil }
入池操作会调用如下关键函数。交易池分为两个交易列表，pending中存放可执行的交易，queue中存放排队中暂不可执行的交易，他们之间可以相互转换。入池之前，pool.validateTx()会对交易签名进行初步检查，对于一笔合法的新交易，pool.enqueueTx()会将其先放入queue列表，随后promoteExecutables()视条件将其移入pending中。
```go
/*
file: core\tx_pool.go
*/
func (pool *TxPool) addTx(...) error {
...
replace, err := pool.add(tx, local)
if err != nil {
return err
}if !replace { from, _ := types.Sender(pool.signer, tx) pool.promoteExecutables([]common.Address{from}) } return nil}
2 Worker 交易打包出块
随着交易池的增长，矿工服务根据一定的条件完成交易打包与出块操作。生成的块将在网络中通过P2P服务传播。
(细节待完成)
3 Blockchain 区块上链
3.1 概述
在收到网络上的传送来的区块后，触发 blockchain.go 的 InsertChain() 函数，进入区块的处理过程: 区块链校验 -> 区块头验证->区块体验证->交易处理->状态验证->区块上链。
/*
file: core\blockchain.go
*/
func (bc *BlockChain) insertChain(chain types.Blocks) (...) {
for i := 1; i < len(chain); i++ {
if chain[i].NumberU64() != chain[i-1].NumberU64()+1 || chain[i].ParentHash() != chain[i-1].Hash() {
...
return 0, nil, nil, ...
}
}
...
abort, results := bc.engine.VerifyHeaders(...)
...
for i, block := range chain {
...
err := <-results
if err == nil {
err = bc.Validator().ValidateBody(block)
}
...
state, err := state.New(parent.Root(), bc.stateCache)
if err != nil {
return i, events, coalescedLogs, err
}
receipts, logs, usedGas, err := bc.processor.Process(...)
if err != nil {
bc.reportBlock(block, receipts, err)
return i, events, coalescedLogs, err
}
err = bc.Validator().ValidateState(...)
if err != nil {
bc.reportBlock(block, receipts, err)
return i, events, coalescedLogs, err
}
status, err := bc.WriteBlockWithState(...)
if err != nil {
return i, events, coalescedLogs, err
}
switch status {
case CanonStatTy:
...
case SideStatTy:
...
}
...
return 0, events, coalescedLogs, nil
}
- Message 数据结构展示
type Message struct {
to *common.Address
from common.Address
nonce uint64
amount *big.Int
gasLimit uint64
gasPrice *big.Int
data []byte
checkNonce bool
}
3.2 流程图细节
- 交易处理过程调用
state_processer.go的Process()函数对区块中的所有交易进行逐一处理。
/*
file: core\state_processor.go
*/
func (p *StateProcessor) Process(...) (types.Receipts, []*types.Log, uint64, error) {
...
for i, tx := range block.Transactions() {
statedb.Prepare(tx.Hash(), block.Hash(), i)
receipt, _, err := ApplyTransaction(...)
if err != nil {
return nil, nil, 0, err
}
receipts = append(receipts, receipt)
allLogs = append(allLogs, receipt.Logs...)
}
p.engine.Finalize(...)
return receipts, allLogs, *usedGas, nil
}
2a. AsMessage() 函数将 Transaction 数据结构转换为 Message 数据结构
msg, err := tx.AsMessage(types.MakeSigner(config, header.Number))
if err != nil {
return nil, 0, err
}
2b. newEvm() 为合约的执行创建虚拟机环境。
context := NewEVMContext(msg, header, bc, author)
vmenv := vm.NewEVM(context, statedb, config, cfg)
2c. ApplyMessage() 创建一个新的状态变更实例，并且调用 state_transition.go 的 TransitionDb() 函数应用合约代码到这个实例中，发生实质上的状态转移记录。 TransitionDb() 首先会进行交易执行的入口检查，确认 nonce, gas 是否合法可用；随后根据是合约创建还是合约调用，选择 Create() 或者 Call()，在合约部署中，此处会调用 Call()
/*
file: core\state_transition.go
*/
func (st *StateTransition) TransitionDb() () {
if err = st.preCheck(); err != nil {
return
}
...
contractCreation := msg.To() == nil
...
if contractCreation {
ret, _, st.gas, vmerr = evm.Create(...)
} else {
st.state.SetNonce(msg.From(), st.state.GetNonce(sender.Address())+1)
ret, st.gas, vmerr = evm.Call(...) // 合约调用
}
...
return ret, st.gasUsed(), vmerr != nil, err
}
下面进入到合约调用最核心的流程，由 core\vm\evm.go 的 Call() 完成。在真正调用前，会做一些基本的合法性检查，例如余额是否足够进行转账，账户合法性等。注意此处若对象账户不存在，内部会为账户地址创建新的账户。run() 函数将执行合约代码，第三个参数为nil，代表不调用合约中的任何函数，只是初始化。
Tips：Ethereum 中，在进行账户的查询功能和转账功能时，都是合约调用交易。但是我们知道，查询动作实际无需上链，转账才需要。Ethereum 把这项控制设计在了智能合约的编写中，通过sol语言的函数修饰关键字来控制。
在Solidity中
constant、view、pure三个函数修饰词的作用是告诉编译器，函数不改变/不读取状态变量，这样函数执行就可以不消耗gas了，因为不需要矿工来验证。在Solidity v4.17之前，只有constant，后续版本将constant拆成了view和pure。view的作用和constant一模一样，可以读取状态变量但是不能改；pure则更为严格，pure修饰的函数不能改也不能读状态变量，智能操作函数内部变量，否则编译通不过。
作者：Kirn
链接：https://www.jianshu.com/p/52eec7ac5413
/*
file: core\vm\evm.go
*/
func (evm *EVM) Call(...) (...) {
if evm.vmConfig.NoRecursion && evm.depth > 0 {
return nil, gas, nil
}
if evm.depth > int(params.CallCreateDepth) {
return nil, gas, ErrDepth
}
// 余额是否充足
if !evm.Context.CanTransfer(evm.StateDB, caller.Address(), value) {
return nil, gas, ErrInsufficientBalance
}
var (
to = AccountRef(addr)
snapshot = evm.StateDB.Snapshot()
)
if !evm.StateDB.Exist(addr) {
...
// 对方地址无账户，则创建
evm.StateDB.CreateAccount(addr)
}
// 在DB层面执行转账动作
evm.Transfer(evm.StateDB, caller.Address(), to.Address(), value)
// 为当前合约执行创建一个临时的合约
contract := NewContract(caller, to, value, gas)
contract.SetCallCode(&addr, evm.StateDB.GetCodeHash(addr), evm.StateDB.GetCode(addr))
...
ret, err = run(evm, contract, input)
// 调用失败，根据快照回滚数据
if err != nil {
evm.StateDB.RevertToSnapshot(snapshot)
...
}
return ret, contract.Gas, err
}
-
blockchain.go的WriteBlockWithState()将掉用accessors_chain.go的 3a.WriteBlock()3b.WriteReceipts()写入区块和收据。
4 API 获取收据
4.1 概述
在上面的流程中，交易执行完毕后，不会显式地向请求端回复任何交易执行的具体情况。在 Ethereum 区块链网络中，需要请求端显式地请求交易收据，以此来确认交易执行的情况。从上一节的第3步骤可知，交易执行收据已经写入了db中，请求端要做的是发生获取交易收据请求。
4.2 流程图细节
-
ethapi/api.go识别到这是一次交易发送请求，调用GetTransactionReceipt()函数，进一步向底层发送消息。如果收据中的合约地址不是全0，则认为是一次合约部署过程，填写交易中的合约地址到收据中供请求端使用。
4a. 调用ReadTransaction()函数，获取交易的基础信息
4b. 调用GetReceipts()函数，获取交易收据，其内部会调用ReadHeadNumber()和ReadReceipts()函数辅助操作。
/*
file: ethapi/api.go
*/
func (s *PublicTransactionPoolAPI) GetTransactionReceipt(...) (...) {
tx, blockHash, blockNumber, index := rawdb.ReadTransaction(...)
...
receipts, err := s.b.GetReceipts(ctx, blockHash)
if err != nil {
return nil, err
}
...
if receipt.ContractAddress != (common.Address{}) {
fields["contractAddress"] = receipt.ContractAddress
}
return fields, nil
}
——————————THE END——————————
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