区块链智能合约是如何处理与执行交易数据的

1.智能合约的源起

区块链技术自比特币诞生之日起便受到了广泛的关注。最初，区块链仅仅作为记录用户交易的底层账本，不支持用户订制其它功能。

比特币为了实现交易，即用户间转账的功能，设计了一套基于栈的简单脚本语言。这套语言不支持循环，不具备图灵完备性，仅限于比特币客户端内部使用，且只围绕交易这一项功能，一般被称之为“Bitcoin Script”。

如果大家去查看比特币区块链中的每一笔交易记录，那么会发现交易内容其实是一串字节码，这串字节码就是Bitcoin Script。比特币对Bitcoin Script书写的交易代码的格式进行了限制，这种做法保证了交易的合法性与资金的安全性，但牺牲了整个系统的可编程性与灵活性。

一般情况下，一套语言能实现成千上万种功能，如果设计一套语言只是实现了一个功能，未免有些可惜。或许Vitalik Buterin正是发现了区块链中脚本语言的可能性，于是他在以太坊中把语言请到了舞台中央，供用户创建与调用，这也成为了以太坊最具魅力的特性——智能合约。

与比特币的Bitcoin Script对应，以坊中脚本语言名字叫EVM语言（Ethereum Virtual Machine Code）。EVM语言也是基于栈的语言，但它是图灵完备的语言，且以太坊设计了专门的虚拟机EVM来为其提供运行环境，这和Bitcoin Script有明显的区别。

2.智能合约的使用以交易为接口

为了明确系统的功能，以太坊扩充了交易的概念。在比特币中，交易一般指用户之间的转账操作，在以太坊中，交易除了转账，还包括创建或者调用智能合约。因此可以说EVM语言也是为了交易而存在，但它服务的交易的内容广泛得多。

我们先补充一些必要的概念。以太坊中账户分为外部账户与合约账户，外部账户就是用户使用的账户，其中包括了用户的私钥和钱包等重要信息；合约账户用来存放一个智能合约，通常是由外部账户创建的。

用户发送到以太坊区块链上的每一笔交易中都包含几个关键字段：“from”表示交易发起者，“to”表示交易接收者，“value”表示交易金额，“data”表示附带的信息。

上文提及的三种操作的交易格式如下：

1） 普通转账操作：“from A， to B， value C”表示从外部账户A向外部账户B转账，转账金额为C；

2） 智能合约创建操作：“from A， to （空）， value C， data D”表示外部账户A创建一个智能合约，向该合约账户里转账C， 合约的代码为D；

3） 智能合约调用操作：“from A， to E， data F”表示外部账户A调用合约账户E的智能合约，本次调用传入的参数为F。

3一笔交易的处理流程

下面我们来分析一笔交易在以太坊区块链中是如何被处理与执行的。

这部分在以太坊的源码中十分清晰，因此我们跟随源码里的函数调用流程来进行说明。以太坊Go版本源码地址：https://github.com/ethereum/go-ethereum。

首先先定位，我们可以从core/blockchain.go中找到执行的core/state_processor.go中Process（）方法，在Process（）方法中可以找到如下一行代码：

receipt， _，err：= ApplyTransaction（p.config， p.bc， nil， gp， statedb， header， tx， usedGas， cfg）

根据这个函数名字我们知道已经找到了执行交易的入口。

3.1 创建EVM虚拟机

浏览在core/state_processor.go中的ApplyTransacTIon（）方法，可发现如下三行关键代码：

context ：= NewEVMContext（msg， header， bc， author）

vmenv ：= vm.NewEVM（context， statedb， config， cfg）

_， gas， failed， err ：= ApplyMessage（vmenv， msg， gp）

第一行是创建新的EVM的执行上下文环境，第二行是创建新的EVM，第三行是用新创建的EVM来处理交易消息。由此可知，每一笔交易在执行之前以太坊都会创建一个EVM虚拟机来负责该交易的执行。

继续浏览core/state_transiTIon.go中的ApplyMessage（）方法，发现该方法只有一行代码：

return NewStateTransiTIon（evm， msg， gp）.TransiTIonDb（）

继续看core/state_transition.go中的TransitionDb（）方法，发现方法中有一个重要的分支：

if contractCreation {

ret， _， st.gas， vmerr = evm.Create（sender， st.data， st.gas， st.value）

} else {

st.state.SetNonce（msg.From（）， st.state.GetNonce（sender.Address（））+1）

ret， st.gas， vmerr = evm.Call（sender， st.to（）， st.data， st.gas， st.value）

}

这段代码的意思是先判断是不是创建合约的操作，如果是，则调用Create（）方法，如果不是，则调用Call（）方法。由此可知，交易的三种操作中，创建合约使用的方法是Create（），而调用合约与转账使用的方法是Call（）。

接下来我们分别看一下这两个方法。

3.2 智能合约的创建

先看core/vm/evm.go中的Create（）方法。该方法只有两行代码：

contractAddr=crypto.CreateAddress（caller.Address（），evm.StateDB.GetNonce（caller.Address（）））

return evm.create（caller， &codeAndHash{code： code}， gas， value， contractAddr）

第一行是根据外部账户的地址和nonce值计算将要创建的合约账户的地址，这个nonce参数用来记录该外部账户已创建的合约的数目。

第二行是将创建的合约账户地址和其它参数一起传给同文件中的create（）方法。

继续看create（）方法可看到如下三行代码：

nonce ：= evm.StateDB.GetNonce（caller.Address（））

evm.StateDB.SetNonce（caller.Address（）， nonce+1）

contractHash ：= evm.StateDB.GetCodeHash（contractAddr）

第一行是获取想创建合约的外部账户的nonce值。

第二行是将该nonce的值加一后写回去，第三行是计算合约地址的哈希值确保不会发生地址冲突。

在计算出合约地址后，可看到下面一行代码：

evm.StateDB.CreateAccount（contractAddr）

这行代码是根据合约地址创建出了合约账户。合约账户创建完后，可看到下面一行代码：

evm.Transfer（evm.StateDB， caller.Address（）， contractAddr， value）

创建者从外部账户向合约账户转账，金额为value。至此，合约账户创建工作完成了。

接下来需要创建合约对象并把合约代码跑起来：

contract：=NewContract（caller， AccountRef（contractAddr）， value， gas） contract.SetCallCode（&contractAddr， crypto.Keccak256Hash（code）， code）

第一行是创建合约对象，第二行是将用户定义的智能合约代码绑定到该合约对象上。

合约对象创建完后，用下面一行代码运行该合约：

ret， err = run（evm， contract， nil）

可能有人会疑惑：创建完合约为什么要运行一遍？

这主要有两方面的原因：其一，系统需保证合约代码是能正确运行的，这样在以后的调用中才不会出错；其二，系统需要通过运行才能计算出消耗的gas数量，进而完成对外部账户的创建合约操作的扣费。其实在create（）方法中还有检查栈深度、创建快照、出错后回滚、gas计算等代码，因它们不涉及到本文的主要内容，故略过。

3.3 转账与智能合约的调用

然后我们看core/vm/evm.go中的Call（）方法，该方法负责合约调用和转账两种交易操作。

Call（）方法中不需要创建新的地址，只需要：

to = AccountRef（addr）

该行代码获取交易接收方的地址。之后可看到下面一行代码：

evm.Transfer（evm.StateDB， caller.Address（）， to.Address（）， value）

交易发起者向交易接收方转账value金额。接下来的代码和Create（）相像：

contract ：= NewContract（caller， to， value， gas）

contract.SetCallCode（&addr，evm.StateDB.GetCodeHash（addr），evm.StateDB.GetCode（addr））

第一行创建合约对象，第二行将接收者地址上的智能合约代码绑定到合约对象上。如果是转账操作，接收者地址上没有代码，因此绑定的代码是空，之后的运行会很快结束。绑定完成后，使用run（）方法运行该合约完成调用：

ret， err = run（evm， contract， input）

在Call（）方法中同样还有检查栈深度、创建快照、出错会滚、gas计算等代码，留给感兴趣的读者自行阅读。

Create（）与Call（）中最后执行都调用了core/vm/evm.go中的run（）方法，而run（）方法中可发现：

return interpreter.Run（contract， input， readOnly）

接下来定位到core/vm/interpreter.go中的Run（）方法。该方法是EVM中解释器的运行流程，核心逻辑为循环取出合约的代码，查表解析出具体的操作码，再查表计算出需要消耗的gas数目，然后调用操作码相应的处理函数执行。

核心代码如下：

for atomic.LoadInt32（&in.evm.abort） == 0 {

…

op = contract.GetOp（pc）

operation ：= in.cfg.JumpTable［op］

…

cost， err = operation.gasCost（in.gasTable， in.evm， contract， stack， mem， memorySize）

…

res， err ：= operation.execute（&pc， in， contract， mem， stack）

…

}

至此，一笔交易的运行就结束了。

4. 结语

综上所述，我们能了解到以太坊设计的三种交易背后能给予用户极大的自由度，也充分发挥了EVM语言及其虚拟机的功能。

用户通过Solidity等语言编写智能合约，然后编译成EVM语言，再打包成交易的格式发送到区块链上运行。以太坊得益于这种模式带来的可编程的特性，引领区块链技术进入了2.0时代。

然而，现在智能合约由于EVM的栈深度与gas消耗的限制，多数都是简单且袖珍的程序。即使现在这样的程序已经足够满足需求，但未来必将面临更多更加复杂化的交易场景。

如何去应对这些场景，需要广大开发者们继续努力。