以太坊的智能合约和虚拟机

以太坊引入了智能合约的概念，与比特币系统相比是一个飞跃。 智能合约可以理解为一段可执行的程序代码。 通过编写和执行智能合约，以太坊具有扩展其功能的能力。 以太坊专门为智能合约设计了编程语言，比如Solidity语言。 这种语言是一种“图灵完备”的编程语言。 所谓“图灵完备”，就是这种语言可以模拟图灵机的所有功能。 图灵机是数学家图灵提出的可以解决一切可计算问题的虚拟机。 因此，图灵完备的语言可以解决所有可以通过编程建立数学模型来计算的问题。 其实比特币系统中也有合约的概念，也可以执行一些程序指令。 但是，比特币系统中的程序指令集并不是图灵完备的，只能用于比特币交易处理，不能解决一般性问题。 为了执行以太坊智能合约，还必须有一个执行指令的虚拟机。

以太坊虚拟机（Ethereum Virtual Machine，EVM）本质上是一个计算机程序，可以执行以太坊智能合约中的指令并输出结果。 EVM可以理解为运行在计算机操作系统上的一个完全独立的沙箱。 智能合约代码在这个沙箱中与外界完全隔离，在EVM内部运行。 为了减少资源消耗以太坊用什么软件，保证系统性能，EVM没有采用模拟完整计算机的模式，而是采用了更轻量级的虚拟机架构。 EVM的开发团队表示，其设计目标是构建一个简单、确定性、易于优化、节省空间、保证安全等特性并专用于区块链系统。

EVM 虚拟化了一台计算机以太坊用什么软件，所以它也有一些基本的类似计算机的架构。 EVM有一个基于栈的架构，也就是栈机，可以理解为一台计算机，采用后进先出的方式来保存临时值。 EVM 中每个堆栈条目的大小为 256 位，堆栈的最大大小为 1024 位。 EVM 有内存，项目存储为可寻址字节数组。 内存是volatile的，即数据不是持久化的。 EVM 还有一个内存，与 RAM 不同，它是非易失性的，并作为系统状态的一部分进行维护。 EVM 也有一种语言，称为 EVM 字节码。 对于用 Solidity 语言编写的智能合约，首先要在本地机器上编译成 EVM 字节码，然后发送给 EVM 执行，如图 14.1 所示。

EVM安装在所有矿工节点和全节点电脑上，集成在节点安装的以太坊客户端软件中。 矿工在挖矿时，如果处理的交易是从外部账户发送到合约账户的交易，则矿工会在自己机器的EVM上执行部署在合约账户中的智能合约，并将执行结果用于更新以太坊状态。 其他全节点在收到矿工的执行结果后，对结果进行验证，只有经过多数人验证和确认的结果才会最终放入以太坊区块链。

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