什么是EVM（以太坊虚拟机?
EVM是一种介于代码与主机之间的虚拟机，是以太坊得以运行的基本保障。今天，就让我们深入了解下究竟什么是EVM，EVM的运行原理和典型应用有哪些，借此领略以太坊的魅力。前言
EVM是一种介于代码与主机之间的虚拟机，是以太坊得以运行的基本保障。今天，就让我们深入了解下究竟什么是EVM，EVM的运行原理和典型应用有哪些，借此领略以太坊的魅力。
以太坊作为目前最受欢迎的区块链，为用户提供了多种多样的去中心化应用。提到Defi、NFT等就不得不提到以太坊。而与以太坊息息相关的EVM，也时常出现在众人的视野中。那么EVM之于以太坊，到底是什么样的存在呢？
EVM的基本定义
EVM（Ethereum virtual machine ），直观地讲就是以太坊虚拟机。根据以太坊的官方定义，EVM是以太坊账户与智能合约在以太坊链上的运行环境。
进一步来说，EVM是一个由所有运行着以太坊客户端的计算机共同维护的一个实体，并且规定了从一个区块计算得到下一个有效区块的规则。
EVM的运行机制
EVM的运行原理
区别于比特币，以太坊不是一种分布式账本，而是一种分布式状态容器。从一个区块过渡到下一个区块，意味着状态的更新，包括账户的状态、链上数据的更新。而状态如何更新，则是由EVM根据合约的代码计算得到的。
图：https://takenobu-hs.github.io/downloads/ethereum_evm_illustrated.pdf
EVM是基于栈的虚拟机，其所有的操作都是与操作数栈直接交互。当把智能合约编译为字节码后，EVM就会根据字节码来执行操作，包括从内存中取出变量到操作数栈、在操作数栈中对变量进行运算以及将变量再存储到内存中等一系列流程。
EVM的数据存储主要有两种：Memory和Storage。Storage中的变量在合约执行完毕后会存储到以太坊链上，而Memory中的变量只在EVM执行代码的过程中存在，并不会永久存储到链上。
以调用一个合约为例。我们通过Solidity语言编写了一份合约，通过编译器编译元数据，并发布到以太坊上。当需要更新合约状态时，要通过调用合约来完成我们想要的操作。但是，不论是OS系统还是Windows系统都无法直接运行智能合约，因此，需要借助EVM来为智能合约提供一个运行环境。具体步骤如下：首先，EVM通过合约地址找到存储在以太坊上的合约代码；之后，生成对应的执行环境；最后，将合约内容转换为字节码，放到EVM中运行，运行得到的结果便会作为最新的状态存储到下一个区块当中，从而完成状态的更新。
图：https://cnodejs.org/topic/5aeecba802591040485bab2a
EVM的多种实现
目前，所有的以太坊客户端中都集成了EVM。另外，官方也推出了基于多种语言、能够实现EVM功能的源码，包括Python、C++、js、Go等，以便于用户理解EVM的原理并进行研究。
Py-EVM - Python：https://github.com/ethereum/py-evm
evmone - C++：https://github.com/ethereum/evmone
ethereumjs-vm - JavaScript：https://github.com/ethereumjs/ethereumjs-monorepo
eEVM - C++：https://github.com/microsoft/eevm
Hyperledger Burrow - Go：https://github.com/hyperledger/burrow
EVM的核心要素
智能合约
智能合约是专门在EVM上运行的代码。智能合约是存储在以太坊上的、一旦部署则无法更改的代码片段。以太坊通过智能合约来定义、修改、存储状态，以实现去中心化的各种应用，而EVM充当的则是智能合约运行的载体，就像是高速公路与汽车的关系。
gas机制
EVM执行智能合约代码，需要耗费大量的计算机算力。因此，在EVM执行智能合约代码时，需要消耗一定的gas费，就像汽车在高速公路上驾驶需要缴纳通行费一样。
gas机制的存在，一方面可以用来激励来自世界各地的矿工加入并提供算力，以此实现以太坊的去中心化分布，另一方面也可以防止用户随意提交操作请求而造成以太坊主网拥堵，甚至防止恶意攻击而导致以太坊出现宕机的情形。
Solidity语言与Opcodes
以太坊上的智能合约通过Solidity语言进行编写，编译成Bytecode（字节码）后再由EVM执行。Bytecode中还包含Opcodes（操作代码），EVM中目前包含144个操作代码，可以执行不同的进程，因此EVM是图灵完备的，我们可以通过EVM完成几乎任何运算。正是通过Solidity语言和Opcodes，我们可以编写复杂的智能合约，并由EVM来实现合约中丰富的功能，为用户提供多种多样的去中心化应用。
EVM的典型特征
确定性
对于同一段代码，经由不同EVM执行之后输出的结果必然是相同的，这和代码的执行环境、执行次数无关。EVM的确定性保证了代码的可靠性，避免执行代码的过程中出现不可预知的后果，尤其是当用户在以太坊上进行大额交易时，用户需要EVM的这一特征来保障其利益。
隔离性
EVM像一个具有隔离性的沙盒，代码在其中运行，运行的过程不会对计算机的软/硬件产生潜在的危害，也不会对以太坊的底层协议产生影响。EVM的隔离性杜绝了黑客对运行EVM的机器进行攻击的可能性，也保护了以太坊的底层协议不被篡改，是以太坊安全运行的基本保障。
可终止性
EVM执行代码的过程是可以被中断的。如果用户运行了错误的代码，如一段陷入无限循环的代码，那么为了避免这样的代码无限制地占用算力资源，EVM通过gas机制赋予了代码执行过程的可终止性。用户在将代码传入EVM中执行时，需要预先设定gas的上限，当gas耗尽，代码便终止运行，并且回滚状态，不会在链上进行任何状态的更新。
EVM兼容性情况
随着以太坊主网的用户越来越多，其网络拥堵、gas费用高昂的缺点也逐渐暴露出来。受限于以太坊的早期设计，这些缺点并不能得到根本性的解决。
近年来涌现出一批gas费用低、网络快的公链以及为以太坊扩容的Layer2链。这些链宣称具有更优秀的底层设计，并且都属于智能合约链，可以打造各种各样的Dapp。
一方面，这些链承接了以太坊生态过剩的需求，另一方面，对以太坊的传统地位提出了挑战。作为一个以太坊的竞争对手链，到底要不要兼容以太坊的EVM？围绕这个分歧，这些链分为了两派：一派兼容EVM，一派不兼容EVM。
公链对EVM兼容
最近Layer1层面的公链层出不穷。脱离以太坊重新构建一个链上生态，虽然可以针对以太坊现存的缺点进行改进，但是从无到有建立一个完整的生态以及开发Dapp需要大量的人力资源投入。开发人员储备不足成为制约新公链生态发展壮大的主要因素，一个生态不健全的公链短期内难以吸引到大批量原以太坊的用户。
一些公链采取了EVM兼容的策略，原先在以太坊上运行的Dapp只需要对源代码进行细微的修改，就可以完整地移植到EVM兼容的公链上。这样一来，不仅大大节省了开发资源，还能为用户提供更好的使用体验，缓解从以太坊迁移到新的公链导致的不适感。
但是，兼容EVM也带来一些缺点。在EVM的规则框架下，如何实现有效的创新而不至于同质化，是众多EVM兼容链面对的难题。非EVM兼容链，可以打破这些规则，从无到有开发一套新的规则，从根本上实现创新。
目前，对EVM进行兼容的主流公链达到了70%以上，如BSC、Avalanche、Fantom、Tron、Celo等。这些公链上的开发者不需要花费太大的学习成本就可以顺利地开发Dapp，或是将一些原本要部署到以太坊的应用部署在这些公链上以谋求更高的性能与更低的gas费用，进而改善用户的使用体验。
也有一些公链不支持EVM，而是开发了自己的虚拟机，如Sol、Terra等。虽然不兼容EVM，但是这些公链凭借其创新的设计理念与优秀的链上表现同样吸引了一批忠实的用户以及机构的青睐。比如最近风靡全球的Step N以及Let me speak这两款链游都是基于Sol链打造的，丝毫不妨碍吸引世界各地的狂热粉丝参与其中。
不过，EVM兼容和非EVM兼容并不是水火不容的。目前有一些非EVM兼容链也逐渐开始支持EVM，虽然这一改动可能会给代码带来非常大的复杂性。比如Sol推出了Neon，可以让开发者通过EVM构造Dapp.
图：公链EVM兼容情况
Layer2对EVM兼容
Layer2作为以太坊扩容的解决方案，与以太坊完全互补，基本不存在竞争关系。所以Layer2的链都是EVM兼容的。不过，作为以太坊的“嫡系”，其EVM兼容性肯定要比其他Layer1的公链要更进一步。因此，Layer2对EVM的兼容度分为两个等级：“EVM兼容”和“EVM等效”。
早期Layer2的解决方案采用的都是EVM兼容的方式，和Layer1公链的EVM兼容性类似，对以太坊Layer1上的智能合约进行一些调整，即可将其部署在Layer2的链上运行。比如Optimism推出的Unipig，就是对Uniswap的代码进行了完全的重构，号称Layer2上的Uniswap。
EVM兼容性也存在一些局限性。开发者在一个EVM兼容的链上开发智能合约时，出现一些基于EVM的开发工具和框架不能使用的情况。另外，对于原先布置在Layer1的智能合约，开发者还需要进行或多或少的调整，才能使智能合约能够顺利地运行在EVM兼容的区块链上。
EVM等效性致力于让开发者在开发Layer2上的智能合约时获得与在以太坊Layer1上开发智能合约时完全相同的体验。这为Layer2的开发者带来了便利，并在EVM兼容的基础上进一步大大提升了开发效率、节省了开发成本。同时，EVM等效也显著降低了代码维护的成本。
目前，Artbitrum 、 Optimism、Metis等主流Layer2解决方案均已经实现了EVM等效性。EVM 等效性可以更好地将以太坊的特性扩展到 Layer2 层面，在实现以太坊扩容的同时，最大程度降低扩容带来的开发成本与迁移成本。可以预见的是，未来EVM等效性将会是Layer2的主流标准，众多Layer2解决方案将围绕EVM等效性展开激烈的角逐。
结论
EVM是以太坊运行的核心。随着以太坊统治地位的建立，各大公链以及Layer2链均延续或兼容了EVM的底层设计理念，使得EVM对整个区块链产生了深远的影响。虽然EVM本身的确存在许多问题，使得新链在对EVM进行兼容时有一些困难。但正是随着开发者们一次次的改进与尝试，才推动了以太坊以及其他公链呈现出当前百花齐放的盛况。
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什么是比特币?
什么是EVM（以太坊虚拟机?
前言
EVM是一种介于代码与主机之间的虚拟机，是以太坊得以运行的基本保障。今天，就让我们深入了解下究竟什么是EVM，EVM的运行原理和典型应用有哪些，借此领略以太坊的魅力。
以太坊作为目前最受欢迎的区块链，为用户提供了多种多样的去中心化应用。提到Defi、NFT等就不得不提到以太坊。而与以太坊息息相关的EVM，也时常出现在众人的视野中。那么EVM之于以太坊，到底是什么样的存在呢？
EVM的基本定义
EVM（Ethereum virtual machine ），直观地讲就是以太坊虚拟机。根据以太坊的官方定义，EVM是以太坊账户与智能合约在以太坊链上的运行环境。
进一步来说，EVM是一个由所有运行着以太坊客户端的计算机共同维护的一个实体，并且规定了从一个区块计算得到下一个有效区块的规则。
EVM的运行机制
EVM的运行原理
区别于比特币，以太坊不是一种分布式账本，而是一种分布式状态容器。从一个区块过渡到下一个区块，意味着状态的更新，包括账户的状态、链上数据的更新。而状态如何更新，则是由EVM根据合约的代码计算得到的。
图：https://takenobu-hs.github.io/downloads/ethereum_evm_illustrated.pdf
EVM是基于栈的虚拟机，其所有的操作都是与操作数栈直接交互。当把智能合约编译为字节码后，EVM就会根据字节码来执行操作，包括从内存中取出变量到操作数栈、在操作数栈中对变量进行运算以及将变量再存储到内存中等一系列流程。
EVM的数据存储主要有两种：Memory和Storage。Storage中的变量在合约执行完毕后会存储到以太坊链上，而Memory中的变量只在EVM执行代码的过程中存在，并不会永久存储到链上。
以调用一个合约为例。我们通过Solidity语言编写了一份合约，通过编译器编译元数据，并发布到以太坊上。当需要更新合约状态时，要通过调用合约来完成我们想要的操作。但是，不论是OS系统还是Windows系统都无法直接运行智能合约，因此，需要借助EVM来为智能合约提供一个运行环境。具体步骤如下：首先，EVM通过合约地址找到存储在以太坊上的合约代码；之后，生成对应的执行环境；最后，将合约内容转换为字节码，放到EVM中运行，运行得到的结果便会作为最新的状态存储到下一个区块当中，从而完成状态的更新。
图：https://cnodejs.org/topic/5aeecba802591040485bab2a
EVM的多种实现
目前，所有的以太坊客户端中都集成了EVM。另外，官方也推出了基于多种语言、能够实现EVM功能的源码，包括Python、C++、js、Go等，以便于用户理解EVM的原理并进行研究。
Py-EVM - Python：https://github.com/ethereum/py-evm
evmone - C++：https://github.com/ethereum/evmone
ethereumjs-vm - JavaScript：https://github.com/ethereumjs/ethereumjs-monorepo
eEVM - C++：https://github.com/microsoft/eevm
Hyperledger Burrow - Go：https://github.com/hyperledger/burrow
EVM的核心要素
智能合约
智能合约是专门在EVM上运行的代码。智能合约是存储在以太坊上的、一旦部署则无法更改的代码片段。以太坊通过智能合约来定义、修改、存储状态，以实现去中心化的各种应用，而EVM充当的则是智能合约运行的载体，就像是高速公路与汽车的关系。
gas机制
EVM执行智能合约代码，需要耗费大量的计算机算力。因此，在EVM执行智能合约代码时，需要消耗一定的gas费，就像汽车在高速公路上驾驶需要缴纳通行费一样。
gas机制的存在，一方面可以用来激励来自世界各地的矿工加入并提供算力，以此实现以太坊的去中心化分布，另一方面也可以防止用户随意提交操作请求而造成以太坊主网拥堵，甚至防止恶意攻击而导致以太坊出现宕机的情形。
Solidity语言与Opcodes
以太坊上的智能合约通过Solidity语言进行编写，编译成Bytecode（字节码）后再由EVM执行。Bytecode中还包含Opcodes（操作代码），EVM中目前包含144个操作代码，可以执行不同的进程，因此EVM是图灵完备的，我们可以通过EVM完成几乎任何运算。正是通过Solidity语言和Opcodes，我们可以编写复杂的智能合约，并由EVM来实现合约中丰富的功能，为用户提供多种多样的去中心化应用。
EVM的典型特征
确定性
对于同一段代码，经由不同EVM执行之后输出的结果必然是相同的，这和代码的执行环境、执行次数无关。EVM的确定性保证了代码的可靠性，避免执行代码的过程中出现不可预知的后果，尤其是当用户在以太坊上进行大额交易时，用户需要EVM的这一特征来保障其利益。
隔离性
EVM像一个具有隔离性的沙盒，代码在其中运行，运行的过程不会对计算机的软/硬件产生潜在的危害，也不会对以太坊的底层协议产生影响。EVM的隔离性杜绝了黑客对运行EVM的机器进行攻击的可能性，也保护了以太坊的底层协议不被篡改，是以太坊安全运行的基本保障。
可终止性
EVM执行代码的过程是可以被中断的。如果用户运行了错误的代码，如一段陷入无限循环的代码，那么为了避免这样的代码无限制地占用算力资源，EVM通过gas机制赋予了代码执行过程的可终止性。用户在将代码传入EVM中执行时，需要预先设定gas的上限，当gas耗尽，代码便终止运行，并且回滚状态，不会在链上进行任何状态的更新。
EVM兼容性情况
随着以太坊主网的用户越来越多，其网络拥堵、gas费用高昂的缺点也逐渐暴露出来。受限于以太坊的早期设计，这些缺点并不能得到根本性的解决。
近年来涌现出一批gas费用低、网络快的公链以及为以太坊扩容的Layer2链。这些链宣称具有更优秀的底层设计，并且都属于智能合约链，可以打造各种各样的Dapp。
一方面，这些链承接了以太坊生态过剩的需求，另一方面，对以太坊的传统地位提出了挑战。作为一个以太坊的竞争对手链，到底要不要兼容以太坊的EVM？围绕这个分歧，这些链分为了两派：一派兼容EVM，一派不兼容EVM。
公链对EVM兼容
最近Layer1层面的公链层出不穷。脱离以太坊重新构建一个链上生态，虽然可以针对以太坊现存的缺点进行改进，但是从无到有建立一个完整的生态以及开发Dapp需要大量的人力资源投入。开发人员储备不足成为制约新公链生态发展壮大的主要因素，一个生态不健全的公链短期内难以吸引到大批量原以太坊的用户。
一些公链采取了EVM兼容的策略，原先在以太坊上运行的Dapp只需要对源代码进行细微的修改，就可以完整地移植到EVM兼容的公链上。这样一来，不仅大大节省了开发资源，还能为用户提供更好的使用体验，缓解从以太坊迁移到新的公链导致的不适感。
但是，兼容EVM也带来一些缺点。在EVM的规则框架下，如何实现有效的创新而不至于同质化，是众多EVM兼容链面对的难题。非EVM兼容链，可以打破这些规则，从无到有开发一套新的规则，从根本上实现创新。
目前，对EVM进行兼容的主流公链达到了70%以上，如BSC、Avalanche、Fantom、Tron、Celo等。这些公链上的开发者不需要花费太大的学习成本就可以顺利地开发Dapp，或是将一些原本要部署到以太坊的应用部署在这些公链上以谋求更高的性能与更低的gas费用，进而改善用户的使用体验。
也有一些公链不支持EVM，而是开发了自己的虚拟机，如Sol、Terra等。虽然不兼容EVM，但是这些公链凭借其创新的设计理念与优秀的链上表现同样吸引了一批忠实的用户以及机构的青睐。比如最近风靡全球的Step N以及Let me speak这两款链游都是基于Sol链打造的，丝毫不妨碍吸引世界各地的狂热粉丝参与其中。
不过，EVM兼容和非EVM兼容并不是水火不容的。目前有一些非EVM兼容链也逐渐开始支持EVM，虽然这一改动可能会给代码带来非常大的复杂性。比如Sol推出了Neon，可以让开发者通过EVM构造Dapp.
图：公链EVM兼容情况
Layer2对EVM兼容
Layer2作为以太坊扩容的解决方案，与以太坊完全互补，基本不存在竞争关系。所以Layer2的链都是EVM兼容的。不过，作为以太坊的“嫡系”，其EVM兼容性肯定要比其他Layer1的公链要更进一步。因此，Layer2对EVM的兼容度分为两个等级：“EVM兼容”和“EVM等效”。
早期Layer2的解决方案采用的都是EVM兼容的方式，和Layer1公链的EVM兼容性类似，对以太坊Layer1上的智能合约进行一些调整，即可将其部署在Layer2的链上运行。比如Optimism推出的Unipig，就是对Uniswap的代码进行了完全的重构，号称Layer2上的Uniswap。
EVM兼容性也存在一些局限性。开发者在一个EVM兼容的链上开发智能合约时，出现一些基于EVM的开发工具和框架不能使用的情况。另外，对于原先布置在Layer1的智能合约，开发者还需要进行或多或少的调整，才能使智能合约能够顺利地运行在EVM兼容的区块链上。
EVM等效性致力于让开发者在开发Layer2上的智能合约时获得与在以太坊Layer1上开发智能合约时完全相同的体验。这为Layer2的开发者带来了便利，并在EVM兼容的基础上进一步大大提升了开发效率、节省了开发成本。同时，EVM等效也显著降低了代码维护的成本。
目前，Artbitrum 、 Optimism、Metis等主流Layer2解决方案均已经实现了EVM等效性。EVM 等效性可以更好地将以太坊的特性扩展到 Layer2 层面，在实现以太坊扩容的同时，最大程度降低扩容带来的开发成本与迁移成本。可以预见的是，未来EVM等效性将会是Layer2的主流标准，众多Layer2解决方案将围绕EVM等效性展开激烈的角逐。
结论
EVM是以太坊运行的核心。随着以太坊统治地位的建立，各大公链以及Layer2链均延续或兼容了EVM的底层设计理念，使得EVM对整个区块链产生了深远的影响。虽然EVM本身的确存在许多问题，使得新链在对EVM进行兼容时有一些困难。但正是随着开发者们一次次的改进与尝试，才推动了以太坊以及其他公链呈现出当前百花齐放的盛况。
Bài viết liên quan