11 EVM 虚拟机内幕

EVM 是一台栈机

和你熟悉的寄存器机(ARM)或 Dalvik(基于寄存器)不同,EVM 是基于栈的——它更像 JVM 字节码。没有命名寄存器,几乎所有运算都是"从栈顶弹出操作数、算完把结果压回栈顶"。它有几块工作区:

区域	特性	寿命
栈 Stack	最多 1024 项,每项 256 位,LIFO	单次调用内
内存 Memory	可寻址字节数组,按 32 字节字读写	单次调用内(第 10 章)
存储 Storage	永久 KV,每格 32 字节,极贵	永久(第 10 章)
calldata	只读输入数据	单次调用内

Android 类比

如果你 hexdump 过 dex、读过 smali,这套完全似曾相识:const/16 v0, 0x3 之于 PUSH1 0x03,add-int 之于 ADD。差别是 Dalvik 用寄存器 v0/v1,EVM 用一个隐式的栈。看 EVM 字节码,就是在读一门只有栈、没有寄存器名的汇编。

opcode:EVM 的指令集

每个 opcode 是 1 字节。字节码就是一长串 opcode(部分带内联数据,比如 PUSH1 后面跟 1 字节)。挑最常见的一批:

opcode	字节	作用	gas
`PUSH1..PUSH32`	0x60–0x7f	把 1–32 字节的立即数压栈	3
`ADD / MUL / SUB`	0x01/02/03	弹两个、算、压回	3–5
`DUP1..16 / SWAP1..16`	0x80–0x9f	复制 / 交换栈项	3
`MLOAD / MSTORE`	0x51/52	读写内存	3
`SLOAD`	0x54	读存储(冷读)	2100
`SSTORE`	0x55	写存储	~20000
`JUMP / JUMPI / JUMPDEST`	0x56/57/5b	跳转 / 条件跳转 / 合法落点	8–10
`RETURN / REVERT`	0xf3/fd	返回数据 / 回滚	0

看那个 SSTORE 的 20000——现在你彻底明白第 10 章为什么反复喊"storage 很贵"了:它比一次加法贵约 6700 倍。gas 就是逐条 opcode 累加出来的,读懂字节码等于读懂账单。

一段最小字节码

计算 3 + 4 并压栈,字节码是 6003600401,拆开就是:

EVM 字节码 · 反汇编

60 03    PUSH1 0x03    // 栈: [3]
60 04    PUSH1 0x04    // 栈: [3, 4]
01       ADD           // 弹 4、弹 3,压 7 → 栈: [7]

下面这台 mini-EVM 会把这段字节码真的跑起来。点"单步",看 PC 移动、栈变化、gas 累加。它内置了 PUSH/DUP/SWAP、算术、比较、SLOAD/SSTORE、JUMP 等一个教学子集——足够你建立肌肉记忆。

mini-EVM 单步执行器DEMO · 旗舰

字节码(hex)

字节码 · PC 高亮

栈 Stack(顶在上)

空

状态

选个预设或输入字节码,点"载入",再点"单步"。

这是一台真实实现(BigInt 精确到 256 位)的 EVM 教学子集,跑在你本地(assets/web3-lib.js)。它涵盖 PUSH/DUP/SWAP、算术比较、内存、存储、跳转,足以理解真实 EVM 的执行模型。

从 Solidity 到字节码的一生

编译链条

Solidity 源码
   │ solc 编译
   ▼
EVM 字节码(部署字节码 + 运行时字节码)
   │ 部署交易写进合约账户的 code
   ▼
每次被调用: EVM 取 code,按 calldata 前 4 字节(选择器)跳转到对应函数
   │ 逐条 opcode 执行,累加 gas
   ▼
改 storage / emit log / return

合约被调用时,开头有一段"选择器分发"逻辑:把 calldata 前 4 字节和每个函数的选择器(第 8 章)比对,匹配上就 JUMP 到那段代码。这就是为什么你在字节码开头总能看到一串 PUSH4 + EQ + JUMPI——那是路由表。

风险记账

JUMP 只能跳到标了 JUMPDEST 的位置,否则交易 revert——这是防止跳进数据当代码执行的安全设计(试试在 Demo 里让 JUMP 跳到非 JUMPDEST,它会报错)。此外要小心 gas 耗尽(out of gas):如果一个循环写得能被外部输入撑爆(比如遍历一个用户能无限加长的数组),攻击者就能让你的关键函数永远 gas 不够而无法执行——这叫"gas 耗尽型 DoS",第 16 章会再遇到。

要点入账

EVM = 256 位栈机 + 逐条 opcode 执行 + 每条 opcode 明码标价的 gas。读懂字节码,你就同时读懂了"这段代码在做什么"和"它为什么贵"。省 gas 的本质,就是少用贵指令(尤其 SSTORE/SLOAD),多在便宜的栈和内存里干活。有了这层理解,后面写 ERC-20、做安全审计、读别人的合约,你都能一眼看到骨头。下一章回到 Solidity 层面,看合约之间怎么互相调用、怎么发事件。

本章小结

EVM 是 256 位栈机(≈ JVM 字节码的栈模型),有栈/内存/存储/calldata 四块工作区。
opcode 是 1 字节指令,gas 逐条累加;SSTORE(~20000)比 ADD(3)贵数千倍。
Solidity → 字节码 → 部署进 code;调用时靠选择器分发 JUMP 到对应函数。
JUMP 必须落在 JUMPDEST;写出可被撑爆的循环会招致 gas 耗尽型 DoS。