北大-区块链技术与应用20-智能合约

一、智能合约概念

Smart contract（智能合约）是运行在区块链上的一段代码，代码的逻辑定义了合约的内容

智能合约的账户保存了合约当前的运行状态

• balance 当前余额
• nonce 交易次数
• code 合约代码
• storage 存储，数据结构是一颗 MPT

Sodility 是智能合约最常用的语言，语法上与 JavaScript 很接近

二、Sodility 数据结构

其中，bid() 后面的 payable 说明该合约账户能接受外部转账。该函数是用来进行竞拍出价的，在出价时需要把以太币发送并存储到合约里，锁定到拍卖结束，因此该函数需要有能接受外部转账的能力

withdraw() 函数是在拍卖结束后，未中标的账户可调用该函数，把出价时锁定在智能合约中的以太币取回来

三、智能合约调用

1、一个账户调用一个智能合约

外部账户调用智能合约，和转账类似：假设 A 发起一个交易转账给 B，如果 B 是普通用户，则为普通交易；如果 B 是合约账户，那么该调用实际是对 B 合约的调用，具体调用函数是在 data 域中进行说明

2、一个合约调用另一个合约

以太坊中规定，一个交易只有外部账户才能发起，一个合约账户不能主动发起交易。所以在实际中，有两种调用方式

（1）直接调用

通过一个普通账户调用合约 B 中的函数，然后这个函数再调用合约 A 中的函数

（2）使用 address 类型的 call() 函数

这种调用和上述不同的是：对于错误处理的不同。在直接调用中，如果被调用的合约执行发生错误，会导致发起调用的合约也跟着一起回滚；而 addr.call() 的方法，如果被调用的合约发生异常，addr.call() 会返回 flase，但发起调用的合约不会抛出异常，而是会继续执行

（3）代理使用 delegatecall()

和 call() 很像，区别是 delegatecall() 不需要切换到被调用的合约的环境中去执行，而是在当前合约的环境中执行

3、fallback() 函数

A 调用 B 的合约，要在转账交易里的 data 域说明调用的是 B 中的哪个函数。如果 A 给合约 B 转了一笔钱，没有说明掉的是哪个函数（或者调的函数在 data 域中不存在），此时缺省就调用 fallback() 函数

在交易中，转账金额可以为 0，但是汽油费不能为 0，因为没有汽油费，发布该区块的矿工就不会将该笔交易打包进去

四、智能合约的创建和运行

智能合约是由某个外部账户发起一个转账交易，转给 0X0 地址，转账金额为 0，然后把要发布的合约的代码放到 data 域里

JVM 的目的是增强可移植性，EVM 也是类似的思想，通过加一层虚拟机，对智能合约的运行提供一个一致性的平台，所以 EVM 有时叫做 world wide computer，EVM 的寻址空间非常大，为 256 位

五、汽油费

比特币的设计理念很简单，功能有限（比如不支持循环）；而以太坊需要提供一个 Turing-complete Programming Model（图灵完备的编程模型），包含条件控制、循环和递归、数据存储、基本的算术运算功能，但也可能带来问题，比如出现死循环

一个全节点收到一个对智能合约的调用，不知道该调用执行起来是否会导致死循环，这叫做 Halting Problem（停机问题），这个问题是不可解的，不是 NPC 问题（Non-deterministic Polynomial 的问题，即多项式复杂程度的非确定性问题，NPC 是可解的，只是没有多项式时间的解法）

以太坊引入了汽油费机制，发起一个对智能合约的调用，就要支付相应的汽油费

当一个全节点收到一个对智能合约的调用时，先按照调用中给出的 gasLimit，算出可能花掉的最大汽油费，然后一次性把汽油费从发起调用的账户上扣除，然后再根据实际执行的情况，算出实际花了多少汽油费（多退）

不同的指令消耗的汽油费不同，简单的指令（比如加减法），消耗的汽油费是很少的，复杂的指令消耗的汽油费就比较多（比如取哈希）；除了计算量，需要存储状态的指令消耗的汽油费也比较大；只需读取公共指令的命令是免费的

六、错误处理

以太坊中的交易执行起来具有原子性，一个交易要么全部执行、要么完全不执行，不会只执行一部分，既包含普通的转账交易，也包含对智能合约的调用。所以如果在执行智能合约的过程中，出现任何错误，会导致整个交易的执行回滚，退回到开始执行前的状态

1、出现错误的情况

（1）交易执行结束后，没有达到当初的 gas limit，多余的汽油费会被退回到这个账户里；相反的，如果执行一半，gas limit 已经都用完了，这时合约的执行会退回到开始执行之前的状态，且已经消耗掉的汽油费是不退的

（2）抛出错误的语句 assert（通常判断内部条件），require（通常判断外部条件，比如函数输入是否符合要求），revert（无条件抛出异常，原来是 throw）。sodility 当中没有 try catch 这种结构

2、嵌套调用

如果嵌套调用，一个智能合约调用另外一个智能合约，被调用的智能合约出现错误，不一定会导致发起调用的智能合约也跟着一起回滚，即连锁式回滚

这取决于调用智能合约的方式，如果这个智能合约是直接调用，就会触发连锁式回滚；如果用 call() 的方式，就不会连锁回滚，而是返回一个 false

如果只是向一个账户里转账，但该账户为合约账户，该操作就有可能触发对函数的调用，因为如果没有指明哪个函数，仍会调用 fallback() 函数

七、Block header

gasUsed 是该区块里所有交易所消耗的汽油费的总和

发布区块需要消耗一定的资源，需要对消耗的资源有一个限制（类似比特币区块大小不能超过一兆），gasLimit 是该区块里所有交易实际能够消耗汽油的上限

比特币区块一兆大小的限制是固定的，但是以太坊的 gasLimit 也有一个上限，但是每个矿工发布区块时，可以对 gasLimit 进行微调，即在上一个区块 gasLimit 的基础上 上调或下调 1/1024

八、思考

1、先挖矿还是先执行

前置知识：任何对状态的修改，都是在改本地的数据结构，只有当合约执行完了，发布到区块链之后，这些本地的修改才会变成外部可见的、变成区块链上的共识

假设某个全节点要打包一些交易到一个区块里，这些交易里有一些是对智能合约的调用，那么全节点是先把这些智能合约都执行完再去挖矿，还是应该先挖矿、获得记账权之后，再执行合约？

答案是先执行智能合约，因为不先执行，更新三颗树（状态、交易、收据），就无法得到三颗树的根哈希，也就无法通过 block header 去挖矿

2、是否会存在故意不验证的全节点

汽油费的设置是对于矿工执行智能合约所消耗资源的一种补偿，但是这种补偿只有最终挖到矿的矿工才能得到

如果某个区块不验证新发布的交易，不去执行新发布的区块，也就没办法更新本地的三棵树，以后就没办法再发布区块

3、合约执行错误能否上链

如果智能合约执行的过程中出现了错误，也要发布到区块链上，否则汽油费扣不掉。也就是说发布到区块链上的交易不一定都是成功执行的

4、智能合约是否支持多线程

多核处理器很普遍，但是智能合约不支持多核并行处理，sodility 没有支持多线程的语句，原因是：以太坊是一个交易驱动的状态机，状态机必须是完全确认性的，给定同一组输入，产生的输出/转移到的下一个状态必须是完全确定的。因为所有的全节点都得执行同一组操作，达到同一个状态，如果不确定的话，三个树的根哈希值根本对不上。多线程的问题是多个核对内存访问顺序不同的话，执行结果有可能不确定

除了多线程之外，其他可能造成执行结果不确定的操作也都不支持，比如：产生随机数，所以以太坊中的智能合约没办法产生真正意义下的随机数，只能用伪随机数

九、收据树

下面是 Receipt 的数据结构：

每个交易执行完之后会形成一个收据，status 表示交易的执行情况

十、智能合约可以获得的信息

1、智能合约可以获得的区块信息

2、智能合约可以获得的调用信息

msg.data 说明了调用哪个函数，和该函数的参数取值

msg.gas 是剩余的汽油费，决定了还能做那些操作，想要再调用其他合约，前提是有足够的汽油费剩余

msg.sig 是 msg.data 的前四个字节，即函数标识符，表示调用的是哪个函数

now 是当前区块的时间戳，等同于图区块信息中的 block.timestamp

消息发送者 msg.sender 和 交易发起者 tx.origin 是不一样的

比如上述交易，对于 f2，msg.sender 是 C1，但是 tx.origin 是 A

3、地址类型

addr.balance 是成员变量，剩余的都是成员函数

addr.transfer(amount) 是当前合约往地址 addr 转入 amount 以太币，转入的地址是 addr，转出的地址是该合约地址

addr.call() 合约账户发起对 addr 这个合约的调用

4、三种发送 ETH 的方式

addr.transfer(amount)
addr.send(amount) return (bool)
addr.call.value(amount)()

（1）transfer 会导致连锁性的回滚；失败时抛出异常；为要调用的合约提供 2300 汽油费（少量）

（2）send 在失败时会返回一个 false；不会导致连锁式回滚；为要调用的合约提供 2300 汽油费（少量）

（3）call 在失败时会返回一个 false；不会导致连锁式回滚；会将当前调用剩下的所有汽油都发送给要调用的合约，合约后续会执行什么操作当前账户无法控制

十一、智能合约拍卖实例

这部分结合智能合约拍卖实例，讲述可能存在的安全漏洞，代码截图较多，视频链接如下（1小时31分25秒）：

https://www.bilibili.com/video/BV1Vt411X7JF/?spm_id_from=333.788.player.switch&vd_source=69ac93649ea21c4726fe85f272b6d968&p=22