以太坊存储和执行
在过去的几个轨道上，我们一直在编写智能合约，并简要地提到，以太坊智能合约在这个叫做以太坊虚拟机（EVM）的东西中运行。
我们还顺便简单地提到，EVM 能够运行某些 OPCODES，并处理堆栈或堆中存在的数据。如果你有正式的计算机科学背景，这对你来说可能是有意义的，但对其他人来说，这实际上意味着什么？
在这一层面，我们将深入挖掘 EVM 执行引擎，以及数据在整个事务过程中是如何存储、操作和运行的。
总结
在继续前进之前，让我们回顾一下我们在先前的轨道中所教授的一些东西。
回顾一下 Ethereum 作为一个基于交易的状态机工作。从某个状态 s1 开始，一个交易操作某些数据，将世界状态转移到某个状态 s2。
为了把事情组合在一起，交易被打包成块。一般来说，每个区块都会将世界状态从状态 s1 改变到 s2，而转换是根据区块内每个事务的状态变化来计算的。
当我们想到这些状态变化时，以太坊可以被认为是一个状态链。
但是，这个世界的状态是什么？
世界状态
以太坊的世界状态是地址和账户状态之间的映射。以太坊的每个地址都有它自己的状态，这可能是一个用户账户（EOA）或一个智能合约。
每个区块基本上都会操纵多个账户状态，从而操纵以太坊的整体世界状态。
帐户状态
好吧，那么世界状态是由各种账户状态组成的。什么是账户状态？
帐户状态包含一些常见的东西，如 nonce 和余额（以 ETH 为单位）。此外，智能合约还包含一个存储哈希和一个代码哈希。这两个哈希值作为独立状态树的引用，分别存储状态变量和智能合约的字节码。
回顾一下，在 Ethereum 有两种类型的账户。外部拥有的账户（如 Coinbase 钱包，Metamask 钱包等）和智能合约账户。
EOA 的由私钥控制，没有任何 EVM 代码。另一方面，合约账户包含 EVM 代码，由代码本身控制，没有与之相关的私钥。
交易的类型
在以太坊上主要有两种类型的交易。一种是创建新合约，另一种是发送消息。
发送消息在这里意味着进行交易，要么转移 ETH，要么调用智能合约上的功能。它们只是 EOA 可以发送的不同类型的信息。
当合约创建交易完成后，一个新的账户被添加到世界状态中。该交易带有要创建的合约的字节码和初始化代码（即构造函数调用）。
另一方面，对于所有其他交易，即消息调用，现有账户的状态在交易后被修改。
消息
以太坊的消息是在两个账户之间传递的。它们主要由两样东西组成 - 数据和价值。
数据是一组字节，表示需要进行的交易类型（转移 ETH、铸造 NFT、在 DAO 中投票等），价值是与交易一起转移的以太币价值。
由 EOA 进行的交易会向接收者账户发送一个 mesasge。合约账户也可以通过 EVM 代码向账户发送消息。
以太坊虚拟机
就像 Java 的 JVM，Javascript 和 Python 也有自己的运行时环境，以太坊智能合约的运行时环境是 EVM。
EVM 有一个基于堆栈的架构。对现代 CPU 架构进行了大规模的简化。
智能合约代码，或 EVM 代码，生活在 EVM 内的一个不可变的存储位置。
对于运行时的计算，即局部变量之类的，EVM 可以访问两个存储位置 - 堆栈和内存（即堆）。
EVM 还可以访问持久的世界状态，即账户状态的读写，例如，改变合约中的状态变量。
堆栈是一个简单的堆栈，支持 PUSH/POP 操作，每个堆栈元素是 256 比特（32 字节），最大深度为 1024 个元素。
内存（或堆）是一个线性内存结构，可以在运行时存储动态大小的数据，即字符串和动态数组。
帐户存储是世界状态的一部分，是持久性存储，即使在事务执行完毕后，所做的任何改变都会继续留在这里。
堆栈
堆栈是一种用于保存临时值的后进先出数据结构。可以把它想象成一摞盘子。你堆在上面的盘子，将是第一个被移除的。堆栈在整个计算机科学中被用来对固定大小的数据进行快速操作，EVM 也不例外。
EVM 的所有操作都在堆栈中运行。EVM 的堆栈支持对堆栈的前 16 个元素进行操作，但不支持更深的操作。其他的 1008 个堆栈元素可以用来存储操作数据，如要运行的 OPCODES 等。
有趣的是：在 Solidity 中，如果你编写的函数中声明的局部变量超过 16 个，你会得到一个编译错误。因为堆栈不能处理超过前 16 个元素的数据，拥有超过 16 个变量意味着在 EVM 中不能对其中一些变量进行操作。
内存
EVM 内存是一个线性寻址的内存，它可以在字节级寻址。你可以在内存中一次存储 8 比特（1 字节）或 256 比特（32 字节），但只能以 256 比特（32 字节）为单位从内存中读取。内存用于在实体中存储动态值，如可变长度数组、字符串等。
最初，所有内存位置的值都是零。然而，在事务执行过程中，这些值可以被更新和修改。
账户存储
持久账户存储是一个从 256 位密钥到 256 位数值的映射。持久存储中的所有位置最初也被定义为零（因此 Solidity 中整数的初始值为 0，布尔运算为假，字符串为空，等等）。
这些映射中的键通常被称为槽。智能合约中的每个状态变量都在账户存储中被分配了一个槽，按照它们被定义的顺序。
因此，对于一个看起来像这样的合约。
contract Sample {
uint256 first;
uint256 second;
address third;
}
第一个将拥有 0 号槽，第二个将拥有 1 号槽，第三个将拥有 2 号槽。
当我们开始学习 Solidity 中的 DELEGATECALL(.delegatecall())时，这个槽的概念将变得非常重要，在本轨道的后面。
执行模型
让我们看一下 EVM 中的高级执行模型。这张图一开始可能有点混乱，但读完这一节，你就会明白发生了什么。
EVM 包含一个程序计数器（PC）。PC，有时也被称为指令指针，是一个指向计算机在代码执行中的位置的数值。
如果你把 EVM 的代码看作是一个要运行的指令列表，PC 将指向需要运行的指令。最初，PC 指向零，即第一条指令。当 该指令被运行后，PC 被更新为指向下一条指令，以此类推。
PC 所指向的指令对给定的数据执行某些操作。这些操作发生在堆栈中，堆栈可以从内存和账户存储中读/写值。
我以前用过这个比喻，我将再次使用它--把内存想象成你的 RAM，把账户存储想象成你的硬盘。堆栈（指令处理器）可以从 RAM 和硬盘中读/写数据，但只有对硬盘数据的修改在代码运行结束后才会继续存在，而内存则会被清除。
到目前为止，这与实际的 CPU 架构非常相似。对于那些有正式计算机科学背景的人来说，如果你在大学里上过硬件或计算机处理器课，你一定被教导过关于实际处理器如何工作的类似内容。EVM 的行为也非常类似。
但是，这里有一件特别的事情。EVM 还存储了一个计数器，用于计算有多少气体可用。EVM 执行的每个操作都要花费一定量的气体，只要有足够的气体来运行操作，EVM 就会继续执行操作。如果可用的气体低于继续运行所需的数量，整个执行将停止并导致交易失败。正如我们之前所讲，这样做是为了避免在 EVM 内出现无限循环，从而使以太坊网络陷入停顿。因此，对于复杂的交易，你需要支付更高的气体来支付执行成本。
执行过程中的气体
突出以上几点，你可以看到 EOA 在发送消息时，会向合约账户传递一定量的气体。EVM 代码运行并使用了一些气体。如果有剩余的气体，就会退还给 EOA。
然而，如果 EVM 代码耗尽气体，即没有提供足够的气体，执行将失败，交易将失败。在这种情况下，没有气体被退还，因为 EVM 仍然 不得不执行所有这些操作，以弄清所提供的气体太少，所以气体被收取所做的工作。
总结
以太坊是一个复杂的软件。如果你能走到这一步，为你鼓掌。我希望这一关能帮助你解开一些关于以太坊存储如何工作的疑惑，以及 EVM 如何在运行时处理数据和执行交易。
我们可以更深入地研究在 EVM 中运行的 Assembly 和 OPCODES，但这值得我们自己写一篇（或更多）文章，因为这是一个巨大的话题。