本文目标
本文的主要目的：1、了解solidity的基本编译原理2、通过示例的方式了解如何添加新的指令，不会涉及到solidity语言的语法讲解。
solidity简介
solidity是智能合约的开发语言，是一种语法类似于javascript的高级语言。合约源码经过编译生成虚拟机代码运行在虚拟机中。
开发文档：https://solidity
functionget()publicviewreturns(uint){returnstoredData;}}
abi,data,opcodes
以上代码在remix：
http://remix.ethereum.org/中使用0.5.1commit版本编译生成
abi=,"name":"get","outputs":,"payable":false,"stateMutability":"view","type":"function"},{"constant":false,"inputs":,"name":"set","outputs":,"payable":false,"stateMutability":"nonpayable","type":"function"}]
data="0x60806040526000805534801561001457600080fd5b5060c2806100236000396000f3fe6080604052600436106043576000357c0100000000000000000000000000000000000000000000000000000000900480636d4ce63c146048578063b8e010de146070575b600080fd5b348015605357600080fd5b50605a6084565b6040518082815260200191505060405180910390f35b348015607b57600080fd5b506082608d565b005b60008054905090565b4360008190555056fea165627a7a72305820825c534e94b487410e10fa0ba5da11584c0b0ad2bd9e56397a3dfa89e504ee1f0029"
opcodes="
固定指令：PUSH10x80PUSH10x40MSTORE
变量：PUSH10x0DUP1SSTORE//对应的storedData=0
内联函数：CALLVALUEDUP1ISZEROPUSH20x14JUMPIPUSH10x0DUP1REVERTJUMPDESTPOP//用于出错回滚
云南2020年将加快布局区块链技术云平台:2020年云南发展的16个关键字中包括“数”，以更大力度推进“数字云南”建设。加快布局5G网络、数据中心、区块链技术云平台、人工智能、工业互联网、物联网等新基建。制定财税政策，建设普惠性服务平台，营造数字化生态。（云南经济日报）[2020/5/13]
部署代码指令：PUSH10xC2DUP1PUSH20x23PUSH10x0CODECOPYPUSH10x0RETURNINVALID//部署合约的核心指令
固定指令：PUSH10x80PUSH10x40MSTORE
固定指令：PUSH10x4CALLDATASIZELT//用于校验input大小。
加载合约代码：PUSH10x43JUMPIPUSH10x0CALLDATALOADPUSH290x100000000000000000000000000000000000000000000000000000000SWAP1DIVDUP1PUSH40x6D4CE63CEQPUSH10x48JUMPIDUP1PUSH40xB8E010DEEQPUSH10x70JUMPIJUMPDESTPUSH10x0DUP1REVERTJUMPDEST
内联函数：CALLVALUEDUP1ISZEROPUSH10x53JUMPIPUSH10x0DUP1REVERTJUMPDESTPOP
get函数：PUSH10x5APUSH10x84JUMPJUMPDESTPUSH10x40MLOADDUP1DUP3DUP2MSTOREPUSH10x20ADDSWAP2POPPOPPUSH10x40MLOADDUP1SWAP2SUBSWAP1RETURNJUMPDEST
内联函数：CALLVALUEDUP1ISZEROPUSH10x7BJUMPIPUSH10x0DUP1REVERTJUMPDESTPOP
set函数：PUSH10x82PUSH10x8DJUMPJUMPDESTSTOPJUMPDESTPUSH10x0DUP1SLOADSWAP1POPSWAP1JUMPJUMPDESTNUMBERPUSH10x0DUP2SWAP1SSTOREPOPJUMPINVALID
其他指令：LOG1PUSH60x627A7A723058KECCAK256DUP30x5cMSTORE80x4eSWAP50xb4DUP8COINBASE0xeLTSTATICCALLSIGNEXTEND0xa50xdaGTPC0x4cSIGNEXTENDEXP0xd20xbdSWAP15JUMPCODECOPYPUSH270x3DFA89E504EE1F0029000000000000000000000000000000000000"//
上述abi，data是在部署合约和执行合约需要的数据。其中abi包含了合约中用到的函数名，函数的输入输出，与函数的属性。opcodes是虚拟机要执行的具体代码指令，data是opcodes的16进制，二者之间可以互相转化。下面介绍下如何生成abi与opcodes。
solidity编译原理简述
这里以上述合约代码为例，简单介绍下解析流程
1、以字符串的形式读入完整合约代码，转第2步；
2、去除字符串前的空格，然后遍历字符串，并以空格，‘{’，'}',';','(',')'等为分隔符将字符串进行分割，然后与TOKEN_LIST中定义的TOKEN进行对比，并替换为应的TOKEN，转第3步。
3、第一个TOKEN是pragma，然后以pragma为开始，直到';'结束，确定语言为solidity，版本号大于等于0.5.0，并比较当前编译器版本是否匹配，转第4步。
4、继续遍历，TOKEN为contract,，然后从contract开始，确定下一个字符串storenumber为contractname，继续遍历，从‘{’开始，，到配对的‘}’结束，此时确定了合约名为storenumber的合约内容，转第9步。
声音 | 国家科技部原副部长：区块链作为核心技术自主创新的突破口是应用发展的当务之急:12月21日，区块链中国大会暨链改及分布式存储峰会在西安召开。国家科技部原副部长、第十一届全国人大教科文卫委员会委员吴忠泽表示，要充分认识区块链作为核心技术自主创新的突破口是区块链应用发展的当务之急。还要加强集成创新与商业模式创新，加快区块链与实体经济融合发展是行业发展重中之重。然后，创新驱动实质是人才驱动，大力培养引进人才是企业发展的核心要求。最后是要开放创新，协同创新，合作共赢，这是区块链行业发展的必由之路。大会现场还举行了西北区块链产业基地揭牌仪式。（经济参考报）[2019/12/24]
5、继续遍历，TOKEN为uint,判断为数据类型，以‘；’为结尾，确定数据类型为uint,类型名为storedData，转第6步
6、继续遍历，TOKEN为function，后续字符串set为函数名，以‘(’，开始，以‘)’为终确定input为空，继续遍历TOKEN为public，确定函数属性，继续遍历TOKEN为‘{’，以配对的‘}’为结束，确定函数体，转第7步。
7、继续遍历，TOKEN为function，处理逻辑与第6步相同，但是增加了view属性与returns，returns的解析结果对应了abi中的outputs，转第8步。
8、继续遍历遇到与合约初始‘{’配对的‘}’，转第4步继续处理。
9、遍历结束，进行合法性检查(语法检查，命名规则检查，指令检查等)，转第10步。
10、开始编译合约，即opcodes的生成过程。编译过程可分成三个过程，转第11步。
11、编译初始化。初始化指令是固定的：PUSH10x80PUSH10x40MSTORE。然后取出所有的状态变量，这里的状态变量会被编译为：PUSH10x0DUP1SSTORE，转到第12步。
备注：1、这里的指令并不是一开始就是这样，而是后期经过翻译过的，比如PUSH10x80在这里的正确表示方式是AssembllyItem(type:pushdata,data:0x80)，之后经过token,instruction的对应转化为指令2、状态变量指令PUSH10x0DUP1SSTORE表示初始化变量为值为零，变量位置偏移为0。如果代码中初始化为1，这里的指令会编译成PUSH10x1PUSH10x0SSTORE。如果增加一个变量初始化为3，则会被编译为PUSH10x1PUSH10x0SSTOREPUSH10x3PUSH10x1SSTORE
12、继续编译，主要是完成对函数的编译，添加一个用于检查并回滚的内联函数。对应的指令：CALLVALUEDUP1ISZEROPUSH20x14JUMPIPUSH10x0DUP1REVERTJUMPDESTPOP，转13步；
13、添加合约初始化：PUSH10xC2DUP1PUSH20x23PUSH10x0CODECOPYPUSH10x0RETURN。至此，部署合约的主要opcodes生成完毕。下面开始编译函数，转14步；
14、先根据所有的函数名生成对应的函数地址，如例子中的0x6D4CE63C，0xB8E010DE，实际调用函数的时候在查看交易的input中，就有这个值，转15步；
15、编译函数，生成各个函数的指令，可参照前文示例。转16步；
16、最后编译missingFunctions。转17步；
17、打印结果，编译结束。
上述解析的流程只是介绍了基本的思路，实际的处理过程要复杂的多，因为合约中可以有类，继承，多态，接口，库等形式的存在，需要进行一些额外的处理。
生成abi:
abi的内容是合约内函数的相关信息，包括函数的constant,name,inputs,outputs,payable,stateMutability,type,从上述第2至8步的解析即可获取到上述信息，然后封装成json返回给前端即可。
动态 | “全国网络交易监测平台”正式启动上线 运用区块链技术存证:据新华网消息，“全国网络交易监测平台”5日在浙江正式启动上线，这是国家市场监管总局委托浙江省市场监管局开发建设的，是大数据和人工智能等前沿技术在网络监管应用领域的全新探索实践。平台运用区块链技术对PC端及移动端涉嫌违法的网络交易主体和商品信息进行固定和存证，确保监测数据可追溯、可证明、可信赖，无法篡改。此外，平台还能实现分析研判预警处置、数据交互协同联动等功能。[2019/11/5]
生成opcodes:
上述第10到16步内流程即是生成cpcodes的过程，在实际使用中，用的opcodes的16进制。
添加新指令
影响范围
根据上述编译流程的解析，要添加新的指令，需要考虑以下4点
1、token的定义：语法定义，比如token{Add,+}，将+与Add对应起来，解析的时候将代码中的+替换为Add
2、instruction的定义：提供给虚拟机执行的指令,需要在编译器和虚拟机中添加相同的定义
3、casetoken的处理：将token与instruction对应起来，编译的过程中将token::Add替换为instruction::ADD指令，供虚拟机识别。
4、新指令对编译的影响：比如对函数的影响，对存储的影响等，这个修改可以参考其他的同类型指令，比如添加的是运算符就参考加减乘除指令，添加的是块属性就参考已有的number,gaslimit指令。
5、虚拟机中对新加指令的定义与处理
示例：以添加RANDOM指令(获取块中的随机数属性，可参考number属性，合约中以block.number,block.random的方式进行使用)为例，说明在代码中添加的位置。
修改编译器代码
1、查看token定义，代码位置：liblangutil/Token.h。在TOKEN_LIST已定义了2中类型的token,一种是关键字token,一种是非关键字token,如括号，运算符，数据类型。要添加的random不是以上类型，不需要进行token定义。
#token定义示例，格式为M(name,string,precedence),M可以是T或者K，T表示非关键字token，K表示关键字token。name表示token名称，string为token的原生字符串，precedence表示优先级。
#defineTOKEN_LIST(T,K)
......
T(LParen,"(",0)
T(RParen,")",0)
T(LBrack,"[",0)
T(RBrack,"]",0)
T(AssignShr,">>>=",2)
T(AssignAdd,"+=",2)
T(AssignSub,"-=",2)
......
K(Continue,"continue",0)
K(Contract,"contract",0)
K(Do,"do",0)
K(Else,"else",0)
......
2、指令定义，代码位置：libevmasm/Instruction.h。在enumcalssInstruction中找到block的相关属性，并在其后追加RANDOM指令。如下所示，RANDOM=0x46。注意添加的指令号不能与其他的冲突，比如不能再添加一个0x40的指令，会与现有的BLOCKHASH指令冲突。
现场 | 王森：区块链溯源技术可保证油品安全可靠:金色财经现场报道，中华能源科技技术总监王森在今日举行的主题为“区块链助力工业升级与提效”的工业区块链论坛上发表了题为“原油跨境贸易的区块链产业应用”的演讲，他在演讲中分享了原油跨境贸易的应用实例和场景，并表示，利用区块链多方参与的去中心化、去信任化、信息化共享账本来提效降本。区块链的不可篡改性可以保证公司机密不被泄露，溯源技术可保证油品安全可靠保证材料取自源头，也可降低监管难度。[2018/10/10]
enumclassInstruction:uint8_t{......BLOCKHASH=0x40,///<gethashofmostrecentcompleteblockCOINBASE,///<gettheblock'scoinbaseaddressTIMESTAMP,///<gettheblock'stimestampNUMBER,///<gettheblock'snumberDIFFICULTY,///<gettheblock'sdifficultyGASLIMIT,///<gettheblock'sgaslimitRANDOM,......
}
上述定义为16进制，需要有一个字符串的"RANDOM"与指令对应，代码位置libevmasm/Instruction.cpp中。
std::map<std::string,Instruction>constdev::solidity::c_instructions={......{"NUMBER",Instruction::NUMBER},{"DIFFICULTY",Instruction::DIFFICULTY},{"GASLIMIT",Instruction::GASLIMIT},{"RANDOM",Instruction::RANDOM},......}staticstd::map<Instruction,InstructionInfo>constc_instructionInfo={......{Instruction::ADD,{"ADD",0,2,1,false,Tier::VeryLow}},{Instruction::NUMBER,{"NUMBER",0,0,1,false,Tier::Base}},{Instruction::DIFFICULTY,{"DIFFICULTY",0,0,1,false,Tier::Base}},{Instruction::GASLIMIT,{"GASLIMIT",0,0,1,false,Tier::Base}},{Instruction::RANDOM,{"RANDOM",0,0,1,false,Tier::Base}},......}//后面的0,0,1，false,Tier::Base是可变的，根据指令的需要。第一个默认为0即可，第二个0表示参数个数，1表示需要1个返回值。false可理解为只在虚拟机内部使用，如果涉及到数据库的读写，这里要填成true。最后的Tier::Base是gasprice的级别，根据需要填写即可。
3、指令的处理:代码位置libsolidity/codegen/ExpressionCompiler.cpp
boolExpressionCompiler::visit(MemberAccessconst&_memberAccess){......caseType::Category::Magic:if(member=="coinbase")m_context<<Instruction::COINBASE;elseif(member=="timestamp")m_context<<Instruction::TIMESTAMP;elseif(member=="difficulty")m_context<<Instruction::DIFFICULTY;elseif(member=="number")m_context<<Instruction::NUMBER;elseif(member=="gaslimit")m_context<<Instruction::GASLIMIT;elseif(member=="random")m_context<<Instruction::RANDOM;......}//不同的指令有不同的case进行处理，比如token:Add的处理如下：voidExpressionCompiler::appendArithmeticOperatorCode(Token_operator,Typeconst&_type){......switch(_operator){caseToken::Add:m_context<<Instruction::ADD;break;caseToken::Sub:m_context<<Instruction::SUB;break;caseToken::Mul:m_context<<Instruction::MUL;break;......}//如果添加的是其他类型的指令，就找到对应的case添加即可。
声音 | 中国商业经济学会副会长：充分利用区块链等技术实现中国制造的高质量发展:中国商业经济学会副会长宋向清表示，未来中国制造要试水产业链顶端技术和前沿设计，充分利用区块链、物联网和智能化等开展模式创新和管理变革，实现中国制造的高质量发展。[2018/7/12]
4、对函数，存储的影响：
确定数据类型，代码位置libsolidity/ast/Types.cpp
MemberList::MemberMapMagicType::nativeMembers(ContractDefinitionconst*)const{//指定存储的数据类型......caseKind::Block:returnMemberList::MemberMap({{"coinbase",make_shared<AddressType>(StateMutability::Payable。,{"timestamp",make_shared<IntegerType>(256。,{"blockhash",make_shared<FunctionType>(strings{"uint"},strings{"bytes32"},FunctionType::Kind::BlockHash,false,StateMutability::View。,{"difficulty",make_shared<IntegerType>(256。,{"number",make_shared<IntegerType>(256。,{"gaslimit",make_shared<IntegerType>(256。,{"random",make_shared<IntegerType>(256。//注意这里，设置数据类型为uint256,如果需要其他数据类型，参考libsolidity/ast/Types.h中的类型定义});......
对函数的影响：代码位置libevmasm/Semanticlnformation.cpp
boolSemanticInformation::invalidInPureFunctions(Instruction_instruction)
{
switch(_instruction)
{
......
caseInstruction::TIMESTAMP:
caseInstruction::NUMBER:
caseInstruction::DIFFICULTY:
caseInstruction::GASLIMIT:
caseInstruction::RANDOM://增加的random指令影响函数的Pure属性。returntrue表示该函数不能使用pure关键字。
caseInstruction::STATICCALL:
caseInstruction::SLOAD:
returntrue;
default:
break;
}
returninvalidInViewFunctions(_instruction);
}
修改虚拟机代码
random指令的定义，代码位置：hvm/evm/opcodes.go
const(
//0x40range-blockoperations
BLOCKHASHOpCode=0x40+iota
COINBASE
TIMESTAMP
NUMBER
DIFFICULTY
GASLIMIT
RANDOM//新增
)
varopCodeToString=mapstring{
......
NUMBER:"NUMBER",
DIFFICULTY:"DIFFICULTY",
GASLIMIT:"GASLIMIT",
RANDOM:"RANDOM",//新增
......
}
varstringToOp=mapOpCode{
......
"NUMBER":NUMBER,
"DIFFICULTY":DIFFICULTY,
"GASLIMIT":GASLIMIT,
"RANDOM":RANDOM,//新增
......
}
指令操作的定义：代码位置：hvm/evm/jump_table.go,添加指令的操作属性
instructionSet=operation{
execute:opRandom,
gasCost:constGasFunc(GasQuickStep),
validateStack:makeStackFunc(0,1),
valid:true,
}
上述操作码对应函数opRandom的定义：代码位置hvm/evm/instrucitons.go，可参考number函数的定义
funcopNumber(pc*uint64,evm*EVM,contract*Contract,memory*Memory,stack*Stack)(byte,error){
stack.push(math.U256(new(big.Int).Set(evm.BlockNumber)))
returnnil,nil
}
funcopRandom(pc*uint64,evm*EVM,contract*Contract,memory*Memory,stack*Stack)(byte,error){
stack.push(math.U256(new(big.Int).Set(evm.Random)))
returnnil,nil
}
上述opRandom中使用了evm.Random，因此需要在evm结构体增加Random的属性。代码位置hvm/evm/evm.go
typeContextstruct{
......
Coinbasecommon.Address//ProvidesinformationforCOINBASE
GasLimit*big.Int//ProvidesinformationforGASLIMIT
BlockNumber*big.Int//ProvidesinformationforNUMBER
Time*big.Int//ProvidesinformationforTIME
Difficulty*big.Int//ProvidesinformationforDIFFICULTY
Random*big.Int//新增
}
上述增加了Random属性，需要对其进行初始化，代码位置为：hvm/hvm.go
funcNewEVMContext(msgMessage,header*types.Header,chainChainContext,author*common.Address)evm.Context{
......
returnevm.Context{
CanTransfer:CanTransfer,
Transfer:Transfer,
GetHash:GetHashFn(header,chain),
Origin:msg.From(),
Coinbase:beneficiary,
BlockNumber:new(big.Int).Set(header.Number),
Time:new(big.Int).Set(header.Time),
Difficulty:new(big.Int).Set(header.Difficulty),
GasLimit:new(big.Int).Set(header.GasLimit),
Random:new(big.Int).Set(header.Random),//新增
GasPrice:new(big.Int).Set(msg.GasPrice()),
}
}
上述获取的header为当前校验的块的header。header.Random的增加与生成此处不介绍了。
至此，编译源码与虚拟机源码添加Random指令修改完成。
生成编译器
1、下载源码：gitclone
https://github.com/ethereum/solidity
2、cdsolidity&&gitcheckoutv0.5.7#本文例子以v0.5.7版本为基础版本进行修改
3、按照前文介绍修改相关代码
4、编译源码生成编译器
二进制编译器：mkdirbuild&&cdbuild&&cmake..&&make#执行完成后生成二进制文件：solc
js编译器：执行./scripts/build_emscripten.sh#执行完成后生成js文件：soljson.js
5、使用编译器编译合约代码
使用二进制编译器：solc--abitest.sol#生成abi
solc--bintest.sol#生成data
solc--opcodestest.sol#查看opcodes
使用js编译器：可以将soljson.js替换到remix中进行测试。需要搭建remix环境并修改soljson.js的加载路径或者自行编写js脚本进行测试。
6、按照前文介绍修改虚拟机代码并部署到测试链，使用上述生成的abi，data进行链上测试，合约部署和调用过程不在赘述。
注：如有问题请在下方留言联系我们技术社群。
汪晓明博客：http://wangxiaoming.com/
汪晓明：HPB芯链创始人，巴比特专栏作家。十余年金融大数据、区块链技术开发经验，曾参与创建银联大数据。主创区块链教学视频节目《明说》30多期，编写了《以太坊官网文档中文版》，并作为主要作者编写了《区块链开发指南》，在中国区块链社区以ID“蓝莲花”知名。
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