以太坊已经成为最受欢迎的智能合约平台，这主要归功于以太坊虚拟机（EVM）。

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在区块链技术中，EVM 是不可或缺的，处理从维护智能合约到执行去中心化应用进程的所有事务。

但仍有许多障碍需要克服，例如规模问题和天然气效率低下。

本文旨在通过剖析 EVM 的架构、可用工具和即将推出的更新计划，帮助您了解 EVM 在动态区块链环境中的优势和劣势。

什么是以太坊虚拟机 (EVM)？

来源:Medium

以太坊虚拟机（EVM）是支持以太坊的内核计算引擎，负责执行智能合约并在区块链上运行去中心化应用进程（dApp）。

它充当一台全球性的、去中心化的计算机，任何人都可以以无需信任的方式部署和执行代码。

EVM 处理用高级编程语言（如 Solidity）编写的指令，并将其转换为可以执行的低级字节码。

该字节码存储在以太坊区块链上，并在网络中的每个节点上运行，确保整个系统的统一合约执行。

EVM 的一个关键特性是它能够处理智能合约——具有预定义规则和条件的自动执行协议。

这些合约在 EVM 上的隔离环境中运行，这意味着它们不会影响系统的其他部分，从而确保安全性和可靠性。

此外，EVM 是一种基于堆栈的架构，它通过将数据推送到堆栈和从堆栈弹出来处理命令。

该计算过程由 gas 系统控制，该系统要求用户为操作的执行付费，有助于防止滥用并确保有效利用资源。

以太坊虚拟机的架构

以太坊虚拟机 (EVM) 采用基于堆栈的架构运行，这意味着它使用称为堆栈的数据结构执行指令。

在这个模型中，EVM 通过将值推送到堆栈和从堆栈弹出来处理命令，其中每个项目的大小为 256 位。

由于 EVM 不像传统计算机那样拥有通用寄存器，因此堆栈对于处理计算至关重要。相反，堆栈在智能合约执行期间充当数据操作的临时内存。

例如，在执行加法等数学运算时，EVM 将两个数字推送到堆栈上，将它们相加，然后将结果存储回堆栈。

这种基于堆栈的设计使得EVM在执行智能合约指令时高效且可预测。

与基于寄存器的系统相比，它简化了临时数据的管理，降低了复杂性。

然而，EVM 的堆栈有限制，例如固定深度为 1024 个项目，这意味着如果超过此限制，过于复杂的操作可能会导致堆栈溢出错误。

EVM 的组件

来源:研究之门

以太坊虚拟机（EVM）由几个关键组件组成，它们协同执行智能合约和管理去中心化应用进程。

代码执行

在以太坊虚拟机 (EVM) 中，智能合约使用 Solidity 等高级语言编写。这些合约随后被编译成字节码，即 EVM 能够理解的低级代码。

这个字节码存储在区块链上，每次调用合约时，EVM都会逐步执行这个字节码。

当执行合约时，EVM 会逐条运行每个指令，处理计算、数据存储以及与其他合约通信等逻辑。

例如，如果编写合约以将代币从一个用户转移到另一个用户，则 EVM 会处理字节码以更新合约存储中的余额。

这确保了转账遵循合约规则，并且以太坊网络中的所有节点都达到相同的结果。

内存和存储模型

EVM 使用两种不同类型的数据存储：记忆与存储.

内存是临时的，仅在智能合约执行期间存在。它用于存储中间数据，例如计算或临时需要的变量。

例如，在合约中对两个数字进行加法运算时，结果可能会先存储在内存中，然后再进行进一步处理。由于交易结束后内存会被清除，因此内存的使用效率比存储更高效，成本也更低。

是永久性的，即使在交易完成后仍会保留数据。存储用于保存需要长期保存的重要信息，例如代币余额或合约状态。

例如，在代币合约中，每个用户的余额都存储在这里。修改存储中的数据会消耗更多的 Gas（计算费用），因此开发者的目标是节约使用存储空间以优化成本。

堆

EVM 是一个基于堆栈的机器，这意味着它使用一种称为堆管理运营。

堆栈类似于一个列表，数据只能从顶部添加或删除，遵循“后进先出”（LIFO）原则。堆栈中的每个项目大小为 256 位，与 EVM 的字长一致。

例如，如果 EVM 需要将两个数字相加，它会将这些数字推送到堆栈上。

然后，它通过弹出、处理并将结果推回堆栈来执行加法。堆栈最多可容纳 1024 个项目，如果超过此限制，则交易失败。

堆栈的简单性使得 EVM 能够有效地处理计算，但这也意味着如果堆栈填满，过于复杂的操作可能会导致错误。

煤气费

Gas 是 EVM 的基本组成部分，用于确保网络保持高效和安全。在 EVM 上执行的每个操作都需要一定量的 Gas，用户必须使用以太币（以太坊的原生加密货币）支付。Gas 是使用 EVM 计算资源的手续费，用于防止滥用和垃圾邮件。

例如，像添加两个数字这样的简单操作可能要花费 3 个 gas 单位，而像将数据写入存储这样的更复杂的任务则要昂贵得多。

如果交易在完成之前耗尽了 gas，则交易失败，并且所做的任何更改都将被撤销，但所花费的 gas 不会退还。

该 gas 系统鼓励开发人员编写高效的代码，并防止低效或恶意操作导致网络过载。

EVM 操作码

操作码（Operation Code）是 EVM 能够理解和执行的基本指令。每个操作码都是一个简单的命令，它告诉 EVM 执行什么操作，例如添加数字、存储数据或跳转到代码的不同部分。

EVM 中有超过 140 个操作码，每个操作码都有与之相关的特定 gas 成本。

例如：

地址：从堆栈中取出两个数字，将它们相加，然后将结果压入堆栈。此操作消耗 3 个 Gas 单位。商店：将数据存储在合约的存储空间中。这是最昂贵的操作之一，耗费 20,000 Gas 单位。

EVM 处理智能合约，并通过逐步执行这些操作码来确保每条指令在整个以太坊网络中准确执行。

通话数据

调用数据是指调用智能合约时随交易发送的输入数据。它包含有关要执行的函数以及该函数所需的任何参数的信息。

例如，如果您使用智能合约转移代币，则调用数据将包括函数名称（例如，转让) 和参数（收件人地址和转账金额）。

EVM 读取此调用数据以了解要执行哪个函数以及如何处理交易。

虽然调用数据是交易的一部分，但读取它并不需要花费 gas，但是当它包含在交易中时，根据其大小确实会产生 gas 成本。

EVM 中的字长

EVM 以固定的字长256 位（32 字节）。这意味着它处理的所有数据，无论是数字、地址还是指令，长度都是 256 位。

这种设计选择与以太坊对加密安全性的重视相一致，因为大多数加密操作（例如散列）都需要处理大量数字。

例如，当 EVM 处理 32 字节地址或计算交易结果时，它使用 256 位字大小。

这种一致的字长使得 EVM 在处理加密任务所需的复杂数学运算时更加安全、高效。

然而，这也意味着更小的值也会扩展至 256 位，这有时会导致数据处理效率低下。

EVM执行模型

来源:基础文档

EVM执行模型定义了以太坊的去中心化应用进程和智能合约在区块链上运行的规则和流程。

以太坊账户模型

以太坊虚拟机（EVM）使用两种类型的账户：外部拥有账户 (EOA)与合同账户.

外部拥有账户 (EOA)由私钥控制，代表网络上的用户。这些账户可以发送和接收以太币并发起交易。合同账户另一方面，包含智能合约代码，只有在 EOA 或其他合约触发时才能执行操作。它们没有私钥，但会响应其他账户的调用。

例如，当您将以太币从钱包发送到智能合约时，您的 EOA 会与合约账户进行交互，触发其代码执行特定功能，例如转移代币或存储数据。

消息调用和交易

在 EVM 中，账户之间的交互通过消息调用与交易.

A交易是从 EOA 发送的签名数据包。它可以转移以太币或调用智能合约中的函数。交易会被广播到以太坊网络，并由矿工或验证者处理。A留言调用发生在一个合约与另一个合约或 EOA 交互时。与交易不同，消息调用是内部的，不需要使用私钥签名。

例如，当用户向去中心化交易所合约发送交易时，该合约可以向代币合约发出消息调用，代表用户转移代币。

气体力学的执行

EVM 使用气管理执行操作的成本并防止网络滥用。Gas 是衡量交易或合约执行所需计算工作量的单位。

EVM 中的每个操作，从简单的数学运算到存储数据，都有固定的 Gas 成本。在执行交易之前，用户必须指定 Gas 限额，该限额决定了用户愿意为该操作支付的最高 Gas 金额。

如果交易在完成之前耗尽了 gas，则交易失败，所有更改都会被恢复，但所消耗的 gas 不会退还。

例如，发送以太币需要花费 21,000 个 gas 单位，而在合约中存储数据的成本则要高得多，可能超过 20,000 个 gas 单位。

EVM执行周期

EVM 以结构化的取指-译码-执行周期。这个过程涉及几个步骤：

取：EVM 从合约的字节码中检索下一条指令（操作码）。解码：EVM 解码指令以帮助您了解要执行什么操作。执行：EVM 执行操作，例如数学计算、数据检索或合约调用。

此循环不断重复，直到所有指令处理完毕或交易耗尽 Gas。执行周期确保以太坊网络中的每个节点都处理相同的指令，从而保持共识。

EVM中的合约生命周期

EVM 中的智能合约遵循特定的生命周期，从部署到最终终止：

创建：通过发送包含合约字节码的交易来部署合约。部署后，合约将在以太坊网络上获得一个唯一的地址。互动：合约由交易或消息调用触发。一旦触发，EVM 就会执行合约代码，包括读取或写入数据、调用其他合约或转移资金。自我毁灭：合同可以通过调用自毁操作码。这将从区块链中删除合约，并将任何剩余的以太币转移到指定的地址。

例如，管理众筹活动的合同可能会在活动结束后自毁，确保其无法再次使用。

编程语言和 EVM

以太坊虚拟机（EVM）支持多种编程语言，使开发人员能够无缝地编写和部署智能合约。

Solidity 和 EVM

来源:Medium

Solidity是最广泛使用的编程语言聪明的合同在以太坊上。它是一种专为以太坊虚拟机（EVM）设计的高级静态类型语言。

Solidity 允许开发人员编写可部署在以太坊区块链上并与其他合约或外部拥有账户 (EOA) 交互的智能合约。

用 Solidity 编写的代码被编译成EVM字节码，这是 EVM 理解和执行的低级机器代码。

例如，用于转移代币的基本 Solidity 合约将定义如下函数转移（）处理用户之间的代币移动。

当这个合约被部署时，它的 Solidity 代码会被编译成字节码，每当调用这个合约时，EVM 就会执行这个字节码。

Solidity 支持多种数据类型和控制结构，可以灵活地创建复杂的分布式应用进程（dApps）比如去中心化交易所、借贷协议或代币标准（例如，ERC-20，ERC-721）。

其他 EVM 兼容语言

虽然 Solidity 是主流语言，但还有其他EVM兼容的编程语言旨在提供不同的功能或满足特定用例。两个值得注意的例子是：

Vyper的Vyper 是 Solidity 的一个更简单、更安全的替代方案。它旨在通过提供更少的功能来降低智能合约的复杂性，使代码更易于审计和理解。Vyper 通常用于安全性至关重要的应用进程中，例如分布式金融（DeFi）协议。尤伯：Yul 是一种中间语言，旨在实现更高级的优化。它比 Solidity 更底层，允许开发人员微调性能，从而有助于优化 Gas 成本。Yul 通常用于开发人员需要精确控制合约执行的情况。

这些语言还可以编译为 EVM 字节码，从而允许它们像基于 Solidity 的合约一样在以太坊网络上部署和执行。

例如，对于需要严格安全性的项目，可能会选择 Vyper，而对于旨在最大程度降低 gas 费用的性能关键型 dApp，可能会选择 Yul。

EVM字节码

来源:信任观

EVM 字节码是以太坊虚拟机 (EVM) 执行的低级机器语言。智能合约一旦用 Solidity 或 Vyper 等高级语言编写，就会被编译成字节码。

然后，该字节码被存储在以太坊区块链上，并在调用合约时由 EVM 运行。

EVM字节码由以下部分组成操作码，它们是 EVM 可以理解的单独指令，例如算术运算、数据存储命令或控制流指令。

例如，ADD 操作码告诉 EVM 在堆栈上添加两个数字，而 SSTORE 操作码将一个值存储在合约的存储中。

每个操作码都有特定的 gas 成本，优化字节码的结构可以帮助减少执行合约所需的 gas。

例如，设计用于处理代币转移的合约将包括用于检查余额、更新存储和发出事件的字节码指令。

每次调用合约时，EVM 都会读取并执行这些指令，确保以太坊网络中的所有节点都获得相同的结果。

Gas 成本、费用和效率

来源:精细学

Gas 成本和费用在决定效率和可扩展性方面起着至关重要的作用聪明的合同以及以太坊虚拟机（EVM）上的 dApps。

气体计算与效率

在以太坊虚拟机（EVM）中，气表示执行交易或智能合约所需的计算成本。EVM 执行的每个操作，无论是简单的加法还是将数据写入存储，都需要一定的 Gas 成本。

例如，像添加两个数字这样的基本操作需要 3 个 gas 单位，而使用商店操作码最多可花费 20,000 个 gas 单位。

Gas 以 Ether (ETH) 支付，交易的总 Gas 成本是通过将交易使用的 Gas 乘以汽油价格.

Gas 价格由用户设置，代表他们愿意为每单位 Gas 支付多少以太币。如果网络拥堵，用户可以设置更高的 Gas 价格，以激励矿工或验证者优先处理他们的交易。

高效使用 gas 至关重要，因为优化不佳的合约会导致更高的费用，从而使用户的交易成本更高。

例如，在账户之间转移以太币需要花费 21,000 个 gas 单位，但与复杂的智能合约交互的成本可能会高得多，尤其是当合约涉及多个存储更改或函数调用时。

气体优化技术

Gas 优化是智能合约开发者需要考虑的关键因素，因为减少 Gas 用量可以显着降低交易成本。一些常用的 Gas 优化技术包括：

最小化存储写入：由于在区块链上存储数据是最昂贵的操作之一，开发人员可以通过最大限度地减少将数据写入存储的次数来优化 gas 的使用。

例如，开发人员可以批量更新以减少存储操作的次数，而不是在多次交易期间重复更新用户的余额。

高效的数据结构：选择正确的数据结构有助于降低 Gas 成本。例如，使用较小的数组或更紧凑的数据类型可以减少存储空间的使用，从而降低煤气费.

开发人员通常更喜欢单位8or单位16超过单位256如果较小的数字足以满足合同的逻辑。

循环和函数优化：循环和重复性任务会快速增加 Gas 消耗。开发者可以通过限制循环迭代次数或重构代码来消除不必要的计算，从而降低 Gas 成本。

例如，合同应该避免在大型数据集上进行迭代的复杂循环，因为这些循环可能会变得昂贵。

通过应用这些和其他优化技术，开发人员可以为用户创建更高效、更具成本效益的合同。

Gas 限制和 Gas 耗尽场景

每笔以太坊交易都必须包含气体限制，它设置了用户愿意在该交易中花费的最大 gas 量。

此 gas 限制可确保用户不会在运行时间过长的交易中意外耗尽所有以太币。

如果交易在完成之前超出了 gas 限制，则会导致缺气错误，交易失败。

例如，如果用户为最终需要 60,000 个 gas 单位的交易设置了 50,000 个 gas 单位的 gas 限制，则交易将在中途停止，并且不会对区块链进行任何更改。

用户仍然会损失在交易失败前用于 Gas 的以太币。因此，对于用户和开发者来说，准确估算 Gas 限额以避免交易失败至关重要。

在复杂的智能合约中，开发人员通常会包含 gas 检查，以确保交易不会意外耗尽 gas。

同样，用户可以根据交易的预期复杂性调整其 gas 限制，以确保交易成功完成。

EVM 中的安全性

以太坊虚拟机（EVM）的安全性对于确保智能合约和去中心化应用进程的完整性和安全性至关重要。

智能合约中的常见漏洞

部署在以太坊虚拟机（EVM）上的智能合约由于其不可变性和公开性而面临各种漏洞。

智能合约一旦部署就无法更改，因此确保其安全性至关重要。一些最常见的漏洞包括：

重入攻击：重入攻击是指外部合约在初始执行完成之前回调到原始合约。这允许攻击者利用合约的状态，例如在合约余额更新之前反复提取资金。

例如，2016 年臭名昭著的 DAO 黑客攻击利用了可重入漏洞，导致数百万以太币被盗。

整数上溢/下溢：在智能合约中，整数运算必须谨慎管理。如果数字大于或小于数据类型所能处理的范围，就会导致溢出或下溢。

这可能导致不正确的合约行为，例如未经授权的代币铸造或价值操纵。

拒绝服务（DoS）：当合约被故意压垮，导致其无法使用时，就可能发生 DoS 攻击。攻击者还可以利用 Gas 限制，使合法用户执行合约功能的成本过高。

这些漏洞可能导致资金损失、合约故障或网络不稳定。因此，开发者在部署合约之前必须遵循最佳实践并进行全面的测试以降低风险。

EVM安全机制

以太坊虚拟机集成了多种安全机制，以帮助保护合约并确保交易的完整性。这些机制包括：

气体限制：Gas 系统可作为防止无限循环或过度计算的保护层。每笔交易都受到用户提供的 Gas 数量的限制，从而确保合约不会无限期运行或消耗过多资源。

这有助于防止网络滥用，并保护合约免受因无限循环而导致的 DoS 攻击。

隔离度：EVM 将智能合约彼此隔离。合约在沙盒环境中运行，这意味着它们只能通过明确定义的函数与其他合约和数据进行交互。

这确保了即使一个合约被破坏，它也不能直接干扰其他合约的执行或存储在单独账户中的数据。

签名验证：EVM 确保外部账户发起的交易使用加密密钥进行正确签名。这可以防止未经授权的访问或操纵交易，因为只有私钥的所有者才能从其账户发起交易。

虽然这些机制提供了基础级别的安全性，但开发人员仍然有责任保护他们的合约逻辑并避免已知的漏洞。

审计智能合约以确保 EVM 安全

审计是确保智能合约在以太坊网络上部署之前的安全的关键步骤。

智能合约审计包括审查合约的代码库、识别潜在漏洞并确保其遵循最佳实践。审计流程通常侧重于：

代码审查：审计人员逐行审查合约代码，以检测错误、漏洞和低效逻辑。这有助于发现整数溢出、不当访问控制或易受攻击的外部调用等问题。测试与验证：审计人员对合约进行手动和自动测试。这包括针对单个函数的单元测试和模拟测试，以评估合约在各种场景（例如高交易量或极端情况）下的表现。正式验证在某些情况下，形式化方法用于数学证明智能合约行为的正确性。这可以提供更高级别的保证，尤其是对于去中心化金融 (DeFi) 应用中使用的高风险合约。

CertiK 和 OpenZeppelin 等审计公司专门对智能合约进行深入审查，以识别风险并提出改进建议。全面的审计有助于最大限度地减少漏洞，确保合约在 EVM 上安全运行。

EVM用例

以太坊虚拟机 (EVM) 在支持各种区块链应用（从去中心化金融 (DeFi) 到 NFT 和智能合约）方面发挥着重要作用。

去中心化应用进程（dApps）

来源:蓝色侏儒鸟

去中心化应用进程 (dApps) 是在区块链网络上运行的软件进程，通常使用智能合约作为其后端逻辑。

以太坊虚拟机 (EVM) 在执行这些 dApp 中发挥着重要作用，因为它允许它们以安全和分散的方式与区块链交互。

例如，Uniswap（去中心化交易所）和Aave（去中心化借贷平台）等流行的 dApp 使用 EVM 来处理交易、贷款和其他交互，而无需依赖中央权威。

您可以直接与区块链交互，EVM 确保所有交易都按照智能合约代码执行。这种去中心化的方式增强了安全性、透明度以及用户对其资金或数据的控制。

智能合同

智能合约是自动执行的协议，合约条款直接写入代码。EVM 负责执行这些合约，确保它们在部署后能够完全按照预期运行。

这些合约可以自动化各种流程，从简单的代币转移到复杂的金融协议，并且是许多基于以太坊的服务的基础。

例如，可以使用智能合约创建托管服务，资金将被保留，直到满足预定义的条件为止。

一旦这些条件得到验证（例如货物交付），EVM 就会自动将资金发放给卖方，从而无需中介机构。智能合约的使用降低了成本，提高了效率，并实现了各方之间无需信任的交互。

DeFi平台

去中心化金融（DeFi）平台利用 EVM 创建不依赖传统金融中介机构的金融产品和服务。

这些平台直接在区块链上为用户提供各种金融工具，例如借贷、交易和收益耕作。

例如，Compound 和 MakerDAO 是两个基于以太坊网络构建的 DeFi 平台，它们允许用户无需银行即可借出或借入加密货币。

EVM 确保借贷协议安全执行，自动计算利率、抵押要求和其他因素。

您可以通过智能合约与这些平台互动来赚取利息或获得贷款，而 EVM 可确保所有条款都得到执行。

不可替代令牌（NFT）

不可替代令牌（NFT）是代表特定物品或内容（例如艺术品、音乐或收藏品）所有权的独特数字资产。

EVM 支持通过遵循 ERC-721 或 ERC-1155 等标准的智能合约创建和传输 NFT。

例如，OpenSea 和 Rarible 等平台使用 EVM 来铸造、购买和出售 NFT。当用户购买 NFT 时，EVM 会在以太坊区块链上记录所有权转移，确保买家拥有可验证且不可篡改的所有权记录。

NFT 改变了数字艺术和游戏等行业，它允许创作者将他们的作品代币化并直接出售给收藏家，所有交易均由 EVM 处理和保护。

跨链和多链 EVM 实现

以太坊虚拟机 (EVM) 不再局限于以太坊，因为它现在通过以下方式为跨多个区块链的应用进程提供支持：交叉链以及多链实现。

其他区块链上的 EVM

以太坊虚拟机（EVM）已被以太坊以外的各种区块链采用，允许开发人员在其他网络上构建和运行与以太坊兼容的智能合约。

这些区块链实现了 EVM，以支持相同的基于 Solidity 的应用进程，使开发人员能够更轻松地跨多个平台部署 dApp。示例包括：

币安智能链（BSC）：BSC 是一个兼容 EVM 的区块链，允许开发者以极少的改动移植以太坊 dApp。与以太坊相比，BSC 的交易速度更快，手续费更低，因此对某些去中心化应用（例如去中心化交易所 (DEX) 和收益挖矿平台）颇具吸引力。多边形（以前为Matic）：Polygon 是以太坊的 Layer 2 扩容解决方案，支持 EVM，使以太坊 dApp 能够以更低的交易费用和更快的处理速度运行。它广泛应用于游戏、NFT 市场和 DeFi 应用。雪崩和幻影：Avalanche 和 Fantom 都是实现 EVM 的高性能区块链，为以太坊开发人员提供了以更快的速度和更低的成本将其应用进程扩展到新网络的机会。

这些与 EVM 兼容的链通过提供具有独特优势（例如可扩展性和可负担性）的替代平台来增强以太坊的生态系统，同时保持与基于以太坊的 dApp 的兼容性。

EVM 和 Layer 2 解决方案

来源:英国证券交易所

第2层解决方案创建在以太坊之上，以帮助扩展网络、降低交易费用并提高吞吐量，而无需改变基础层（第 1 层）。

许多 Layer 2 解决方案都设计为与 EVM 兼容，以确保已在以太坊上运行的 dApp 能够无缝过渡。主要示例包括：

乐观汇总：Optimism 和 Arbitrum 等解决方案使用 Optimistic Rollup 在链下批量处理多笔交易，并向以太坊主链提交单一证明。它们与 EVM 兼容，允许开发者以极少的调整即可迁移其智能合约。zk汇总：zk-Rollups（例如由 zkSync 开发的版本）使用零知识证明来验证链下交易的有效性。这些 rollups 也兼容 EVM，旨在在保证安全性的同时减少以太坊的计算负载。

第 2 层解决方案显着降低了 gas 费用并提高了以太坊网络的吞吐量，同时仍然使用 EVM 执行合约，这对以太坊的可扩展性策略至关重要。

EVM的演变

随着时间的推移，EVM 已经适应并克服了其局限性，以太坊 2.0 和第 2 层解决方案等发展有望实现更高效的虚拟机。

EVM 的局限性

事实证明，以太坊虚拟机是去中心化应用进程的强大工具，但它也有一定的局限性：

性能瓶颈：EVM 会按顺序处理交易，这会导致执行时间缓慢，尤其是在网络拥堵时。这会导致 Gas 费用高昂，交易确认延迟。天然气效率低下：某些 EVM 操作的 Gas 成本较高，尤其是在存储和某些算术运算方面。这限制了智能合约的复杂性，因为开发者必须不断优化 Gas 效率，以避免交易成本过高。缺乏并行化：EVM 的当前设计不支持交易的并行执行，这意味着所有操作必须一次处理一个。这限制了可扩展性和吞吐量，尤其是在以太坊网络需求不断增长的情况下。

这些限制正在推动持续的研究和开发，旨在改进或替换 EVM 的部分功能，以提高其性能、可扩展性和效率。

以太坊 2.0 和 EVM 的未来

随着过渡到以太坊2.0（ETH2），以太坊网络正在从工作量证明（PoW）转向权益证明（PoS）共识机制。

此次升级旨在提高可扩展性、安全性和能源效率。然而，EVM 本身不会被取代，而是会不断演进，以适应新的生态系统。

碎片链：以太坊 2.0 引入了分片技术，将网络划分为多个较小的链（分片），并行处理交易。这可以缓解拥堵并降低 Gas 费用，但这需要调整 EVM 与这些分片链的交互方式。执行环境：在以太坊 2.0 中，有计划创建执行环境，它将与 EVM 协同工作，支持更复杂的应用进程，并使其他虚拟机能够在以太坊上共存。

这可以为智能合约的执行提供更大的灵活性，并在不从根本上改变 EVM 的情况下提高性能。

以太坊 2.0 路线图标志着 EVM 在未来网络的持续作用，但可扩展性和适应性得到增强。

EVM 的创新和升级

目前，我们正在进行多项升级 EVM 的工作，以使其更加高效、功能更加丰富。一些值得注意的创新包括：

EVM 384：本提案旨在扩展 EVM 的原生数据类型，以实现更高效的加密操作，而这些操作目前非常耗费 Gas。通过扩展 EVM 的字长，可以简化某些计算，从而降低复杂操作的成本。eWASM（以太坊 WebAssembly）：eWASM 是一项旨在用 WebAssembly (WASM) 取代 EVM 的计划，WASM 是一种更现代、更通用的虚拟机。WASM 速度更快，支持并行执行，并且在区块链应用之外得到广泛应用。

如果全面实施，eWASM 将使以太坊能够更有效地处理合约，并向熟悉主流编程语言的开发人员开放网络。

帐户抽象：本次升级旨在简化账户和合约与网络的交互方式。通过抽象化与签名验证和交易管理相关的某些复杂性，本次升级将允许更灵活、更人性化的智能合约设计，从而增强 EVM 的功能。

这些创新旨在确保 EVM 保持竞争力并能够支持以太坊的长期增长。

EVM 生态系统和工具

以太坊虚拟机（EVM）拥有不断壮大的工具生态系统，旨在帮助开发人员有效地构建、测试和优化智能合约。

EVM 的开发者工具

已经构建了各种各样的开发工具，以使以太坊虚拟机（EVM）的使用更加高效和用户友好。

这些工具可帮助开发人员编写、编译、部署和测试智能合约，确保其性能和安全性得到优化。一些最受欢迎的工具包括：

混音IDERemix 是一个基于 Web 的集成开发环境 (IDE)，用于编写和测试智能合约。它支持 Solidity（以太坊智能合约的主要编写语言），并提供一套调试和部署工具。由于其易用性和灵活性，它被初学者和经验丰富的开发人员广泛使用。Truffle Suite：Truffle 是一个开发框架，可简化构建去中心化应用进程 (dApp) 的过程。它包含一组用于管理合约、运行自动化测试以及与以太坊区块链交互的库。Truffle 还与其他工具（例如 Ganache）集成，后者可在本地模拟区块链以进行测试。Hardhat：Hardhat 是另一个流行的开发环境，它提供了丰富的功能，用于编译智能合约、调试和运行测试。它支持 Solidity，并提供灵活的插件，例如能够在本地运行 EVM，以便在开发过程中快速迭代。

这些工具简化了开发过程，并有助于确保开发人员能够有效地构建、测试和部署基于 EVM 的应用进程。

EVM调试和测试

鉴于区块链交易的不可变性，调试和测试是智能合约开发的关键步骤。

智能合约一旦部署，错误就很难轻易修复，因此严格的测试至关重要。一些用于调试和测试的关键工具包括：

伽纳彻Ganache 是 Truffle 套件的一部分，它是一个本地区块链模拟器，允许开发者创建个人以太坊网络。它模拟区块链，使开发者无需支付 Gas 费用或等待以太坊主网络的确认即可测试智能合约。这使得它非常适合在各种条件下测试合约的功能。安全帽调试器Hardhat 提供内置调试工具，允许开发者逐步检查智能合约的执行情况。这使得开发者更容易识别逻辑问题或发现可能出现 Gas 效率低下的地方。该工具支持在本地网络上进行实时测试，从而降低部署存在错误或效率低下的合约的风险。Solidity 覆盖率Solidity Coverage 是一款用于衡量智能合约代码测试程度的工具。它确保测试涵盖关键功能和边缘情况，从而降低已部署合约中存在未发现漏洞的风险。

使用这些工具进行彻底的测试有助于防止实际合同中出现代价高昂的错误和安全漏洞。

EVM 仿真器和模拟器

EVM 模拟器和仿真器允许开发人员在本地机器上模拟以太坊网络的执行环境。

这些工具有助于在智能合约部署到主网之前进行测试、性能调整和调试。一些广泛使用的模拟器和仿真器包括：

伽纳彻：作为区块链模拟器，Ganache 允许开发者运行本地以太坊区块链，以便在受控环境中测试交易、部署合约并监控 Gas 消耗。开发者可以模拟现实世界的交互，从而帮助他们微调 dApp 和合约。EVM 游乐场：EVM Playground 是一款基于浏览器的工具，允许开发者直接在沙盒环境中编写、编译和执行 EVM 字节码。这对于想要探索特定 EVM 操作码的行为方式或排查底层合约问题的开发者尤其有用。以太坊：EthFiddle 是一款轻量级的在线工具，允许用户实时测试 Solidity 代码片段。开发者可以快速共享和测试代码片段，使其成为调试和测试小段代码的协作工具。

这些模拟器和仿真器对于确保智能合约在部署前按预期运行至关重要，从而节省开发过程中的时间和资源。

结语

以太坊虚拟机 (EVM) 是以太坊区块链的支柱，为去中心化应用进程、智能合约、DeFi 平台和 NFT 提供支持。

它的跨链兼容性和在第 2 层解决方案中的作用凸显了它在更广泛的区块链生态系统中的重要性。

然而，它也面临着一些限制，例如 gas 效率低下和缺乏并行化，以太坊 2.0 等正在进行的升级和 eWASM 等创新旨在解决这些问题。

凭借强大的开发工具、调试系统和模拟器生态系统，EVM 不断发展，确保它仍然是推动以太坊日益增长的去中心化格局的关键引擎。

随着区块链技术的进步，EVM 将不断适应和增强，推动跨平台去中心化应用进程和智能合约的未来。

以太坊虚拟机（EVM）常见问题解答

此常见问题解答部分解答了一些常见问题，可以帮助您缩小选择范围：

EVM 可以在其他区块链上运行吗？

是的，EVM 与多个其他区块链兼容，例如币安智能链、Avalanche 和 Polygon，允许它们运行基于以太坊的应用进程。

EVM 使用什么编程语言？

EVM 使用的主要编程语言是 Solidity，它编译成 EVM 字节码以在以太坊网络上执行。

EVM 如何计算 gas 费？

EVM 根据每笔交易或智能合约执行所需的计算资源来计算 gas 费用，更复杂的操作需要更高的 gas。

EVM 可以运行任何类型的代码吗？

是的，EVM 是图灵完备的，这意味着只要有足够的时间和资源，它就可以运行任何计算算法。

第 2 层解决方案如何改进 EVM？

第 2 层解决方案通过从主以太坊网络卸载交易、减少拥堵并降低 gas 费用来改进 EVM。

所有基于以太坊的应用进程都使用 EVM 吗？

是的，以太坊网络上的所有去中心化应用进程（dApp）和智能合约都是使用 EVM 执行的。

EVM如何处理智能合约安全？

EVM 通过在隔离环境中执行智能合约来增强安全性，防止恶意代码影响其他合约或网络。

什么是 EVM 操作码？

EVM 操作码是 EVM 执行的低级指令，用于执行智能合约中的数学运算、数据存储和控制流等任务。