以太坊合约执行过程

① 以太坊是什么以太坊与区块链有什么关系

以太坊是一个全新开放的区块链平台，它允许任何人在平台中建立和使用通过区块链技术运行的去中心化应用。就像比特币一样，以太坊不受任何人控制，也不归任何人所有——它是一个开放源代码项目，由全球范围内的很多人共同创建。

和比特币协议有所不同的是，以太坊的设计十分灵活，极具适应性。在以太坊平台上创立新的应用十分简便，任何人都可以安全地使用该平台上的应用。

以太坊是可编程的区块链。它并不是给用户一系列预先设定好的操作（例如比特币交易），而是允许用户按照自己的意愿创建复杂的操作。这样一来，它就可以作为多种类型去中心化区块链应用的平台，包括加密货币在内但并不仅限于此。

以太坊狭义上是指一系列定义去中心化应用平台的协议，它的核心是以太坊虚拟机（“EVM”），可以执行任意复杂算法的编码。在计算机科学术语中，以太坊是“图灵完备的”。开发者能够使用现有的JavaScript和Python等语言为模型的其他友好的编程语言，创建出在以太坊模拟机上运行的应用。

和其他区块链一样，以太坊也有一个点对点网络协议。以太坊区块链数据库由众多连接到网络的节点来维护和更新。每个网络节点都运行着以太坊模拟机并执行相同的指令。因此，人们有时形象地称以太坊为“世界电脑”。

这个贯穿整个以太坊网络的大规模并行运算并不是为了使运算更高效。实际上，这个过程使得在以太坊上的运算比在传统“电脑”上更慢更昂贵。然而，每个以太坊节点都运行着以太坊虚拟机是为了保持整个区块链的一致性。去中心化的一致使以太坊有极高的故障容错性，保证零停机，而且可以使存储在区块链上的数据保持永远不变且抗审查。

以太坊平台本身没有特点，没有价值性。和编程语言相似，它由企业家和开发者决定其用途。不过很明显，某些应用类型较之其他更能从以太坊的功能中获益。以太坊尤其适合那些在点与点之间自动进行直接交互或者跨网络促进小组协调活动的应用。

例如，协调点对点市场的应用，或是复杂财务合同的自动化。比特币使个体能够不借助金融机构、银行或政府等其他中介来进行货币交换。以太坊的影响可能更为深远。

理论上，任何复杂的金融活动或交易都能在以太坊上用编码自动且可靠地进行。除金融类应用外，任何对信任、安全和持久性要求较高的应用场景——比如资产注册、投票、管理和物联网——都会大规模地受到以太坊平台影响。

② Gas 机制是如何运作的

以太坊是目前第二大公链，它和比特币不一样，以太坊上的可以实现的功能更多，如果比特币是一个可以进行加减乘除的计算器，那么以太坊就是一台功能完备的计算机。以太坊系统的复杂度超过比特币好几个数量级。

在以太坊中，用户可以自己写一个智能合约，然后把智能合约放到以太坊中执行。智能合约的执行需要消耗资源，而以太坊上的资源是有限的。

在计算机系统中，停机问题（https://zh.wikipedia.org/wiki/停机问题）目前还没有办法完全证明。这个问题简单来说就是没办法判断一个程序是否能够在有限的时间内结束运行。

如果一个用户提交了一个死循环程序到以太坊中，那么就会无限的执行下去，从而将以太坊网络击垮。而使用 gas 机制则可以解决这个问题，智能合约中，每段代码的执行都会消耗一定量的 gas，在用户提交交易的时候需要指定好。如果 gas 消耗完了，那么智能合约就必须停止，交易也会被撤销，如果智能合约执行完成， gas 还有剩余，就会退还给用户。

需要特别说明的是，即使交易失败，用户也需要支付 gas 费用，因为以太坊为这些错误的交易也付出了计算资源。

除了这点之外，gas 还可以用来激励矿工，用户提交交易所消耗的 gas 费用最后都会给到矿工，矿工会优先去打包那些提供了更高 gas 价格的交易，在以太坊中，如果希望自己的交易早点被打包，可以设置更高的 gas 价格。

g as 机制是以太坊系统的命脉。

gas 本质就是维护以太坊网络安全，这是从两个方面来做到的，一方面通过 gas 来衡量计算量，一方面使用 gas 来吸引更多的矿工，矿工的数量越多，以太坊网络就越安全。

gas 只能用于交易中，用户不会接触到 gas，gas 会在交易的提交的时候直接通过以太币来兑换。

智能合约中，每个操作都会消耗一定的 gas 。每个操作都对应一个 Opcode，下面是一些常见的 gas 消耗，完整的 gas 消耗说明看这里：https://github.com/crytic/evm-opcodes

以太坊中的交易最后会被确认，打包成区块，这样交易才算是完成，但是在一个区块中，可以打包的交易是有限的，以太坊通过 gas 来限制可以打包的交易数。这样就让被打包的机会成为了一个稀缺的资源。

用户提交一个交易后，gas 量可以看做是一个固定的值，矿工为了做到最大收益，就会选择那些 gas 价格更高的交易。

很多以太坊的用户经常吐槽 gas 费过高，其实这里的过高不是指 gas 本身过高，而是指 gas 对应的以太坊价格过高。

因为 Gas 的价格不是固定的，而是波动的，简单来说就是根据供需关系来决定的，如果同时需要用以太坊的用户多，那么Gas 的价格就贵，如果用户的人少，那么 Gas 的费用就会少。

以太币的最基本单位是 wei，1 ETH = 10 ^18 wei，而衡量 gas 价格的单位则是 gwei，1 ETH = 10 ^ 9 gwei。

在提交交易的时候，需要设定两个参数，一个是 gas 的最大消耗量（gas limited）和 gas 的价格，gas 的消耗量通常情况下会比较固定，不会有太大的变化，主要是 gas 的价格会波动很大。

在上面我们说到矿工会挑选那些 gas 费用比较高的交易进行打包。所以 gas 的价格设置得越高，那么总的 gas 费用就会越高。如果想让当前的交易尽快被确认，那么就需要设置一个当前相对来说比较高的 gas 价格。

其实对当前 gas 价格最清楚的就是那些矿工，所以矿工们也提供了一些服务，让用户可以实时地了解到当前 gas 价格的分布。比如 GasNow 就是一个比较常用的服务，现在很多钱包中都在使用这个来为钱包的用户提供 gas 价格建议。

如果你提交的交易不紧急，那么使用当前的平均 gas 价格就可以，如果需要提交紧急的交易，那么就需要设置更高的 gas 价格。

文 / Rayjun

③ 以太坊的智能合约

智能合约是运行在计算机里面的，用于保证让参与方执行承诺的代码，般情况下，普通合约上记录了甲方与乙方各方面的关系条款，并通常是通过法律强制执行或保护的，而“智能合约”则是用密码或密钥来执行关系。以更加直接的角度来理解的话，即“智能合约”的程序内容将同-开始大家一起设定好的那样百分百执行，并且零差错。

举个例子，以太坊用户可以使用智能合约在特定日期向朋友发送10个以太币。在这种情况下，用户可以操作创建一个合约，然后将程序推人该合约中进行特殊计算，以便它能够执行所需的命令。而以太坊就是专门把精力集中在这件事上的这么一个平台。

比特币是第一个支持“智能契约”的资源币种，因为网络的价值在于把价值或数据从一个点或人转移到另一个点或人身上。节点网络只在满足某些条件时才会进行验证，但是，比特币仅限于货币用例。相反，以大坊取代了比特币那种带有不小限制性的编程语言，取而代之的是一种允许开发人员编写自己程序的语言。以太坊允许开发人员编写他们自己的“智能契约”，即“自主代理”或“自治代理”，正如ETH白皮书所称的那样。该编程语言是“图灵完备”语言，这意味着它支持一组更广泛的计算指令。智能合约能做些什么呢？

1.“多签名”账户功能，只有在一定比例的人同意时才能使用资金。这个功能经常用在与众筹或募捐类似的活动中。

2.管理用户之间所签订的协议。例如，一方从另一方购买保险服务3.为其他合同提供实用程序。

4.存储有关应用程序的信息，如“域注册信息”或“会员信息记录”。概念有时候比较晦涩，我们举一个募捐的智能合约的例子来帮助理解：假设我们想向全网用户发起募捐，那就可以先定义一个智能账户，它有三个状态：当前募捐总量，捐款目标和被捐赠人的地址，然后给它定义两个函数：接收募捐函数和捐款函数。

接收募捐函数每次收到发过来的转账请求，先核对下发送者是否有足够多的钱(EVM会提供发送请求者的地址，程序可以通过地址获取到该人当前的区块链财务状况)，然后每次募捐丽数调用时，都会比较下当前募捐总量跟捐款目标的比较，如果超过目标，就把当前收到的捐款全部发送到指定的被捐款人地址，否则的话，就只更新当前募捐总量状态值。

捐款函数将所有捐款发送到保存的被捐赠人地址，并且将当前捐款总量清零。每一个想要募捐的人，用自己的ETH地址向该智能账户发起一笔转账，并且指明了要调用接受其募捐函数。于是我们就有一个募捐智能合约了，人们可以往里面捐款，达到限额后钱会自动发送到指定账户，全世界的矿工都在为这个合约进行计算和担保，不再需要人去盯着看有没有被挪用，这就是智能合约的魅力所在。

④ 以太坊技术系列-以太坊数据结构

本篇文章和大家介绍一下以太坊的数据结构，上篇文章我们提到，以太坊为了实现智能合约这一功能，使用了基于账户的模型。我们来看看以太坊中数据结构。

既然是基于账户的模型，我们需要通过账户地址找到账户的状态。就像通过银行卡号可以找到你在银行中的各种信息一样。最简单的想法当然是一个简单的哈希表 key是账户地址 value是账户状态。但这里有个问题解决不了。

轻节点如何校验账户合法性？

上篇我们说过，区块链中有2类节点，全节点和轻节点，轻节点只会存储block header，所以轻节点如何才能校验账号是否合法呢？

这个思路和我们平时用的md5校验一致，我们会对区块内的信息进行hash运算从而得出区块内信息唯一确定的值，区块链所有节点中这个值都是相同的。

在这个过程中我们用到了一种数据结构Merkle Tree（哈希树），我们先看下Merkle Tree（哈希树）的示意图。

上篇文章说到区块链中的链表(哈希链)和我们平时常见链表不同的是将指针从地址改为了hash指，这里也一样，哈希树和二叉树的区别有2个

1.将地址改为了哈希值

2.只有叶子节点存储数据

回到之前的问题轻节点是如何校验1个账户或交易是否是在链上的呢？

整个流程如上图所示

1.轻节点需要判断1个账号是否合法

2.轻节点由于只存储block header，所以拿到1个账号的时候会向全节点发出请求

3.全节点存储了所有账户状态，将账户路径中的需要计算用到的hash值返回给轻节点

4.轻节点本地进行计算根hash值，如果计算结果和自己存储一致则账户合法，不一致则不合法。

那以太坊中的账户信息的数据结构就是这样吗？

直接用这样的数据结构来存储账户信息会有2个问题

查找困难

生成hash值不确定

第1个问题应该比较容易发现，在这个树中寻找1个账号需要的复杂度是O(n),因为没有任何顺序。

第2个问题其实也是因为无序导致的，无序的组合每个节点针对同一批账户生成的hash值不一致，这就导致无法达成共识。

既然2个问题都和顺序有关，那我们类似二叉排序树一样，使用哈希排序树是不是就可以解决问题了呢？

使用排序树后会带来另外1个问题

插入困难

因为要维持树是有序的，很可能带来树结构的很大变动。

以太坊中使用了另外一种数据结构字典树。和哈希树不同，字典树应该是很多地方都有使用。我们简单来看下字典树的结构。

字典树能够较好地解决哈希树的2个缺点1.查找困难 2.生成的hash值不确定以及排序二叉树的1个缺点 插入困难。

但字典树我们可以看到可能树的深度可能由于部分元素导致整棵树深度非常深。

这时我们可以进一步优化，将相同路径进行压缩。这就是压缩字典树。

将哈希树和压缩字典树结合，就可以得到以太坊存储账户的最终数据结构-MPT。

将压缩字典树里面的指针从地址改为指针，并且将数据存储在叶子节点中即可。

介绍完状态树的数据结构，我们接下来讨论1个问题，区块中存储的账户状态是什么样的范围。有2种选择。

只保存当时区块中产生交易的账户状态。

保存全局所有的账户。

我们可以看下这2种方式，无非就是空间和时间的平衡，只保存当前区块产生的交易意味着是做懒加载(需要的时候才去寻找账户)，在区块链中这个代价是非常大的，因为寻找的账户之前从未交易过，这样会遍历整个区块链。另外一种保存全局的账户方式虽然看起来空间消耗较大，但查找快捷，而且空间的问题我们可以通过其他方式优化。所以最终以太坊选择了第2种每个区块都报错全局所有账户的方式。

我们来看下以太坊中是如何保存状态树的。

可以看到以太坊中虽然每个区块都保存了全部账户，但是会将未发生变化的账户状态指向前1个节点，本身只存储发生变化的状态，这样可以较大程度优化空间占用。

介绍完以太坊中比较复杂的状态树后，我们继续来看看以太坊中的另外两棵树，交易树和收据树。

首先介绍一下，为什么需要交易树&收据树。

1.交易树

虽然以太坊是基于账户的模型，但是就像银行不仅会存储银行卡的余额，还会存储卡中的每笔钱怎么来的以及怎么花的。交易树中就存储着当前区块中的包含的所有交易。

2.收据树

由于智能合约的引入增加了不少复杂性，所以以太坊用收据树存储着一些交易操作的额外信息。比如交易过程中执行日志就包含在收据树中方便查询。收据树和交易树是一一对应的。每发生一次交易就会有一次收据。

和状态树不同交易树和收据树只维护当前区块内发生的交易，因为当时区块发生交易时不需要再去查找另外1个交易，也就之前需要可能遍历整个区块链的查找操作了。

由于以太坊中的出块速度较快，我们进行一些查询一些符合条件交易的时候会面临大量数据遍历困难的问题。收据树中引入了布隆过滤器可以帮助我们有效缓解这一困难。

布隆过滤器将大集合中每个元素进行hash运算映射到1个较小的集合，这时再来1个元素要判断是否在大集合的时候，不需要遍历整个大集合，而是去进行hash运算去小集合中寻找是否存在，如果不存在，肯定不在大集合中，如果存在则不能说明任何问题。

如上图所示，布隆过滤器只能证明某1个元素不在集合中，不能证明1个元素在结合中。

以太坊中如果我们要在较多区块中寻找某1个交易，则可以利用布隆过滤器，过滤掉肯定不存在目标交易的区块，然后进入收据树内继续利用布隆过滤器筛选，剩下的才是可能的目标交易的交易，进行一一比对即可。

我们介绍了以太坊的核心数据结构，状态树&交易树&收据树，他们都是使用相同的数据结构-哈希压缩字典树。但状态树是维护1颗全局账户树，交易树和收据树则是维护本区块内的交易或收据。

介绍完数据结构后，后面我们会用几篇文章来介绍以太坊中的一些核心算法，比如共识机制，挖矿算法等。

⑤ 以太坊的智能合约是什么意思

以太坊智能合约是指，部署在以太坊上的智能合约，是一段程序，运行在以太坊的虚拟机EVM中，程序可以按照事先约定的某种规则自动执行操作，执行合约的条款。

同时，智能合约对接收到的信息进行反应，它既可以接收和储存价值，也可以向外发送信息和价值。

介绍

以太坊创始人V神指出过，以太坊智能合约中的“‘合约’不应被理解为需要执行或遵守的东西，而应看成是存在于以太坊执行环境中的‘自治代理’（autonomous agents），它拥有自己的以太坊账户，它们收到交易信息后就相当于被捅了一下，然后自动执行一段代码。”

智能合约可以调用其它的智能合约，这就是开启创立自治代理的能力，代理可以自己进行交易。在区块链上，我们存储的信息都是“状态”，而智能合约就是它用于状态转换的方式。