EVM智能合約Gas費用優化指南

在以太坊網路上，Gas費用一直是令用戶頭疼的問題,特別是在網路擁堵時期。在交易高峯期,用戶往往需要支付高昂的費用才能完成交易。因此,在智能合約開發階段進行Gas費用優化尤爲重要。優化Gas消耗不僅可以有效降低交易成本,還能提升交易效率,爲用戶帶來更經濟高效的區塊鏈使用體驗。

本文將概述以太坊虛擬機(EVM)的Gas費機制、Gas費優化的核心概念,以及智能合約開發中Gas費優化的最佳實踐。希望這些內容能爲開發者提供有益的參考,同時也幫助普通用戶更好地理解EVM的Gas費用運作方式,共同應對區塊鏈生態中的挑戰。

EVM的Gas費機制簡介

在兼容EVM的網路中,Gas是用來衡量執行特定操作所需計算能力的單位。

EVM的結構布局中,Gas消耗主要分爲三部分:操作執行、外部消息調用以及內存和存儲的讀寫。

每筆交易的執行都需要消耗計算資源,因此會收取一定費用以防止無限循環和拒絕服務(DoS)攻擊。完成一筆交易所需的費用就是所謂的Gas費。

自EIP-1559實施以來,Gas費通過以下公式計算:

Gas費 = 使用的Gas單位 * (基礎費 + 優先費)

其中基礎費會被銷毀,優先費則作爲激勵,鼓勵驗證者將交易添加到區塊鏈中。設置更高的優先費可以提高交易被打包進下一個區塊的概率。

理解EVM中的Gas優化

當使用Solidity編譯智能合約時,合約會被轉換爲一系列操作碼(opcodes)。

每段操作碼(如創建合約、進行消息調用、訪問帳戶存儲等)都有固定的Gas消耗成本。這些成本記錄在以太坊黃皮書中,但隨着多次EIP的修改,部分操作碼的Gas成本已有所調整。

Gas優化的基本概念

Gas優化的核心理念是在EVM區塊鏈上優先選擇成本效率高的操作,避免Gas成本昂貴的操作。

在EVM中,以下操作成本較低:

• 讀寫內存變量
• 讀取常量和不可變變量
• 讀寫本地變量
• 讀取calldata變量
• 內部函數調用

成本較高的操作包括:

• 讀寫存儲在合約存儲中的狀態變量
• 外部函數調用
• 循環操作

EVM Gas費用優化最佳實踐

1. 盡量減少存儲的使用

在Solidity中,Storage(存儲)是一種有限資源,其Gas消耗遠高於Memory(內存)。每次智能合約從存儲中讀取或寫入數據時,都會產生高額的Gas成本。

根據以太坊黃皮書,存儲操作的成本比內存操作高出100倍以上。例如,mload和mstore指令僅消耗3個Gas單位,而sload和sstore即使在最理想情況下成本也至少需要100個單位。

限制存儲使用的方法包括:

• 將非永久性數據存儲在內存中
• 減少存儲修改次數:將中間結果保存在內存中,待所有計算完成後,再將結果分配給存儲變量。

2. 變量打包

智能合約中Storage slot(存儲槽)的數量以及數據表示方式會極大影響Gas費消耗。

Solidity編譯器會在編譯過程中將連續的存儲變量打包,以32字節的存儲槽作爲變量存儲的基本單位。變量打包是指通過合理安排變量,使多個變量能夠適配到單個存儲槽中。

通過這種調整,開發者可以節省大量Gas單位。由於每個存儲槽都會消耗Gas,變量打包通過減少所需存儲槽的數量來優化Gas的使用。

3. 優化數據類型

選擇合適的數據類型有助於優化Gas的使用。

例如,在Solidity中,整數可以細分爲不同的大小:uint8、uint16、uint32等。由於EVM是以256位爲單位執行操作,使用uint8意味着EVM必須先將其轉換爲uint256,而這種轉換會額外消耗Gas。

然而,如果能夠將四個uint8變量打包到一個存儲槽中,那麼迭代它們的總成本將比四個uint256變量更低。這樣,智能合約就可以讀寫一次存儲槽,並在一次操作中將四個uint8變量放入內存/存儲中。

4. 使用固定大小變量替代動態變量

如果數據可以控制在32字節內,建議使用bytes32數據類型替代bytes或strings。一般來說,固定大小的變量比可變大小的變量消耗的Gas更少。如果字節長度可以限制,盡量選擇從bytes1到bytes32的最小長度。

5. 映射與數組

Solidity的數據列表可以用兩種數據類型表示:數組(Arrays)和映射(Mappings)。

映射在大多數情況下效率更高而成本更低,但數組具有可迭代性且支持數據類型打包。因此,建議在管理數據列表時優先使用映射,除非需要迭代或可以通過數據類型打包優化Gas消耗。

6. 使用calldata代替memory

函數參數中聲明的變量可以存儲在calldata或memory中。兩者的主要區別在於,memory可以被函數修改,而calldata是不可變的。

如果函數參數是只讀的,應優先使用calldata而非memory。這樣可以避免從函數calldata到memory的不必要復制操作。

7. 盡可能使用Constant/Immutable關鍵字

Constant/Immutable變量不會存儲在合約的存儲中。這些變量會在編譯時計算,並存儲在合約的字節碼中。因此,與存儲相比,它們的訪問成本要低得多,建議盡可能使用Constant或Immutable關鍵字。

8. 在確保不會發生溢出/下溢時使用Unchecked

當開發者能夠確定算術操作不會導致溢出或下溢時,可以使用Solidity v0.8.0引入的unchecked關鍵字,避免多餘的溢出或下溢檢查,從而節省Gas成本。

此外,0.8.0及以上版本的編譯器已不再需要使用SafeMath庫,因爲編譯器本身已內置了溢出和下溢保護功能。

9. 優化修改器

修改器的代碼被嵌入到被修改過的函數中,每次使用修改器時,其代碼都會被復制。這會增加字節碼的大小並提高Gas消耗。

通過將邏輯重構爲內部函數,允許在修改器中重復使用該內部函數,可減少字節碼大小並降低Gas成本。

10. 短路優化

對於||和&&運算符,邏輯運算會發生短路評估,即如果第一個條件已經能夠確定邏輯表達式的結果,則不會評估第二個條件。

爲了優化Gas消耗,應將計算成本低廉的條件放在前面,這樣可以有可能跳過成本高昂的計算。

附加一般性建議

1. 刪除無用代碼

如果合約中存在未使用的函數或變量,建議將其刪除。這是減少合約部署成本並保持合約體積小最直接的方法。

一些實用建議:

• 使用最高效的算法進行計算。
• 刪除未使用的計算過程。
• 使用delete關鍵字刪除不再需要的變量,或將其設置爲默認值。
• 優化循環:避免高成本的循環操作,盡可能合並循環,並將重復計算移出循環體。

2. 使用預編譯合約

預編譯合約提供復雜的庫函數,例如加密和散列操作。由於代碼不是在EVM上運行,而是在客戶端節點本地運行,因此需要的Gas更少。使用預編譯合約可以通過減少執行智能合約所需的計算工作量來節省Gas。

預編譯合約的示例包括橢圓曲線數字籤名算法(ECDSA)和SHA2-256哈希算法。

3. 使用內聯匯編代碼

內聯匯編允許開發者編寫可由EVM直接執行的低級卻高效的代碼,而無須使用昂貴的Solidity操作碼。內聯匯編還允許更精確地控制內存和存儲的使用,從而進一步減少Gas費。此外,內聯匯編可以執行一些僅使用Solidity難以實現的復雜操作,爲優化Gas消耗提供更多靈活性。

然而,使用內聯匯編也可能帶來風險並容易出錯。因此,應謹慎使用,僅限經驗豐富的開發者操作。

4. 使用Layer解決方案

使用Layer解決方案可以減少需要在以太坊主網上存儲和計算的數據量。

像rollups、側鏈和狀態通道等Layer解決方案能夠將交易處理從主以太坊鏈上卸載,從而實現更快和更便宜的交易。

通過將大量交易捆綁在一起,這些解決方案減少了鏈上交易的數量,從而降低了Gas費用。使用Layer解決方案還可以提高以太坊的可擴展性,使更多用戶和應用能夠參與網路,而不會導致網路超載引起擁堵。

5. 使用優化工具和庫

有多個優化工具可供使用,例如solc優化器、Truffle的構建優化器和Remix的Solidity編譯器。

這些工具可以幫助最小化字節碼的大小、刪除無用代碼,並減少執行智能合約所需的操作次數。結合其他Gas優化庫,如"solmate",開發者可以有效地降低Gas成本並提高智能合約的效率。

結論

優化Gas消耗是開發者的重要步