EVM智能合约Gas费用优化指南

在以太坊网络上，Gas费用一直是令用户头疼的问题,特别是在网络拥堵时期。在交易高峰期,用户往往需要支付高昂的费用才能完成交易。因此,在智能合约开发阶段进行Gas费用优化尤为重要。优化Gas消耗不仅可以有效降低交易成本,还能提升交易效率,为用户带来更经济高效的区块链使用体验。

本文将概述以太坊虚拟机(EVM)的Gas费机制、Gas费优化的核心概念,以及智能合约开发中Gas费优化的最佳实践。希望这些内容能为开发者提供有益的参考,同时也帮助普通用户更好地理解EVM的Gas费用运作方式,共同应对区块链生态中的挑战。

EVM的Gas费机制简介

在兼容EVM的网络中,Gas是用来衡量执行特定操作所需计算能力的单位。

EVM的结构布局中,Gas消耗主要分为三部分:操作执行、外部消息调用以及内存和存储的读写。

每笔交易的执行都需要消耗计算资源,因此会收取一定费用以防止无限循环和拒绝服务(DoS)攻击。完成一笔交易所需的费用就是所谓的Gas费。

自EIP-1559实施以来,Gas费通过以下公式计算:

Gas费 = 使用的Gas单位 * (基础费 + 优先费)

其中基础费会被销毁,优先费则作为激励,鼓励验证者将交易添加到区块链中。设置更高的优先费可以提高交易被打包进下一个区块的概率。

理解EVM中的Gas优化

当使用Solidity编译智能合约时,合约会被转换为一系列操作码(opcodes)。

每段操作码(如创建合约、进行消息调用、访问账户存储等)都有固定的Gas消耗成本。这些成本记录在以太坊黄皮书中,但随着多次EIP的修改,部分操作码的Gas成本已有所调整。

Gas优化的基本概念

Gas优化的核心理念是在EVM区块链上优先选择成本效率高的操作,避免Gas成本昂贵的操作。

在EVM中,以下操作成本较低:

• 读写内存变量
• 读取常量和不可变变量
• 读写本地变量
• 读取calldata变量
• 内部函数调用

成本较高的操作包括:

• 读写存储在合约存储中的状态变量
• 外部函数调用
• 循环操作

EVM Gas费用优化最佳实践

1. 尽量减少存储的使用

在Solidity中,Storage(存储)是一种有限资源,其Gas消耗远高于Memory(内存)。每次智能合约从存储中读取或写入数据时,都会产生高额的Gas成本。

根据以太坊黄皮书,存储操作的成本比内存操作高出100倍以上。例如,mload和mstore指令仅消耗3个Gas单位,而sload和sstore即使在最理想情况下成本也至少需要100个单位。

限制存储使用的方法包括:

• 将非永久性数据存储在内存中
• 减少存储修改次数:将中间结果保存在内存中,待所有计算完成后,再将结果分配给存储变量。

2. 变量打包

智能合约中Storage slot(存储槽)的数量以及数据表示方式会极大影响Gas费消耗。

Solidity编译器会在编译过程中将连续的存储变量打包,以32字节的存储槽作为变量存储的基本单位。变量打包是指通过合理安排变量,使多个变量能够适配到单个存储槽中。

通过这种调整,开发者可以节省大量Gas单位。由于每个存储槽都会消耗Gas,变量打包通过减少所需存储槽的数量来优化Gas的使用。

3. 优化数据类型

选择合适的数据类型有助于优化Gas的使用。

例如,在Solidity中,整数可以细分为不同的大小:uint8、uint16、uint32等。由于EVM是以256位为单位执行操作,使用uint8意味着EVM必须先将其转换为uint256,而这种转换会额外消耗Gas。

然而,如果能够将四个uint8变量打包到一个存储槽中,那么迭代它们的总成本将比四个uint256变量更低。这样,智能合约就可以读写一次存储槽,并在一次操作中将四个uint8变量放入内存/存储中。

4. 使用固定大小变量替代动态变量

如果数据可以控制在32字节内,建议使用bytes32数据类型替代bytes或strings。一般来说,固定大小的变量比可变大小的变量消耗的Gas更少。如果字节长度可以限制,尽量选择从bytes1到bytes32的最小长度。

5. 映射与数组

Solidity的数据列表可以用两种数据类型表示:数组(Arrays)和映射(Mappings)。

映射在大多数情况下效率更高而成本更低,但数组具有可迭代性且支持数据类型打包。因此,建议在管理数据列表时优先使用映射,除非需要迭代或可以通过数据类型打包优化Gas消耗。

6. 使用calldata代替memory

函数参数中声明的变量可以存储在calldata或memory中。两者的主要区别在于,memory可以被函数修改,而calldata是不可变的。

如果函数参数是只读的,应优先使用calldata而非memory。这样可以避免从函数calldata到memory的不必要复制操作。

7. 尽可能使用Constant/Immutable关键字

Constant/Immutable变量不会存储在合约的存储中。这些变量会在编译时计算,并存储在合约的字节码中。因此,与存储相比,它们的访问成本要低得多,建议尽可能使用Constant或Immutable关键字。

8. 在确保不会发生溢出/下溢时使用Unchecked

当开发者能够确定算术操作不会导致溢出或下溢时,可以使用Solidity v0.8.0引入的unchecked关键字,避免多余的溢出或下溢检查,从而节省Gas成本。

此外,0.8.0及以上版本的编译器已不再需要使用SafeMath库,因为编译器本身已内置了溢出和下溢保护功能。

9. 优化修改器

修改器的代码被嵌入到被修改过的函数中,每次使用修改器时,其代码都会被复制。这会增加字节码的大小并提高Gas消耗。

通过将逻辑重构为内部函数,允许在修改器中重复使用该内部函数,可减少字节码大小并降低Gas成本。

10. 短路优化

对于||和&&运算符,逻辑运算会发生短路评估,即如果第一个条件已经能够确定逻辑表达式的结果,则不会评估第二个条件。

为了优化Gas消耗,应将计算成本低廉的条件放在前面,这样可以有可能跳过成本高昂的计算。

附加一般性建议

1. 删除无用代码

如果合约中存在未使用的函数或变量,建议将其删除。这是减少合约部署成本并保持合约体积小最直接的方法。

一些实用建议:

• 使用最高效的算法进行计算。
• 删除未使用的计算过程。
• 使用delete关键字删除不再需要的变量,或将其设置为默认值。
• 优化循环:避免高成本的循环操作,尽可能合并循环,并将重复计算移出循环体。

2. 使用预编译合约

预编译合约提供复杂的库函数,例如加密和散列操作。由于代码不是在EVM上运行,而是在客户端节点本地运行,因此需要的Gas更少。使用预编译合约可以通过减少执行智能合约所需的计算工作量来节省Gas。

预编译合约的示例包括椭圆曲线数字签名算法(ECDSA)和SHA2-256哈希算法。

3. 使用内联汇编代码

内联汇编允许开发者编写可由EVM直接执行的低级却高效的代码,而无须使用昂贵的Solidity操作码。内联汇编还允许更精确地控制内存和存储的使用,从而进一步减少Gas费。此外,内联汇编可以执行一些仅使用Solidity难以实现的复杂操作,为优化Gas消耗提供更多灵活性。

然而,使用内联汇编也可能带来风险并容易出错。因此,应谨慎使用,仅限经验丰富的开发者操作。

4. 使用Layer 2解决方案

使用Layer 2解决方案可以减少需要在以太坊主网上存储和计算的数据量。

像rollups、侧链和状态通道等Layer 2解决方案能够将交易处理从主以太坊链上卸载,从而实现更快和更便宜的交易。

通过将大量交易捆绑在一起,这些解决方案减少了链上交易的数量,从而降低了Gas费用。使用Layer 2解决方案还可以提高以太坊的可扩展性,使更多用户和应用能够参与网络,而不会导致网络超载引起拥堵。

5. 使用优化工具和库

有多个优化工具可供使用,例如solc优化器、Truffle的构建优化器和Remix的Solidity编译器。

这些工具可以帮助最小化字节码的大小、删除无用代码,并减少执行智能合约所需的操作次数。结合其他Gas优化库,如"solmate",开发者可以有效地降低Gas成本并提高智能合约的效率。

结论

优化Gas消耗是开发者的重要步