深入解析以太坊虚拟机与 Ewasm 的未来发展

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以太坊是一个内置图灵完备编程语言的区块链平台，任何人都可以通过以太坊智能合约创建去中心化应用程序。

“以太坊虚拟机（EVM）是处理智能合约部署和执行的核心组件”（Antonopoulos and Wood，2018）。

EVM 采用基于堆栈的架构。部署智能合约前，所有高级智能合约代码需首先编译为机器可读的字节码。EVM 通过后进先出（LIFO）机制处理字节码中的操作码序列，其运行逻辑类似于 Java 虚拟机（JVM）——每条指令以单字节操作码起始，后接参数（若有），数值按大端序排列（Scott，2009）。

本文旨在解析以太坊基于堆栈的 EVM 内部运行机制。了解这些基础知识后，我们将进一步探讨以太坊如何通过过渡到 WebAssembly（Wasm）实现更广阔的发展前景。

什么是 WebAssembly（Wasm）？

WebAssembly（简称 Wasm）是一种可在现代浏览器中运行的新型代码格式，具有卓越的性能和跨平台能力。Wasm 被设计为 C、C++ 和 Rust 等低级语言的编译目标（MDN Web Docs，2019）。

以太坊与 WebAssembly：Ewasm 的诞生

以太坊 WebAssembly（Ewasm）是基于标准 Wasm 虚拟机构建的确定性智能合约执行引擎。作为替代 EVM 的主要候选方案，Ewasm 已被纳入以太坊 2.0 “Serenity” 的路线图，甚至有提案建议将其应用于以太坊主网（ewasm，2019）。

当前 EVM 架构是限制其性能的主要因素之一（GitHub EIP48，2019）。例如，虽然 256 位字长有助于原生哈希和椭圆曲线计算（Antonopoulos and Wood，2018），但也导致从 EVM 操作码到硬件指令的转换过程异常复杂。采用更接近硬件架构的设计将显著提升以太坊性能（GitHub EIP48，2019）。

Ewasm 的另一设计目标是支持多种智能合约开发语言和工具，包括 LLVM、C、C++、Rust 和 JavaScript。理论上，任何可编译为 Wasm 的语言都可编写智能合约，只需实现 Ewasm 合约接口（ECI）和 以太坊环境接口（EEI）（ewasm，2019）。

智能合约基础

智能合约在以太坊执行环境中充当“自治代理”，当被消息或交易触发时，执行预定义的代码段，并管理自身的以太币余额及持久化键值存储（Buterin，2013）。

诸如 Solidity、Vyper 和 Lity 等高级智能合约语言均配备独立编译器，可将源代码编译为多种输出格式，包括应用程序二进制接口（ABI）、字节码流和操作码。

智能合约编译流程

在本地安装编译器前，建议先使用基于 Web 的编译环境例如 BUIDL，以节省时间。

以 Simple Storage 合约为例，使用在线编译器可立即生成 ABI 和字节码。如需通过命令行完成相同操作，可参考文末附录 A。

字节码结构解析

以字节码的前几条指令为例：

60 80 60 40 5234

根据以太坊黄皮书，操作码 0x60 对应 PUSH1 指令，其作用是将一个字节的数据压入堆栈。例如：

随后，操作码 0x52 对应 MSTORE 指令。MSTORE 是内存操作指令，用于将一个 256 位字存入内存，其执行过程会消耗堆栈顶部的两个元素：第一个元素指定存储地址（如 0x40），第二个元素为待存储数据（如 0x80）。

EVM 的字长为 256 位（Antonopoulos and Wood，2018），此处的“字”可能代表账户地址或其他数据。

接下来，操作码 0x34 对应 CALLVALUE 指令，该指令从执行环境中获取交易转账的以太币数额，并将其压入堆栈。

部署字节码与运行时字节码

需注意区分部署字节码和运行时字节码：

运行时字节码中的每个函数可通过 4 字节的函数签名识别。例如函数 set(uint256) 的签名可通过以下方式计算：

// web3.js 示例
var selectorHash = web3.sha3("set(uint256)").substring(0, 10);
// 返回 0x60fe47b1

该签名可在字节码中直接定位。

Ewasm 实施方案

从高级智能合约代码到 Ewasm 的编译路径多样且复杂。Second State 团队开发的 Soll 编译器实现了从 Solidity 到 Ewasm 的转换。

在 Crosslink（台北）和 Devcon5（大阪）等重要会议上，Second State 展示了其在 Ewasm 领域的进展：

与 Solidity 团队 Christian Reitwiessner 的讨论进一步明确了未来发展方向：在完成 Solidity→LLVM→Ewasm 原型后，重点转向实现 Yul→LLVM→Ewasm 的编译路径。

Yul：以太坊中间语言

Yul 是以太坊特定的中间语言，未来将获得 Solidity 和 Vyper 编译器的全面支持。其设计兼容 EVM 1.0、EVM 1.5 和 Ewasm，核心特性包括函数、区块、变量、字面量、循环和条件语句等（Solidity-Yul，2019）。

“Yul 后端负责生成特定字节码，保留 evm_ 和 ewasm_ 前缀区分不同目标平台”（Solidity-Yul，2019）。

从 Solidity 到 Ewasm 的编译路径

编译 Solidity 为 Yul

使用 Solidity 编译器的 --ir 选项可生成 Yul 中间表示（IR）：

solc --ir contract.sol

编译 Yul 为 Ewasm

将 Yul 代码编译为 Ewasm 需完成以下步骤：

  1. 将 256 位变量拆分为 4 个 64 位变量
  2. 处理字节序转换（EVM 为大端序，Wasm 为小端序）
  3. 通过函数库实现每个 EVM 操作码的 Ewasm 等效功能

Christian Reitwiessner 在 Devcon5 演示的 代码示例 展示了 MSTORE 函数的 Ewasm 实现：

function mstore(x1, x2, x3, x4, y1, y2, y3, y4) {
  let pos := u256_to_i32ptr(x1, x2, x3, x4)
  i64.store(pos, endian_swap(x1))
  i64.store(i64.add(pos, 8), endian_swap(x2))
  i64.store(i64.add(pos, 16), endian_swap(x3))
  i64.store(i64.add(pos, 24), endian_swap(x4))
}

字节序处理

字节序转换至关重要：EVM 采用大端序，而 Wasm 规范要求小端序（webassembly.github.io，2019）。

未来发展与挑战

Ewasm 的实施仍面临多个待解决的问题：

  1. 与 EVM 1.x 的交互：Ewasm 如何访问合约存储、账户余额等状态数据仍在讨论中
  2. 确定性行为：需通过前哨合约拒绝具有非确定性特征的 Wasm 合约
  3. Gas 计量：正在研究基于静态分析的自动上限估计方案

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常见问题

什么是 Ewasm？

Ewasm 是以太坊基于 WebAssembly 虚拟机构建的智能合约执行引擎，旨在提升性能并支持多语言开发，是以太坊 2.0 的重要组成部分。

Ewasm 如何提升以太坊性能？

Ewasm 采用更接近硬件架构的设计，简化指令转换过程，同时支持更多编程语言和优化工具链，显著提高执行效率和开发灵活性。

当前哪些语言支持 Ewasm 合约开发？

理论上任何可编译为 Wasm 的语言均可使用，包括 C、C++、Rust 和 JavaScript。通过实现 ECI 和 EEI 接口，可实现与以太坊环境的交互。

字节序转换为何重要？

因为 EVM 使用大端序而 Wasm 规范要求小端序，正确转换字节序是确保数据存储和检索正确的关键。

Ewasm 会完全取代 EVM 吗？

Ewasm 是目前替代 EVM 的主要候选方案，但具体实施路径和兼容性方案仍在讨论和完善中。

如何参与 Ewasm 开发？

开发者可通过贡献代码、测试网络、参加技术会议等方式参与生态建设，关注官方文档和 GitHub 仓库获取最新信息。

结论

智能合约编译到 Ewasm 的路径多样，Yul 中间语言的使用将为现有编译器提供统一目标，并为 LLVM→Ewasm 编译器提供入口。该路径不仅适用于 Solidity 和 Vyper，还为 Rust 等语言进入以太坊生态打开大门。

“使用 Yul 可重用大多数优化器组件，是重大进步”（Reitwiessner，2019）。

随着技术发展，Ewasm 有望为以太坊带来更高性能、更强兼容性和更丰富的开发环境。

附录 A：命令行编译示例

使用 Lity 编译器编译 Simple Storage 合约：

A.1 获取部署字节码

lityc --bin simple_storage.sol

A.2 获取运行时字节码

lityc --bin-runtime simple_storage.sol

A.3 获取操作码

lityc --opcodes simple_storage.sol

A.4 获取 ABI

lityc --abi simple_storage.sol

附录 B：待讨论议题

  1. 与 EVM 1.x 状态交互：Ewasm 如何访问账户信息、区块数据等状态
  2. 确定性保证：通过前哨合约检测和拒绝非确定性代码
  3. Gas 计量机制：基于静态分析的自动上限估计方案

参考文献