以太坊虛擬機器棧操作指令

上一篇文章對EVM和它的指令集進行了簡單介紹，本文將介紹POP指令、PUSHx系列指令、DUPx系列指令、SWAPx系列指令。這些指令只對EVM棧進行單純的操作，它們的操作碼分佈如下圖所示：

POP指令

POP指令（操作碼0x50）從棧頂彈出一個元素。下面是POP指令的操作示意圖（白色表示元素即將發生變動）：

PUSHx指令

PUSH系列指令把緊跟在指令後面的N（1 ～ 32）位元組元素推入棧頂。PUSH系列指令一共有32條，從PUSH1（操作碼0x60）一直到PUSH32（操作碼0x7A）。EVM是大端機器，以PUSH2指令為例，下面是該指令的操作示意圖（不完整的灰色紙帶表示位元組碼）：

DUPx指令

DUP系列指令複製從棧頂開始數的第N（1 ～ 16）個元素，並把複製後的元素推入棧頂。DUP系列指令一共有16條，從DUP1（操作碼0x80）一直到DUP16（操作碼0x8A）。比如PUSH1指令複製棧頂元素，如下圖所示：

下面是DUP2指令的操作示意圖：

SWAPx指令

SWAP系列指令把棧頂元素和從棧頂開始數的第N（1 ～ 16）+ 1 個元素進行交換。SWAP系列指令一共有16條，從SWAP1（操作碼0x90）一直到SWAP16（操作碼0x9A）。比如SWAP1指令交換位於棧頂的兩個元素，如下圖所示：

下面是SWAP2指令的操作示意圖：

例項分析

我們用Solidity語言編寫一個簡單的智慧合約，看看以上這些指令是如何應用的：

// stack_demo.sol
pragma solidity ^0.4.24;

contract C {
    function foo() public view {
        uint32 x = 3;
        uint32 y = 4;
        uint32 z = x + y;
    }
}

用solc --asm stack_demo.sol命令編譯上面的智慧合約，觀察編譯器生產的彙編程式碼（下面僅給出部分輸出）：

ASM

    tag_5:
        /* "stack_demo.sol"
 
:80:88  uint32 x */
      0x0
        /* "stack_demo.sol":102:110  uint32 y */
      dup1
        /* "stack_demo.sol":124:132  uint32 z */
      0x0
        /* "stack_demo.sol":91:92  3 */
      0x3
        /* "stack_demo.sol":80:92  uint32 x = 3 */
      swap3
      pop
        /* "stack_demo.sol":113:114  4 */
      0x4
        /* "stack_demo.sol":102:114  uint32 y = 4 */
      swap2
      pop
        /* "stack_demo.sol":139:140  y */
      dup2
        /* "stack_demo.sol":135:136  x */
      dup4
        /* "stack_demo.sol":135:140  x + y */
      add
        /* "stack_demo.sol":124:140  uint32 z = x + y */
      swap1
      pop
        /* "stack_demo.sol":43:147  function foo() public view {... */
      pop
      pop
      pop
      jump  // out

我們暫時忽略ADD指令和JUMP指令，下面是指令操作示意圖（指令從左到右執行，指令上面是指令操作之後的棧狀態）：

總結

本文介紹了EVM棧操作指令，下一篇文章將介紹EVM算術運算指令。如果大家對程式語言虛擬機器有更多的興趣，請關注我寫的《自己動手寫Java虛擬機器》，以及馬上將要出版的《自己動手實現Lua：虛擬機器、編譯器、標準庫》。