03_StackOp

WTF Opcodes极简入门: 3. 堆栈指令

我最近在重新学以太坊opcodes，也写一个“WTF EVM Opcodes极简入门”，供小白们使用。

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这一讲，我们介绍EVM中的程序计数器（Program Counter）和堆栈指令，同时用Python实现一个简化版的EVM，可以执行PUSH和POP指令。

程序计数器

在EVM中，程序计数器（通常缩写为 PC）是一个用于跟踪当前执行指令位置的寄存器。每执行一条指令（opcode），程序计数器的值会自动增加，以指向下一个待执行的指令。但是，这个过程并不总是线性的，在执行跳转指令（JUMP和JUMPI）时，程序计数器会被设置为新的值。

下面我们使用Python创建一个简单的EVM程序计数器：

class EVM:
    # 初始化
    def __init__(self, code):
        self.code = code # 初始化字节码，bytes对象
        self.pc = 0  # 初始化程序计数器为0
        self.stack = [] # 堆栈初始为空

    # 获取当前指令
    def next_instruction(self):
        op = self.code[self.pc]  # 获取当前指令
        self.pc += 1  # 递增
        return op

    def run(self):
        while self.pc < len(self.code):
            op = self.next_instruction() # 获取当前指令

上面的示例代码很简单，它的功能就是利用程序计数器遍历字节码中的opcode，在接下来的部分，我们将为它添加更多的功能。

code = b"\x01\x02\x03"
evm = EVM(code)
evm.run()

堆栈指令

EVM是基于堆栈的，堆栈遵循 LIFO（后入先出）原则，最后一个被放入堆栈的元素将是第一个被取出的元素。PUSH和POP指令就是用来操作堆栈的。

PUSH

在EVM中，PUSH是一系列操作符，共有32个（在以太坊上海升级前），从PUSH1，PUSH2，一直到PUSH32，操作码范围为0x60到0x7F。它们将一个字节大小为1到32字节的值从字节码压入堆栈（堆栈中每个元素的长度为32字节），每种指令的gas消耗都是3。

以PUSH1为例，它的操作码为0x60，它会将字节码中的下一个字节压入堆栈。例如，字节码0x6001就表示把0x01压入堆栈。PUSH2就是将字节码中的下两个字节压入堆栈，例如，0x610101就是把0x0101压入堆栈。其他的PUSH指令类似。

以太坊上海升级新加入了PUSH0，操作码为0x5F（即0x60的前一位），用于将0压入堆栈，gas消耗为2，比其他的PUSH指令更省gas。

下面我们用python实现PUSH0到PUSH32，主要逻辑见push()和run()函数:

PUSH0 = 0x5F
PUSH1 = 0x60
PUSH32 = 0x7F

class EVM:
    def __init__(self, code):
        self.code = code # 初始化字节码，bytes对象
        self.pc = 0  # 初始化程序计数器为0
        self.stack = [] # 堆栈初始为空

    def next_instruction(self):
        op = self.code[self.pc]  # 获取当前指令
        self.pc += 1  # 递增
        return op

    def push(self, size):
        data = self.code[self.pc:self.pc + size] # 按照size从code中获取数据
        value = int.from_bytes(data, 'big') # 将bytes转换为int
        self.stack.append(value) # 压入堆栈
        self.pc += size # pc增加size单位

    def run(self):
        while self.pc < len(self.code):
            op = self.next_instruction()

            if PUSH1 <= op <= PUSH32:
                size = op - PUSH1 + 1
                self.push(size)
            elif op == PUSH0:
                self.stack.append(0)

字节码0x60016001（PUSH1 1 PUSH1 1）会将两个1压入堆栈，下面我们执行一下：

code = b"\x60\x01\x60\x01"
evm = EVM(code)
evm.run()
print(evm.stack)
# output: [1, 1]

你也可以在evm.codes上验证（注意要把字节码开头的0x去掉）：

POP

在EVM中，POP指令（操作码0x50，gas消耗2）用于移除栈顶元素；如果当前堆栈为空，就抛出一个异常。

下面我们将POP指令加入到之前的代码中，主要逻辑见pop()和run()函数:

PUSH0 = 0x5F
PUSH1 = 0x60
PUSH32 = 0x7F
POP = 0x50

class EVM:
    def __init__(self, code):
        self.code = code # 初始化字节码，bytes对象
        self.pc = 0  # 初始化程序计数器为0
        self.stack = [] # 堆栈初始为空

    def next_instruction(self):
        op = self.code[self.pc]  # 获取当前指令
        self.pc += 1  # 递增
        return op

    def push(self, size):
        data = self.code[self.pc:self.pc + size] # 按照size从code中获取数据
        value = int.from_bytes(data, 'big') # 将bytes转换为int
        self.stack.append(value) # 压入堆栈
        self.pc += size # pc增加size单位

    def pop(self):
        if len(self.stack) == 0:
            raise Exception('Stack underflow')
        return self.stack.pop() # 弹出堆栈

    def run(self):
        while self.pc < len(self.code):
            op = self.next_instruction()

            if PUSH1 <= op <= PUSH32: # 如果为PUSH1-PUSH32
                size = op - PUSH1 + 1
                self.push(size)
            elif op == PUSH0: # 如果为PUSH0
                self.stack.append(0)
            elif op == POP: # 如果为POP
                self.pop()

字节码0x6001600150（PUSH1 1 PUSH1 1 POP）会将两个1压入堆栈，然后再弹出一个1。下面我们执行一下：

code = b"\x60\x01\x60\x01\x50"
evm = EVM(code)
evm.run()
evm.stack
# output: [1]

你也可以在evm.codes上验证（注意要把字节码开头的0x去掉）：

总结

这一讲，我们主要介绍了EVM中的程序计数器和堆栈指令，特别是PUSH和POP指令。并且参考evm-from-scratch，我们使用Python实现了一个简化版的EVM，能够处理PUSH和POP指令。在后续的教程中，我们将继续探索更多的opcodes，从而进一步完善我们的EVM实现。