09_FlowOp

WTF Opcodes极简入门: 9. 控制流指令

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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在这一讲，我们将介绍EVM中用于控制流的5个指令，包括STOP，JUMP，JUMPI，JUMPDEST，和PC。我们将在用Python写的极简版EVM中添加对这些操作的支持。

EVM中的控制流

我们在第三讲介绍了程序计数器（Program Counter，PC），而EVM的控制流是由跳转指令（JUMP，JUMPI，JUMPDEST）控制PC指向新的指令位置而实现的，这允许合约进行条件执行和循环执行。

STOP（停止）

STOP是EVM的停止指令，它的作用是停止当前上下文的执行，并成功退出。它的操作码是0x00，gas消耗为0。

将STOP操作作码设为0x00有一个好处：当一个调用被执行到一个没有代码的地址（EOA），并且EVM尝试读取代码数据时，系统会返回一个默认值0，这个默认值对应的就是STOP指令，程序就会停止执行。

下面，让我们在run()函数中添加对STOP指令的处理：

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

        # ... 其他指令的处理 ...

        elif op == STOP: # 处理STOP指令
            print('Program has been stopped')
            break # 停止执行

现在，我们可以尝试运行一个包含STOP指令的字节码：

# STOP
code = b"\x00"
evm = EVM(code)
evm.run()
# output: Program has been stopped

JUMPDEST（跳转目标）

JUMPDEST指令标记一个有效的跳转目标位置，不然无法使用JUMP和JUMPI进行跳转。它的操作码是0x5b，gas消耗为1。

但是0x5b有时会作为PUSH的参数（详情可看黄皮书中的9.4.3. Jump Destination Validity），所以需要在运行代码前，筛选字节码中有效的JUMPDEST指令，使用ValidJumpDest 来存储有效的JUMPDEST指令所在位置。

def findValidJumpDestinations(self):
    pc = 0

    while pc < len(self.code):
        op = self.code[pc]
        if op == JUMPDEST:
            self.validJumpDest[pc] = True
        elif op >= PUSH1 and op <= PUSH32:
            pc += op - PUSH1 + 1
        pc += 1

def jumpdest(self):
    pass

JUMP（跳转）

JUMP指令用于无条件跳转到一个新的程序计数器位置。它从堆栈中弹出一个元素，将这个元素设定为新的程序计数器（pc）的值。操作码是0x56，gas消耗为8。

def jump(self):
    if len(self.stack) < 1:
        raise Exception('Stack underflow')
    destination = self.stack.pop()
    if destination not in self.validJumpDest:
        raise Exception('Invalid jump destination')
    else:  self.pc = destination

我们在run()函数中添加对JUMP和JUMPDEST指令的处理：

elif op == JUMP: 
    self.jump()
elif op == JUMPDEST: 
    self.jumpdest()

现在，我们可以尝试运行一个包含JUMP和JUMPDEST指令的字节码：0x600456005B（PUSH1 4 JUMP STOP JUMPDEST）。这段字节码将4推入堆栈，然后进行JUMP，跳转到pc = 4的位置，该位置正好是JUMPDEST指令，跳转成功，程序没有被STOP指令中断。

# JUMP
code = b"\x60\x04\x56\x00\x5b"
evm = EVM(code)
evm.run()
print(evm.pc)  
# output: 5

JUMPI（条件跳转）

JUMPI指令用于条件跳转，它从堆栈中弹出两个元素，如果第二个元素（条件，condition）不为0，那么将第一个元素（目标，destination）设定为新的pc的值。操作码是0x57，gas消耗为10。

def jumpi(self):
    if len(self.stack) < 2:
        raise Exception('Stack underflow')
    destination = self.stack.pop()
    condition = self.stack.pop()
    if condition != 0:
        if destination not in self.validJumpDest:
            raise Exception('Invalid jump destination')
        else:  self.pc = destination

我们在run()函数中添加对JUMPI指令的处理：

elif op == JUMPI: 
    self.jumpi()

现在，我们可以尝试运行一个包含JUMPI和JUMPDEST指令的字节码：0x6001600657005B（PUSH1 01 PUSH1 6 JUMPI STOP JUMPDEST）。这个字节码将1和6推入堆栈，然后进行JUMPI，由于条件不为0，执行跳转到pc = 6的位置，该位置正好是JUMPDEST指令，跳转成功，程序没有被STOP指令中断。

# JUMPI
code = b"\x60\x01\x60\x06\x57\x00\x5b"
evm = EVM(code)
evm.run()
print(evm.pc)  
# output: 7 程序没有被中断

PC（程序计数器）

PC指令将当前的程序计数器（pc）的值压入堆栈。操作码为0x58，gas消耗为2。

def pc(self):
    self.stack.append(self.pc)

总结

这一讲，我们介绍了EVM中的控制流程指令，并在极简版EVM中添加了对它们的支持。这些操作为合约提供了控制流程的能力，为编写更复杂的合约逻辑提供了可能。

课后习题: 写出0x5F600557005B对应的指令形式，并给出运行后的堆栈和程序计数器状态。