Solidity彙編(Solidity Assembly)

Solidity定義了一個組合語言，可以不同Solidity一起使用。這個組合語言還可以嵌入到Solidity原始碼中，以內聯彙編的方式使用。下面我們將從內聯彙編如何使用著手，介紹其與獨立使用的組合語言的不同，最後再介紹這門組合語言。

內聯彙編(Inline Assembly)

通常我們通過庫程式碼，來增強語言我，實現一些精細化的控制，Solidity為我們提供了一種接近於EVM底層的語言，內聯彙編，允許與Solidity結合使用。由於EVM是棧式的，所以有時定位棧比較麻煩，Solidty的內聯彙編為我們提供了下述的特性，來解決手寫底層程式碼帶來的各種問題：

• 允許函式風格的操作碼：mul(1, add(2, 3))等同於push1 3 push1 2 add push1 1 mul
• 內聯區域性變數：let x := add(2, 3) let y := mload(0x40) x := add(x, y)
• 可訪問外部變數：function f(uint x) { assembly { x := sub(x, 1) } }
• 標籤：let x := 10 repeat: x := sub(x, 1) jumpi(repeat, eq(x, 0))
• 迴圈：for { let i := 0 } lt(i, x) { i := add(i, 1) } { y := mul(2, y) }
• switch語句：switch x case 0 { y := mul(x, 2) } default { y := 0 }
• 函式呼叫：function f(x) -> y { switch x case 0 { y := 1 } default { y := mul(x, f(sub(x, 1))) } }

下面將詳細介紹內聯編譯（inline assembly）語言。

示例

下面的例子提供了一個庫函式來訪問另一個合約，並把它寫入到一個bytes變數中。有一些不能通過常規的Solidity語言完成，內聯庫可以用來在某些方面增強語言的能力。

pragma solidity ^0.4.0;

library GetCode {
    function at(address _addr) public view returns (bytes o_code) {
        assembly {
            // 取得程式碼的大小，這需要彙編
            let size := extcodesize(_addr)
            // 分配輸出位元組陣列
            // 也可以不使用匯編完成——o_code = new bytes(size)
            o_code := mload(0x40)
            // new "memory end" including padding
            mstore(0x40,到add(o_code, and(add(add(size, 0x20), 0x1f), not(0x1f))))
            // 儲存長度在記憶體中
            mstore(o_code, size)
            // 實際取得程式碼，這需要彙編
            extcodecopy(_addr, add(o_code, 0x20), 0, size)
        }
    }
}

pragma solidity ^0.4.16;

library VectorSum {
    // 此函式效率較低，因為優化器當前無法
    // 移除陣列訪問中的邊界檢查。
    function sumSolidity(uint[] _data) public view returns (uint o_sum) {
        for (uint i = 0; i < _data.length; ++i)
            o_sum += _data[i];
    }

    // 我們知道我們只訪問陣列，所以我們可以避免檢查。
    // 0x20需要新增到一個陣列中，因為第一個位置包含
    // 陣列長度。
    function sumAsm(uint[] _data) public view returns (uint o_sum) {
        for (uint i = 0; i < _data.length; ++i) {
            assembly {
                o_sum := add(o_sum, mload(add(add(_data, 0x20), mul(i, 0x20))))
            }
        }
    }

    // 功能與上述相同，但完全使用內聯彙編。
    function sumPureAsm(uint[] _data) public view returns (uint o_sum) {
        assembly {
           // 載入長度（前32位元組）
           let len := mload(_data)

           // 跳過長度欄位。
           //
           // 保持臨時變數，以便可以在適當位置增加。
           //
           // 注意：在這個彙編程式塊之後，遞增的資料會導致一個不可用的資料變數。
           let data := add(_data, 0x20)

           // Iterate until the bound is not met.
           for
               { let end := add(data, len) }
               lt(data, end)
               { data := add(data, 0x20) }
           {
               o_sum := add(o_sum, mload(data))
           }
        }
    }
}

語法

內聯編譯語言也會像Solidity一樣解析註釋，字面量和識別符號。所以你可以使用//和/**/的方式註釋。內聯編譯的在Solidity中的語法是包裹在assembly { ... }，下面是可用的語法，後續有更詳細的內容。

• 字面量。如0x123，42或"abc"（字串最多是32個字元）
• 操作碼（指令的方式），如mload sload dup1 sstore，後面有可支援的指令列表
• 函式風格的操作碼，如add(1, mlod(0)
• 標籤，如name:
• 變數定義，如let x := 7 、let x := add(y, 3)或let x（初始值為0）
• 識別符號（標籤或內聯區域性變數或外部），如jump(name)，3 x add
• 賦值（指令風格），如，3 =: x。
• 函式風格的賦值，如x := add(y, 3)
• 支援塊級的區域性變數，如{ let x := 3 { let y := add(x, 1) } }

操作碼

這個文件不想介紹EVM虛擬機器的完整描述，但後面的列表可以做為EVM虛擬機器的指令碼的一個參考。

如果一個操作碼有引數（通過在棧頂），那麼他們會放在括號。需要注意的是引數的順序可以顛倒（非函式風格，後面會詳細說明）。用-標記的操作碼不會將一個引數推到棧頂，而標記為*的是非常特殊的，所有其它的將且只將一個推到棧頂。用F、H、B或C標記的操作碼分別來自Frontier、Homestead、Byzantium或Constantinople。Constantinople仍在計劃中，所有這樣的指令都會導致無效的指令異常。

在後面的例子中，mem[a...b)表示成位置a到位置b（不包含）的memory位元組內容，storage[p]表示在位置p的strorage內容。

操作碼pushi和jumpdest不能被直接使用。

在語法中，操作碼被表示為預先定義的識別符號。

字面量(Literals)

你可以使用整數常量，通過直接以十進位制或16進位制的表示方式，將會自動生成恰當的pushi指令。

assembly { 2 3 add "abc" and }

上面的例子中，將會先加2，3得到5，然後再與字串abc進行與運算。字串按左對齊儲存，且不能超過32位元組。

函式風格(Functional Style)

你可以在操作碼後接著輸入操作碼，它們最終都會生成正確的位元組碼。比如下面將會新增3到memory中位置0x80：

3 0x80 mload add 0x80 mstore

mstore(0x80, add(mload(0x80), 3))

函式風格的表示式不能在內部使用指令風格，如1 2 mstore(0x80, add)將不是合法的，必須被寫為mstore(0x80, add(2, 1))。那些不帶引數的操作碼，括號可以忽略。

需要注意的是函式風格的引數與指令風格的引數是反的。如果使用函式風格，第一個引數將會出現在棧頂。

訪問外部函式與變數(Access to External Variables and Functions)

Solidity中的變數和其它識別符號，可以簡單的通過名稱引用。對於memory變數，這將會把地址而不是值推到棧上。Storage的則有所不同，由於對應的值不一定會佔滿整個storage槽位，所以它的地址由槽和實際儲存位置相對起始位元組偏移。要搜尋變數x指向的槽位，使用x_slot，得到變數相對槽位起始位置的偏移使用x_offset。

在賦值中（見下文），我們甚至可以直接向Solidity變數賦值。

還可以訪問內聯編譯的外部函式：內聯編譯會推入整個的入口的label（應用虛擬函式解析的方式）。Solidity中的呼叫語義如下：

• 呼叫者推入return label，arg1，arg2， … argn
• 呼叫返回ret1，ret2，…， retm

這個功能使用起來還是有點麻煩，因為堆疊偏移量在呼叫過程中基本上有變化，因此對區域性變數的引用將是錯誤的。

pragma solidity ^0.4.11;

contract C {
    uint b;
    function f(uint x) public returns (uint r) {
        assembly {
            r := mul(x, sload(b_slot)) // ignore the offset, we know it is zero
        }
    }
}

標籤(Labels)

另一個在EVM的彙編的問題是jump和jumpi使用了絕對地址，可以很容易的變化。Solidity內聯彙編提供了標籤來讓jump跳轉更加容易。需要注意的是標籤是非常底層的特性，儘量使用內聯彙編函式，迴圈，Switch指令來代替。下面是一個求Fibonacci的例子：

{
    let n := calldataload(4)
    let a := 1
    let b := a
loop:
    jumpi(loopend, eq(n, 0))
    a add swap1
    n := sub(n, 1)
    jump(loop)
loopend:
    mstore(0, a)
    return(0, 0x20)
}

需要注意的是自動訪問棧元素需要內聯者知道當前的棧高。這在跳轉的源和目標之間有不同棧高時將失敗。當然你也仍然可以在這種情況下使用jump，但你最好不要在這種情況下訪問棧上的變數（即使是內聯變數）。

此外，棧高分析器會一個操作碼接著一個操作碼的分析程式碼（而不是根據控制流），所以在下面的情況下，彙編程式將對標籤two的堆疊高度產生錯誤的判斷：

{
    let x := 8
    jump(two)
    one:
        // Here the stack height is 2 (because we pushed x and 7),
        // but the assembler thinks it is 1 because it reads
        // from top to bottom.
        // Accessing the stack variable x here will lead to errors.
        x := 9
        jump(three)
    two:
        7 // push something onto the stack
        jump(one)
    three:
}

宣告彙編-區域性變數(Declaring Assembly-Local Variables)

你可以通過let關鍵字來定義在內聯彙編中有效的變數，實際上它只是在{...}中有效。內部實現上是，在let指令出現時會在棧上建立一個新槽位，來儲存定義的臨時變數，在塊結束時，會自動在棧上移除對應變數。你需要為變數提供一個初始值，比如0，但也可以是複雜的函式表示式：

pragma solidity ^0.4.16;

contract C {
    function f(uint x) public view returns (uint b) {
        assembly {
            let v := add(x, 1)
            mstore(0x80, v)
            {
                let y := add(sload(v), 1)
                b := y
            } // y is "deallocated" here
            b := add(b, v)
        } // v is "deallocated" here
    }
}

賦值(Assignments)

你可以向內聯區域性變數賦值，或者函式區域性變數。需要注意的是當你向一個指向memory或storage賦值時，你只是修改了對應指標而不是對應的資料。

有兩種方式的賦值方式：函式風格和指令風格。函式風格，比如variable := value，你必須在函式風格的表示式中提供一個變數，最終將得到一個棧變數。指令風格=: variable，值則直接從棧底取。以於兩種方式冒號指向的都是變數名稱。賦值的效果是將棧上的變數值替換為新值。

{
    let v := 0 // functional-style assignment as part of variable declaration
    let g := add(v, 2)
    sload(10)
    =: v // instruction style assignment, puts the result of sload(10) into v
}

If

if語句可用於有條件地執行程式碼。沒有“else”部分，如果需要多個備選方案，請考慮使用“switch”（見下文）

{
    if eq(value, 0) { revert(0, 0) }
}

body的花括號是必須的。

Switch

你可以使用switch語句來作為一個基礎版本的if/else語句。它需要取一個值，用它來與多個常量進行對比。每個分支對應的是對應切爾西到的常量。與某些語言容易出錯的行為相反，控制流不會自動從一個判斷情景到下一個場景（即預設是break的）。最後有個叫default的兜底。

{
    let x := 0
    switch calldataload(4)
    case 0 {
        x := calldataload(0x24)
    }
    default {
        x := calldataload(0x44)
    }
    sstore(0, div(x, 2))
}

可以有的case不需要包裹到大括號中，但每個case需要用大括號的包裹。

迴圈

內聯彙編支援一個簡單的for風格的迴圈。for風格的迴圈的頭部有三個部分，一個是初始部分，一個條件和一個後疊加部分。條件必須是一個函式風格的表示式，而其它兩個部分用大括號包裹。如果在初始化的塊中定義了任何變數，這些變數的作用域會被預設擴充套件到迴圈體內（條件，與後面的疊加部分定義的變數也類似。因為預設是塊作用域，所以這裡是一種特殊情況）。

下面的示例計算記憶體中的一個區域的和。

{
    let x := 0
    for { let i := 0 } lt(i, 0x100) { i := add(i, 0x20) } {
        x := add(x, mload(i))
    }
}

{
    let x := 0
    let i := 0
    for { } lt(i, 0x100) { } {     // while(i < 0x100)
        x := add(x, mload(i))
        i := add(i, 0x20)
    }
}

函式

組合語言允許定義底層的函式。這些需要在棧上取引數（以及一個返回的程式碼行），也會將結果存到棧上。呼叫一個函式與執行一個函式風格的操作碼看起來是一樣的。

函式可以在任何地方定義，可以在定義的塊中可見。在函式內，你不能訪問一個在函式外定義的一個區域性變數。同時也沒有明確的return語句。

如果你呼叫一個函式，並返回了多個值，你可以將他們賦值給一個元組，使用a, b := f(x)或let a, b := f(x)。

下面的例子中通過平方乘來實現一個指數函式。

{
    function power(base, exponent) -> result {
        switch exponent
        case 0 { result := 1 }
        case 1 { result := base }
        default {
            result := power(mul(base, base), div(exponent, 2))
            switch mod(exponent, 2)
                case 1 { result := mul(base, result) }
        }
    }
}

要注意的事(Things to Avoid)

內聯彙編使用中需要一個比較高的視野，但它又是非常底層的語法。函式呼叫，迴圈，switch被轉換為簡單的重寫規則，另外一個語言提供的是重安排函式風格的操作碼，管理了jump標籤，計算了棧高以方便變數的訪問，同時在塊結束時，移除塊內定義的塊內的區域性變數。特別需要注意的是最後兩個情況。你必須清醒的知道，組合語言只提供了從開始到結束的棧高計算，它沒有根據你的邏輯去計算棧高（譯者注：這常常導致錯誤）。此外，像交換這樣的操作，僅僅交換棧裡的內容，並不是變數的位置。

Solidity中的慣例

與EVM彙編不同，Solidity知道型別少於256位元組，如，uint24。為了讓他們更高效，大多數的數學操作僅僅是把也們當成是一個256位元組的數字進行計算，高位的位元組只在需要的時候才會清理，比如在寫入記憶體前，或者在需要比較時。這意味著如果你在內聯彙編中訪問這樣的變數，你必須要手動清除高位的無效位元組。

Solidity以非常簡單的方式來管理記憶體：內部存在一個空間記憶體的指標在記憶體位置0x40。如果你想分配記憶體，可以直接使用從那個位置的記憶體，並相應的更新指標。

記憶體的前64個位元組可以用作短期分配的“劃痕空間”。空閒記憶體指標（即0x60開始）後的32位元組永遠為0，並用作空動態記憶體陣列的初始值。

Solidity中的記憶體陣列元素，總是佔用多個32位元組的記憶體（也就是說byte[]也是這樣，但是bytes和string不是這樣）。多維的memory的陣列是指向memory的陣列。一個動態陣列的長度儲存在資料的第一個槽位，緊接著就是陣列的元素。