EVM 基础原理（一）：从交易到字节码 ¶

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本文是 EVM 基础原理系列的第一篇，帮助你建立对以太坊虚拟机的整体认知。

作为 Solidity 开发者，你可能已经写过不少合约，但有没有想过：当你点击 "Deploy" 的那一刻，代码究竟经历了什么？

Solidity 源码 → 编译 → 字节码 → 部署上链 → EVM 执行

EVM（Ethereum Virtual Machine）是这条链路的终点，也是真正的执行者。它不认识 function、mapping 这些关键字，只认识一串十六进制的字节码。

理解 EVM 的工作原理，是写出高效、安全合约的基础。

一、以太坊是一台状态机 ¶

以太坊的本质是一台全球共享的状态机，通过交易驱动状态变化。

三个核心概念：

状态：所有账户的数据快照（余额、合约存储等）
交易：改变状态的唯一方式
状态转换函数：给定当前状态 + 交易 → 输出新状态

用公式表达：

APPLY(旧状态, 交易) → 新状态 或 错误

每个区块包含一批交易，按顺序执行后世界状态更新。整个以太坊网络就是不断重复这个过程。

二、两种账户 ¶

以太坊的世界状态由账户组成，账户分两种：

特性	EOA（外部账户）	合约账户
控制者	私钥持有人	代码逻辑
有无代码	无	有
能否发起交易	能	不能（只能被调用）
例子	你的 MetaMask 钱包	Uniswap 合约

每个账户有 4 个字段：

账户 {
    nonce,        // 交易计数（防重放）
    balance,      // ETH 余额（单位：wei）
    codeHash,     // 代码哈希（EOA 为空）
    storageRoot   // 存储树根（合约数据）
}

关键点：合约账户不能主动发起交易，必须由 EOA 触发。这就是为什么每笔交易都需要你用钱包签名。

三、交易的结构 ¶

当你调用合约时，实际上是发送了一笔交易。交易的关键字段：

from：发送者（必须是 EOA）
to：接收者（合约地址或 EOA；部署合约时为空）
value：转账金额（单位：wei）
data：调用数据（函数选择器 + 参数编码）
gasLimit：愿意支付的最大 Gas
gasPrice：每单位 Gas 的价格

两种交易类型由 to 字段决定：

to 为空 → 创建合约
to 为合约地址 → 调用合约

四、交易执行流程 ¶

一笔交易从签名到改变状态，经历以下步骤：

验证交易（签名、nonce、余额）
预扣 Gas 费用
EVM 执行交易
成功：更新状态，退还剩余 Gas；失败：回滚状态，Gas 不退

原子性：交易要么完全成功，要么完全失败，没有中间状态。

五、Gas：计算的燃料 ¶

EVM 执行每一步操作都需要消耗 Gas。这个设计有三个目的：

防止无限循环：没有 Gas 限制，恶意代码可以卡死网络
资源定价：不同操作消耗不同资源，价格不同
激励矿工：Gas 费支付给区块生产者

Gas 成本的大致分级：

级别	Gas 范围	典型操作
便宜	3-5	加减乘除、栈操作
中等	30-200	内存操作、哈希
昂贵	100-2600	读存储（SLOAD）
极贵	5000-20000+	写存储（SSTORE）

为什么存储操作这么贵？因为存储数据需要永久保存在区块链上，所有节点都要存一份。这个话题我们在第二篇详细展开。

六、实战：追踪一笔交易 ¶

来看一个具体例子。部署这个简单的计数器合约：

// SPDX-License-Identifier: MIT
pragma solidity ^0.8.24;

contract Counter {
    uint256 public count;
    address public immutable owner;

    event Initialized(uint256 initialCount, address indexed owner);

    constructor(uint256 initialCount, address initialOwner) {
        owner = initialOwner;   // immutable：部署时确定，运行时从 code 中读取
        count = initialCount;

        emit Initialized(initialCount, initialOwner);
    }

    function increment() external {
        count += 1;
    }
}

调用 increment() 后，在 Etherscan 上可以看到交易的 Input Data 是：0xd09de08a

这 4 个字节是什么？它是 increment() 函数的选择器，计算方式：

keccak256("increment()") 的前 4 字节 = 0xd09de08a

EVM 就是通过这个选择器来识别你要调用哪个函数。接下来我们深入字节码的世界。

七、编译产出：两段字节码 ¶

Solidity 编译后会产出两段字节码：

Creation Code¶

Solidity 源码编译后会生成 Creation Code（创建字节码），主要职责包括：

解析 constructor 参数
执行 constructor 逻辑
初始化 storage（写入状态变量初始值）
在最后 RETURN 出 Runtime Code

Creation Code 只在部署阶段执行一次，执行完毕后返回 Runtime Code，然后被丢弃，不存储在链上。

Runtime Code¶

Runtime Code 是 Creation Code 执行结束时返回的字节序列，永久存储在链上，后续所有 CALL / DELEGATECALL / STATICCALL 调用都执行这段代码。

它不包含 constructor，无法再修改（不可变），只负责响应外部函数调用。

一句话总结：Solidity 源码在编译后会生成 Creation Code，合约部署的过程，本质上就是 EVM 执行 Creation Code，而该执行过程的返回值就是最终被永久存储在链上的 Runtime Code。

类比：Creation Code 像是 " 安装程序 "，执行一次就完成使命；Runtime Code 是 " 已安装的软件 "，长期驻留。

用 EVM 视角重新理解 " 部署合约 " ¶

从 EVM 的角度看：

1. 部署交易本身也是一笔普通交易

2. data字段中携带的是 Creation Code

3.EVM 在部署阶段：

创建一个新的空合约账户
执行 Creation Code
将 RETURN 的字节码保存为该账户的 code

用一句非常 "EVM 味 " 的话说就是：

Deploy = execute init code, store returned bytes as account.code

动手验证：查看三种字节码 ¶

前面介绍了 Creation Code 和 Runtime Code，现在通过 Remix 实际查看它们的样子。

在实际部署时，还有一个概念需要了解：Init Code。

Creation Code：Solidity 编译器生成的部署字节码
Init Code：实际发送到链上执行的完整部署数据，Init Code = Creation Code + ABI 编码的构造函数参数

如果合约没有构造函数参数，两者完全相同；如果有参数，Init Code 会在 Creation Code 末尾附加参数数据。Init Code 是以太坊黄皮书和 EVM 规范中使用的术语，本系列后续内容遵循 EVM 规范，使用 Init Code 术语。

（1）在 Remix 中查看字节码

以前面的 Counter 合约为例，这个合约有两个构造函数参数（initialCount 和 initialOwner）。

在 Remix 中创建、编译合约后，点击 Compilation Details 按钮（在 Compile 按钮对应界面），会弹出一个详情窗口。在这个窗口中可以看到：

字段	对应内容
BYTECODE → object	Creation Code
RUNTIME BYTECODE → object	Runtime Code

点击 BYTECODE 旁边的复制图标，得到一个 JSON 对象：

{
  "functionDebugData": {},
  "generatedSources": [...],
  "linkReferences": {},
  "object": "60a0604052...",  // ← 这就是 Creation Code
  "opcodes": "PUSH1 0xA0 PUSH1 0x40 ...",
  "sourceMap": "..."
}

object 字段的值就是 Creation Code（十六进制字符串）。

同样，复制 RUNTIME BYTECODE，其中的 object 字段就是 Runtime Code。

以下是使用 Solidity 0.8.25 编译后的实际字节码（可能因编译器版本和优化设置略有不同）：

Creation Code（编译产出）：

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

这段代码包含：构造函数逻辑、参数解析代码、最终 RETURN Runtime Code 的逻辑。长度：953 字节（1906 个十六进制字符）。

Runtime Code（部署后永久存储在链上）：

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

这段代码只包含：函数调度器（dispatcher）、count() 函数逻辑、owner() 函数逻辑、increment() 函数逻辑。长度：491 字节（982 个十六进制字符）。

注意：Runtime Code 中不包含构造函数，因为构造函数只执行一次。可以看到 Runtime Code 比 Creation Code 短了将近一半。

（2）构造 Init Code

步骤 1：准备构造函数参数

假设我们部署时传入：

initialCount = 100
initialOwner = 0x1d477b7733Fe1347eE91e8D15f8c7f203E147AA0

步骤 2：ABI 编码参数

构造函数参数需要按 ABI 规则编码：

// uint256(100) = 0x64，左填充零到 32 字节
0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000064

// address，左填充零到 32 字节
0000000000000000000000001d477b7733Fe1347eE91e8D15f8c7f203E147AA0

两个参数拼接后（64 字节 = 128 个十六进制字符）：

00000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000640000000000000000000000001d477b7733Fe1347eE91e8D15f8c7f203E147AA0

步骤 3：拼接得到 Init Code

Init Code = Creation Code + 构造函数参数编码

完整的 Init Code（1017 字节 = 2034 个十六进制字符）：

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

长度验证：953（Creation Code）+ 64（参数）= 1017 字节 ✓

（3）在 Etherscan 上验证

在 Etherscan 上查看部署交易详情，input 字段的内容就是 Init Code（Creation Code + 参数编码）：

部署成功后，查看合约页面：

Contract Creation Code 显示的是 Init Code
Deployed Bytecode 显示的是 Runtime Code

（4）常见问题

Q1：为什么 Runtime Code 比 Creation Code 短？

Creation Code 包含构造函数逻辑和参数解析代码，这些只在部署时执行一次。Runtime Code 只保留运行时需要的函数，所以通常更短。在本例中，Runtime Code（491 字节）大约只有 Creation Code（953 字节）的一半大小。

Q2：immutable 变量存在哪里？

immutable 变量在部署时确定值，直接嵌入到 Runtime Code 中。所以每次部署参数不同，Runtime Code 也会略有不同。

八、EVM 执行模型 ¶

EVM 是基于栈的虚拟机。栈是一种数据结构，就像一摞盘子——只能从顶部放入或取出。

EVM 栈的特性：

每个元素 256 位（32 字节）
最大深度 1024
只能操作顶部 16 个元素（这是硬限制）

EVM 执行字节码的过程：

读取当前位置的操作码
执行该操作码
扣除 Gas
移动到下一个位置
重复，直到遇到 STOP/RETURN/REVERT 或 Gas 耗尽

程序计数器（PC）：记录当前执行到哪个位置。遇到跳转指令时，PC 会改变。

九、操作码：EVM 的指令集 ¶

操作码（Opcode）是 EVM 能理解的最小指令。每个操作码占 1 字节，所以最多 256 种，目前使用约 140 种。

一个最简单的例子 ¶

这段字节码计算 1 + 1：

6001 6001 01

拆解：

字节码	操作码	含义
60 01	PUSH1 0x01	把 1 压入栈
60 01	PUSH1 0x01	把 1 压入栈
01	ADD	弹出两个值，相加，结果压入栈

执行过程：

初始:     []
PUSH1 1: [1]
PUSH1 1: [1, 1]
ADD:     [2]       ← 1+1 的结果

常用核心操作码 ¶

类别	操作码	功能
算术	ADD, SUB, MUL, DIV	基本运算
比较	LT, GT, EQ	小于、大于、等于
栈操作	PUSH, POP, DUP, SWAP	压入、弹出、复制、交换
内存	MLOAD, MSTORE	读写内存
存储	SLOAD, SSTORE	读写存储（很贵！）
环境	CALLER, CALLVALUE	msg.sender, msg.value
流程	JUMP, JUMPI, RETURN, REVERT	跳转、返回、回滚

Gas 差异预告：MLOAD 只要 3 Gas，SLOAD 要 100-2100 Gas。为什么差这么多？下一篇揭晓。

完整操作码列表：https://www.evm.codes/

十、函数选择器：EVM 如何路由？¶

一个合约有多个函数，EVM 怎么知道调用哪个？

选择器的计算 ¶

每个函数有一个 4 字节的 " 身份证 " —— 函数选择器：

选择器 = keccak256("函数签名") 的前 4 字节

例如：

keccak256("increment()") → 0xd09de08a...
keccak256("count()")     → 0x06661abd...

路由逻辑 ¶

合约字节码开头有一段 dispatcher（调度器），逻辑如下：

从 calldata 取前 4 字节作为 selector
依次与每个函数的选择器比较
匹配 → 跳转到对应函数代码
都不匹配 → 执行 fallback 或 revert

用操作码表示的核心流程：

PUSH1 0x00
CALLDATALOAD     // 加载 calldata 前 32 字节
PUSH1 0xe0
SHR              // 右移 224 位，得到前 4 字节
DUP1
PUSH4 0xd09de08a // increment() 的选择器
EQ               // 比较是否相等
PUSH2 0x0045     // increment() 代码位置
JUMPI            // 相等则跳转

这就解释了为什么调用 increment() 时，交易的 input 是 0xd09de08a。

小结 ¶

本文介绍了 EVM 的核心概念：

以太坊是交易驱动的状态机
账户分 EOA 和合约账户两种
交易是改变状态的唯一方式
Gas 是计算资源的度量单位
编译产出 Creation Code 和 Runtime Code，动手验证了它们与 Init Code 的区别
EVM 是基于栈的虚拟机，通过操作码执行计算
函数选择器用于路由到正确的函数

下一篇，我们将深入 EVM 的三个数据区域——栈、内存、存储，理解它们的成本差异和优化策略。

系列导航：

第一篇：EVM 基础原理（一）：从交易到字节码（本篇）
第二篇：EVM 基础原理（二）：EVM 数据区域与合约执行
第三篇：EVM 基础原理（三）：ABI 编码与底层调用