Gas 优化指南（一）：Gas 机制原理 ¶

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本篇是 Gas 优化系列的第一篇，聚焦于 Gas 机制的底层原理。

我们将从 Gas 的设计哲学出发，逐步拆解交易费用的构成、EIP-1559 定价模型、操作码成本分级、冷热访问机制，以及 SSTORE 的核心定价规则。理解这些基础知识，是后续进行 Gas 优化的前提。

一、Gas 是什么 ¶

Gas 是 EVM 的 " 燃料 "，用于衡量计算工作量。其设计目的主要包括：

防止无限循环：必须付费才能执行代码，从机制上阻止恶意或无穷计算
公平分配区块空间：区块空间有限，通过竞价机制分配执行权
反映真实的计算成本：操作越复杂，对网络负担越重，对应 Gas 越高

EVM 的基本计费规则：每条 EVM 指令都有固定的 Gas 成本，一笔交易的总 Gas 消耗等于所有执行指令的成本之和。

以太坊中的计量单位：

单位	相当于	用途	科学计数法
1 ETH	1 Ether	账户余额、转账金额	10^0 ETH
1 Gwei	0.000000001 ETH	计算 Gas 价格	10^-9 ETH
1 wei	0.000000000000000001 ETH	最小单位	10^-18 ETH

wei（最小单位）：合约与协议层统一使用整数运算，所有金额最终都以 wei 为单位存储和计算，避免浮点数精度问题。

gwei（最常用单位）：这是日常使用最频繁的单位，主要用于表示 Gas 价格。当你在钱包（如 MetaMask）设置交易手续费时，看到的 "Gas Price" 或 "Max Priority Fee" 通常就是以 gwei 为单位。例如，"Gas Price: 20 gwei" 意味着你愿意为每个计算步骤支付 20 gwei。

ETH（标准单位）：用于表示账户余额、转账金额、代币价格等宏观数值。我们平时说 " 我有一个以太币 "，指的就是 1 ETH。

二、交易费用构成 ¶

一笔交易的 Gas 消耗分为两部分：总 Gas = Intrinsic Gas + Execution Gas

Intrinsic Gas（固有成本）

Intrinsic Gas 本质上是在为 " 交易进入 EVM 执行环境之前 " 的行为付费，它是交易本身的基础成本，与合约执行无关。包括：交易签名验证、nonce 校验、账户存在性检查、calldata 字节拷贝等。

组成部分	Gas 成本
基础费用	21,000
每字节零值 calldata	4
每字节非零值 calldata	16
创建合约额外费用	32,000

示例：一笔简单的 ETH 转账，calldata 为空，消耗 21,000 Gas。

Execution Gas（执行成本）

合约代码执行过程中，每条指令的 Gas 成本累加。

EVM 不关心你在做什么业务，它只对三件事情收费：

你输入了多少字节
你执行了多少指令
你是否改变了全网状态

在深入细节之前，先记住这个模型。以太坊上任何一笔交易的 Gas 消耗，都可以归入三个来源：

       存储成本
       （最贵）
          /\
         /  \
        /    \
       /      \
      /________\
 执行成本    数据成本
 （中等）   （按字节）

成本类型	来源	量级
存储成本	读写 Storage（SLOAD/SSTORE）	100 ~ 22,100 Gas
执行成本	运算指令（ADD/MUL/JUMP 等）	3 ~ 10 Gas
数据成本	Calldata（交易输入数据）、Log（事件日志）	Calldata：4 Gas/ 零字节，16 Gas/ 非零字节 Log：375 基础 + 375/topic + 8/ 数据字节

在大多数需要写入状态的业务合约中，存储读写往往是成本大头，所以我们默认先从 Storage 找热点。但纯读合约、签名验证合约、批量操作合约可能呈现不同的成本分布，具体问题具体分析。

三、EIP-1559 费用模型 ¶

2021 年 8 月伦敦升级后，在 EIP-1559 机制下，交易费用计算方式为：

交易费用 = Gas Used × (Base Fee + Priority Fee)

费用类型	说明
Gas Used	交易实际消耗的 Gas 数量
Base Fee	当前区块的基础费用（单位：wei/gas 或 gwei/gas），由网络根据拥堵程度动态调整，会被销毁
Priority Fee	用户愿意支付给验证者的最高小费（单位：wei/gas 或 gwei/gas），实际支付金额可能低于该值

需要注意：EIP-1559 ≠ Gas 优化，它只是定价模型，真正的优化发生在 EVM opcode 层。

Gas 优化发生在 opcode 层、storage 布局层、calldata 与 memory 层，而 EIP-1559 只解决 " 每单位 Gas 多少钱 " 的问题。

Max Fee 和 Max Priority Fee

为了保护用户，EIP-1559 引入了两个上限参数：

Max Fee Per Gas：用户愿意支付的最高总费用（包括基础费用和优先费用）
Max Priority Fee Per Gas：用户愿意支付的最高优先费用

实际支付的费用计算拆解如下：

第一步，定义有效小费：

effectivePriorityFee = min(MaxPriorityFee, MaxFee − BaseFee)

第二步，定义最终 Gas Price：

effectiveGasPrice = BaseFee + effectivePriorityFee

最终费用：

txFee = gasUsed × effectiveGasPrice

这一步拆解在教学中非常重要，因为区块浏览器、RPC 返回值、EVM trace、receipt.effectiveGasPrice 全部都在使用这个中间变量。

上述过程合在一起的计算公式为：

实际费用 = Gas Used × min(Max Fee, Base Fee + min(Max Priority Fee, Max Fee - Base Fee))

多支付的部分会自动退还给用户。

动态调整机制

区块利用率 > 50%：Base Fee 上涨（最多 +12.5%）
区块利用率 < 50%：Base Fee 下降（最多 -12.5%）

EIP-1559 的设计是让区块在短期内可以 0.5x 到 2x 摆动，但长期稳定在 targetGasUsed 附近。

Base Fee 的调整依据是区块 gasUsed 与 targetGasUsed 的偏离程度，而不是简单的百分比规则。

费用计算示例

假设：

Gas Used = 21,000（简单转账）
Base Fee = 30 gwei
Priority Fee = 2 gwei
Max Fee = 100 gwei
Max Priority Fee = 2 gwei

计算过程：

实际优先费用 = min(2 gwei, 100 gwei - 30 gwei) = 2 gwei
实际总费用每 Gas = min(100 gwei, 30 gwei + 2 gwei) = 32 gwei
交易总费用 = 21,000 × 32 gwei = 672,000 gwei = 0.000672 ETH

其中：

基础费用：21,000 × 30 gwei = 630,000 gwei（被销毁）
优先费用：21,000 × 2 gwei = 42,000 gwei（支付给验证者）

Gas 优化的直接影响

从上述公式可以看出，降低 Gas Used 可以直接按比例减少交易费用。如果能将合约的 Gas 消耗从 100,000 降低到 80,000（减少 20%），那么用户的交易费用也会相应减少 20%。

这就是为什么 Gas 优化如此重要——它直接影响到每一位用户的钱包。

四、操作码 Gas 成本分级 ¶

EVM 操作码的 Gas 成本反映了其计算复杂度：

等级	Gas 范围	典型操作
最便宜	2-3	ADD, SUB, LT, GT, POP
便宜	3-5	MUL, DIV, MLOAD, MSTORE
中等	10-30	JUMP, JUMPI, CALLDATALOAD
较贵	100-700	BALANCE, EXTCODESIZE, CALL（热访问）
昂贵	2100-2600	SLOAD, CALL（冷访问）
非常昂贵	5000-22100	SSTORE

关键观察：存储操作（SLOAD/SSTORE）是最昂贵的，因为它们涉及全网状态的读写。

SLOAD 贵，因为需要访问全局状态树；SSTORE 更贵，因为会改变共识状态，影响所有全节点。Gas 本质不是 CPU 时间，而是对全网负担的定价。

当你想判断「哪行代码最贵」，用这个快速检查顺序：

有 Storage 写入吗？ → 第一优先级热点
有 Storage 读取吗？ → 第二优先级热点
有外部调用吗？ → 检查是否可以合并或缓存
有循环吗？ → 检查循环内是否有上述操作

先找 SSTORE，再找 SLOAD，再找外部调用，最后才优化计算指令。

五、冷 / 热访问机制（EIP-2929）¶

2021 年柏林升级引入了 " 访问列表 " 概念，区分冷访问和热访问。

同一笔交易中：

首次访问某个地址或存储槽 → 冷访问（贵）
再次访问同一地址或存储槽 → 热访问（便宜）

冷访问贵的原因是 EVM 需要从底层数据库加载数据到内存，热访问便宜是因为数据已经在内存中了。

冷 / 热状态是交易级别的概念，不是区块级别。每笔新交易开始时，所有访问都重新变成「冷」。

对 storage slot 而言：

操作	Gas
cold SLOAD	2100
warm SLOAD	100

EIP-2929 本质是在惩罚 " 不可预测的状态访问 "。第一次访问贵，不是因为慢，而是因为节点无法提前缓存。

六、SSTORE 的核心定价（EIP-2200）¶

场景	Gas 成本	说明
0 → 非零	22,100	创建新存储槽
非零 → 非零（不同值）	5,000	修改现有值
非零 → 0	5,000，退款	清除存储槽
0/ 非零 → 相同值	100	无实际变化

SSTORE 的 Gas 主要由「写入前后 slot 值的变化类型」决定，而不是 cold/warm。例如：

_status = 2; // ~5000 gas
_status = 1; // ~5000 gas

这两个都是非 0 → 非 0 的 SSTORE，即使第二次是 warm slot，依然是 ~5000 Gas，而不是 2900。

概念	适用指令	决定因素
cold/warm	SLOAD、slot 访问	本交易中是否首次访问该 slot
SSTORE 执行成本	SSTORE	slot 的「原始值 → 新值」变化类型

SSTORE ≠ SLOAD + 写入，SSTORE 是一个原子语义操作，以状态变化为计价单位，而不是以指令执行为计价单位。

七、Gas 退款机制 ¶

退款机制的演进历程：

最早版本：非零→0 = 15,000 refund，refund cap = 1/2

EIP-2200：refund cap 降为 1/5

EIP-3529：非零→0 refund 从 15,000 → 4,800，SELFDESTRUCT refund 移除

在 London 升级后的 EIP-3529 中，SSTORE 从非零值写为 0 时仍可获得 Gas 退款，但退款金额从原本的 15,000 Gas 大幅削减为 4,800 Gas。同时，单笔交易中可实际获得的退款总量仍受退款上限限制，即不超过该交易实际消耗 Gas（gasUsed）的 20%。

EIP-3529 后的规则

操作	退款额度
SSTORE 清零（非零 → 0）	4,800
SELFDESTRUCT	不再有退款

退款上限：最多退还交易总 Gas 的 20%。

为什么有退款上限？

历史上出现过「Gas Token」套利：在 Gas 便宜时写入大量存储，在 Gas 贵时清除获取退款。EIP-3529 将退款上限从 50% 降到 20%，基本堵死了这条路。

退款不是「返现」，而是「抵扣」——它直接减少 Gas Used，但你不会在钱包里看到一笔退款。

不要为了退款而刻意清零。清零的 5,000 Gas 成本 + 4,800 退款 = 净成本 200 Gas，看起来很便宜。但如果下次还要用这个槽，你又要付 22,100 Gas 从 0 写入非零。只有当你确定这个存储槽「永远不会再用」时，清零才是划算的。

八、Gas 消耗预测心法 ¶

判断一段代码是否昂贵，只问三个问题：

是否写 storage
是否首次访问 slot
是否写入非零值

三者同时满足，必然是 Gas hotspot。

再例如：for 循环本身几乎不贵，真正昂贵的是循环里的 SLOAD 与 SSTORE。memory 扩展虽有二次项，但仍远便宜于 storage。

这类经验规则的价值，远高于任何表格。

注意复杂性和可读性

Gas 优化通常会使代码变得更难读和更复杂。一个好的工程师必须在主观上权衡哪些优化是值得的，哪些不是。

小结 ¶

本篇介绍了 Gas 机制的核心原理：

Gas 是 EVM 衡量计算工作量的燃料，交易费用由 Intrinsic Gas 和 Execution Gas 两部分构成。
EIP-1559 定价模型通过 Base Fee 和 Priority Fee 计算最终费用，但真正的 Gas 优化发生在 opcode 层。
在所有操作中，存储读写（SLOAD/SSTORE）是最昂贵的，其中从 0 写入非零值的成本高达 22,100 Gas。
冷热访问机制和退款规则进一步影响实际成本。

下一篇我们将通过一个真实的链上实验，验证本篇介绍的 EIP-1559 费用计算规则，直观感受不同存储操作的 Gas 差异。

系列导航：

第一篇：Gas 优化指南（一）：Gas 机制原理（本篇）
第二篇：Gas 优化指南（二）：EIP-1559 交易解析
第三篇：Gas 优化指南（三）：存储优化
第四篇：Gas 优化指南（四）：计算优化
第五篇：Gas 优化指南（五）：Gas 评估与测量