如果你要优化Solidity合约的gas成本，变量的数据存储位置是第一个要考虑的因素。在这个教程中，我们将深入学习Solidity中的数据存储机制，包含以太坊虚拟机EVM的介绍、Solidity的三种数据存储位置的区别以及不同情况下跨区域数据赋值的gas成本分析与利用等内容。
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1、以太坊虚拟机
在开始探讨Solidity的数据存储之前，我想先介绍下以太坊虚拟机的一些相关内容，以便更容易理解后续的部分。
EVM的内部结构大致如下图所示：
当我们安装以太坊客户端时，它其中就包含了EVM这个专门用于运行智能合约的轻量级操作系统。EVM的架构基于栈机器模型，这意味着其指令集是基于栈而非寄存器来运作的。EVM操作码清单在黄皮书中有描述，具体可查阅以太坊虚拟机操作码和指令参考手册。
在EVM中指令的执行流程如下：当一个交易触发智能合约代码的执行时，就会实例化一个EVM，EVM的ROM载入了要调用的合约代码。程序计数器被清零，存储从合约账号对应的部分载入，内存清零，设置区块和环境变量，然后代码开始执行。
2、Solidity变量的数据存储位置
现在让我们回到memory关键字。从0.5.0版本开始，所有的复杂类型必须显式指定其存储的数据位置，有三种可选的数据位置：memory、storage和calldata。
注意：唯一可以省略数据位置声明的是状态变量，因为状态变量始终保存在账号的存储中。
storage/存储
- 存储中的数据是永久存在的。存储是一个key/value库- 存储中的数据写入区块链，因此会修改状态，这也是存储使用成本高的原因。
- 占用一个256位的槽需要消耗20000 gas
- 修改一个已经使用的存储槽的值，需要消耗5000 gas
- 当清零一个存储槽时，会返还一定数量的gas
- 存储按256位的槽位分配，即使没有完全使用一个槽位，也需要支付其开销
memory/内存
- 内存是一个字节数组，槽大小位256位（32字节）
- 数据仅在函数执行期间存在，执行完毕后就被销毁
- 读或写一个内存槽都会消耗3gas
- 为了避免矿工的工作量过大，22个操作之后的单操作成本会上涨
calldata/调用数据
- 调用数据是不可修改、非持久化的区域，用来保存函数参数，其行为类似于内存
- 外部函数的参数必须使用calldata，但是也可用于其他变量
- 调用数据避免了数据拷贝，并确保数据不被修改
- 函数也可以返回使用calldata声明的数组和结果，但是不可能分配这些类型
3、Solidity数据位置与赋值成本的研究
如果你不期望合约代码出现不可预计的行为，重要的一点是理解数据位置的赋值是如何运作的。
下面列出了不同位置的变量间赋值的一些规则：
- 在存储和内存（或调用数据）间的赋值将创建一个新的独立拷贝
- 内存之间的赋值仅创建引用，这意味着对一个内存变量的修改会
同时反应在其他引用相同数据的内存变量上 - 从存储到局部存储变量的赋值，实际上只会给一个引用
- 所有其他赋值通常导致产生新的数据拷贝。例如赋值给状态变量
或位于存储的结构类型的局部变量成员时，即使局部变量只是一个
引用，也会产生新的数据拷贝
下面让我们用remix debugger深入研究一下：
// SPDX-License-Identifier: GPL-3.0
pragma solidity ^0.7.0;
contract DataLocationTest {
uint[] stateVar = [1,4,5];
function foo() public{
// case 1 : from storage to memory
uint[] memory y = stateVar; // copy the content of stateVar to y
// case 2 : from memory to storage
y[0] = 12;
y[1] = 20;
y[2] = 24;
stateVar = y; // copy the content of y to stateVar
// case 3 : from storage to storage
uint[] storage z = stateVar; // z is a pointer to stateVar
z[0] = 38;
z[1] = 89;
z[2] = 72;
}
}
用上面的代码创建一个新文件，然后部署合约。现在试着调用函数，你将会在控制台看到交易的详细信息以及旁边的debug按钮。点击这个按钮：
这时应当可以看到调试器区域大致如下：
点击上图中红色标识的箭头，单步执行代码。
你应当注意到的第一件事，是存储载入了stateVar的内容，这正如我们之前在EVM部分提到的，当然，这里没有局部变量。
当你继续单步执行时，你应当会看到变量y出现在局部变量区域（Solidity Locals）。继续单步执行，你还会看到需要执行很多字节码来创建必要的内存空间、从存储中载入所有数据并将其拷贝到内存。这意味着需要支付更多的gas，因此从存储区域到内存区域的赋值非常昂贵。
现在让我们研究下第二种情况：从内存区域赋值给存储区域。例如当你修改完内存变量后，可能需要将修改存回存储区域。这时也会消耗许多gas。如果我们计算debugger中单步执行前后的剩余gas差，可以看到消耗了17083 gas。该操作用了4个SSTORE指令：第一个用于保存数组大小，消耗800gas，其他三个用于更新数组的值，每个消耗5000gas。
接下来让我们看看第三种情况：从存储区域赋值给存储区域。这一次会创建一个新的局部变量来保存stateVar的值。如果我们查看代码的执行过程，就会注意到Solidity做的就是将第一个存储槽位的地址推入栈，该槽位保存有数组长度。根据文档说明，对动态数组而言，槽的位置包含了数组的长度。
如果我们比较不同情况下将数据拷贝进内存的成本，那么根据上述情况（更新并拷贝回存储：21629 gas，创建引用并直接更新状态：5085gas），非常清楚的是第二种方案的成本要低得多。
但是如果我们要直接更新状态变量，例如：
stateVar[0] = 12;
这也是可行的，不过如果你要处理映射和嵌套的数据类型，使用存储指针会让代码可读性更强。