以太坊智能合约的原理和使用方法

一、智能合约概述

1.1 智能合约是什么

智能合约本质上是运行在区块链上的一段代码，代码的逻辑定义了合约的内容。
智能合约账户保存了合约当前的运行状态，包括当前余额（balance）、交易次数（nonce）、合约代码（code）、存储（storage 数据结构是MPT，合约的执行数据保存在这里）。

1.2 solidity语言

智能合约的最常用的语言是Solidity，语法上与JavaScript很接近。如下图所示：

“pragma solidity ^0.4.21”声明solidity版本号，不同版本在语法上有一些差别；
contract相当于“class（类）”，里面定义了一些状态变量。solidity是强类型编程语言，大部分类型与常用编程语言类似，address类型是solidity特有的类型；
mapping哈希表不支持遍历，所以需要单独创建一个数组，用于遍历key值，例如上图的哈希表bids和数组bidders；
event（事件）用于记录日志，使用emit调用该日志函数；
constructor是构造函数，仅在合约创建时调用一次；
接下来3个成员函数都是public，可以被外部账户或合约账户调用。

二、外部账户调用智能合约

如果外部账户是转账给另一个外部账户，那么与比特币的转账几乎相同；如果转账给合约账户，那么就是发起这个账户的合约调用，调用的函数及参数在“TX DATA”域中说明，如下图所示：

其它域的说明如下：
“SENDER ADDRESS”为发起转账的地址；
“TO CONTRACT ADDRESS”为接收的合约账户；
“VALUE”为转账金额（金额为0说明仅调用函数，没有转账）；
“GAS USED”是该交易花费的汽油量；
“GAS PRICE”是单位汽油的价格；
“GAS LIMIT”为发起人最多愿意花费的汽油量。

三、一个合约调用另一个合约

一个合约可以调用另一个合约，但是合约账户不能主动调用另一个合约，必须由外部账户发起。

3.1 直接调用

给出另一个合约的地址，直接调用。如下图所示，callAFooDirectly的参数是一个合约地址，将地址转换为合约实例，然后就可以调用该合约的foo函数：

如果在执行a.foo()过程中抛出错误，则callAFooDirectly也抛出错误，本次调用全部回滚。ua为执行a.foo(“call foo directly”)的返回值。
另外可以通过.gas() 和 .value() 调整提供的gas数量或提供一些ETH。

3.2 使用address类型的call()函数

通过address类型call函数调用智能合约。下面这个例子相当于A(addr).foo(“call foo by func call”)，如下图所示：

call函数的第一个参数被编码成4个字节，表示要调用的函数的签名。其它参数会被扩展到32字节，表示要调用函数的参数。
返回一个布尔值表明了被调用的函数已经执行完毕（true）或者引发 了一个EVM异常（false），无法获取函数返回值。而发起调用的函数并不会产生异常，继续执行。
与直接调用类似，也可以通过.gas() 和 .value() 调整提供的gas数量或提供一些ETH。

3.3 代理调用delegatecall()函数

代理调用delegatecall()函数使用方法与call()相同，只是不能使用.value()。
另外call()会切换到被调用的智能合约上下文中，delegatecall()只使用给定地址的代码，其它属性（存储，余额等）都取自当前合约。delegatecall 的目的是使用存储在另外一个合约中的库代码。

3.4 payable

如果合约账户接收外部转账（“VALUE”域不为0），被调用的函数必须标注payable。例如下图所示，bid函数接收拍卖出价，以太币存储在合约内，可以防止恶意出价：

3.5 fallback()函数

如果转账交易的“TX DATA”域中没有说明函数名，或域里的函数名不存在，则默认调用fallback函数，如果合约中没有定义fallback函数（合约中不一定存在fallback函数），那么将调用失败。函数定义如下所示：
function() public [payable]{
……
}

• 匿名函数，没有参数也没有返回值。
• 如果转账金额（“VALUE”域）不是0，同样需要声明payable，否则会抛出异常。

四、智能合约的创建和运行

4.1 创建与运行

智能合约的代码写完后，要编译成bytecode。创建合约时，外部帐户发起一个转账交易到0x0的地址，转账金额（“VALUE”域）是0，但是要支付汽油费，合约的代码放在data域里。

智能合约运行在EVM（Ethereum Virtual Machine）上，EVM的寻找空间为256位。以太坊是一个交易驱动的状态机，调用智能合约的交易发布到区块链上后，每个矿工都会执行这个交易，从当前状态确定性地转移到下一个状态。

4.2 汽油费（gas fee）

智能合约是个Turing-complete Programming Model。理论上可证明，不存在任何算法可判断出任一程序是否会停机。
以太坊中使用汽油费机制，防止出现死循环。合约中的指令在执行时要收取汽油费，由发起交易的人来支付。EVM中不同指令消耗的汽油费是不一样的，简单的指令很便宜，复杂的或者需要存储状态的指令就很贵读取。读取公共数据时，则不需要汽油费。汽油费在txdata结构体中，代码如下所示：

AccountNonce是交易序号，用于防止重放攻击，Price是单位汽油价格，GasLimit是愿意支付的最大汽油量，Recipient是收款人地址，Amount是转账金额，Payload是合约函数和参数，即前面章节所述的txDATA域。
实际系统中，节点收到一个智能合约调用时，先按照GasLimit从发起的账户里扣掉Gas fee，增加自己账户余额，然后根据实际执行结果算出花费的汽油费，多出的汽油费会退还。如果执行中发现汽油费不足，会引起回滚，但是执行中扣掉的汽油费不会退还；

GasLimit：
区块头结构体中的GasUsed指的所有交易用的汽油总和；GasLimit指的是区块内所有交易能够消耗的汽油上限，与txData结构体中的GasLimit没有关系，用于限制区块内消耗的资源（比特币中使用区块小于1M来限制）。每个矿工在打包区块时，都可以在父区块的GasLimit基础上调整±1/1024。

合约执行异常的汽油费
合约执行过程中出现任何异常，都会回滚，同时扣掉对应汽油费，所以出错的交易也会包含在区块中。合约执行结果体现在交易收据中，即Receipt结构体中的Status域。
其他节点收到区块后会扔掉自己的执行结果，同时验证区块内的交易，包括验证汽油费的扣除是否合法。然后更新本地数据结构，继续挖矿。

4.3 错误处理

智能合约的执行具有原子性，一旦遇到异常（比如汽油费不够），除特殊情况外，执行操作全部回滚，不会只执行一部分。智能合约中不存在自定义的try-catch结构，不可以捕获异常。
可以抛出错误的语句如下：

• assert(bool condition)：如果条件不满足就抛出—用于内部错误。
• require(bool condition):如果条件不满足就抛出—用于函数输入或者外部组件引起的错误。
• revert():无条件地抛出异常，终止运行并回滚状态变动。

4.4 嵌套调用

嵌套调用是指一个合约调用另一个合约中的函数。如果被调用的合约执行过程中发生异常，有些调用方法会导致发起调用的这个合约也跟着一起回滚，而call()函数调用则不会连环回滚，只会使得当前调用失败，得到false返回值。

一个合约直接向一个合约帐户里转账，没有指明调用哪个函数，仍然会引起嵌套调用，这时调用的是fallback函数。

五、智能合约可以获取的信息

智能合约不支持任何造成执行结果不确定的操作，比如多线程下对内存的访问、真随机数产生。
另外智能合约无法获取与系统环境相关的信息，因为每个系统的环境都是不一样的，所以只能获得一些固定信息。

5.1 区块信息

智能合约可以获得的区块信息如下：

• block.blockhash(uint blockNumber) returns (bytes32)：获得指定区块的哈希，仅对最近256个区块有效而不包括当前区块
• block.coinbase (address)：挖出当前区块的矿工地址
• block.difficulty (uint)：当前区块难度
• block.gaslimit (uint)：当前区块gas限额
• block.number (uint)：当前区块号
• block.timestamp (uint)：自unix epoch起始当前区块以秒计的时间戳

5.2 合约调用信息

智能合约可以获得的合约调用信息如下：

• msg.data (bytes)：完整的calldata
• msg.gas (uint)：剩余gas
• msg.sender (address)：消息发送者（当前调用）
• msg.sig (bytes4)：calldata的前4字节（也就是函数标识符）
• msg.value (uint)：随消息发送的wei的数量
• now (uint)：目前区块时间戳（block.timestamp）
• tx.gasprice (uint)：交易的gas价格
• tx.origin (address)：交易发起者（完全的调用链）

六、合约地址类型

6.1 合约地址调用

所有智能合约均可显式地转换成地址类型，当前智能合约得到另一个合约的address，便可通过address调用对应合约的成员变量和函数，如下所示：

• <address>.balance (uint256)：
  balance为成员变量，类型是uint256，以Wei为单位的地址类型的余额；
• <address>.call(…) returns (bool)：
  发出底层call，失败时返回false，发送所有可用gas，不可调节；
• <address>.callcode(…) returns (bool)：
  发出底层callcode，失败时返回false，发送所有可用gas，不可调节；
• <address>.delegatecall(…) returns (bool)：
  发出底层delegatecall，失败时返回false，发送所有可用gas，不可调节。

6.2 转账给合约

转账给合约地址方式如下所示：

• <address>.transfer(uint256 amount)：
  会触发调用fallback函数，向地址类型发送数量为amount的Wei，失败时抛出异常，同时发送2300gas的矿工费，不可调节；
• <address>.send(uint256 amount) returns (bool)：
  会触发调用fallback函数，向地址类型发送数量为amount的Wei，失败时返回fasle，同时发送2300gas的矿工费用，不可调节；
• <address>.call.value(uint256 amount)():
  会触发调用fallback函数，向地址类型发送数量为amount的Wei，失败时返回fasle，发送所有可用gas，多余的gas再返回。