優化以太坊智能合約Gas費用的最佳實踐

以太坊主網的Gas費用一直是一個棘手的問題,尤其在網路擁堵時更爲明顯。高峯期用戶需要支付高昂的交易費用。因此,在智能合約開發階段進行Gas費用優化至關重要。優化Gas消耗不僅能有效降低交易成本,還能提升交易效率,爲用戶帶來更經濟高效的區塊鏈體驗。

本文將概述以太坊虛擬機(EVM)的Gas費機制、Gas費優化的核心概念,以及開發智能合約時進行Gas費優化的最佳實踐。希望這些內容能爲開發者提供啓發和實用幫助,同時也幫助普通用戶更好地理解EVM的Gas費用運作方式,共同應對區塊鏈生態中的挑戰。

EVM的Gas費機制簡介

在兼容EVM的網路中,"Gas"是用於衡量執行特定操作所需計算能力的單位。

EVM的結構布局中,Gas消耗分爲三個部分:操作執行、外部消息調用以及內存和存儲的讀寫。

由於每筆交易的執行都需要計算資源,因此會收取一定費用以防止無限循環和拒絕服務(DoS)攻擊。完成一筆交易所需的費用被稱爲"Gas費"。

自EIP-1559(倫敦硬分叉)生效以來,Gas費通過以下公式計算:

Gas fee = units of gas used * (base fee + priority fee)

基礎費會被銷毀,優先費用則作爲激勵,鼓勵驗證者將交易添加到區塊鏈中。在發送交易時設置更高的優先費用,可以提高交易被包含在下一個區塊中的可能性。這類似於用戶向驗證者支付的一種"小費"。

1.理解EVM中的Gas優化

當用Solidity編譯智能合約時,合約會被轉換爲一系列"操作碼",即opcodes。

任何一段操作碼(例如創建合約、進行消息調用、訪問帳戶存儲以及在虛擬機上執行操作)都有一個公認的Gas消耗成本,這些成本記錄在以太坊黃皮書中。

經過多次EIP的修改,其中一些操作碼的Gas成本已被調整,可能與黃皮書中有所偏差。

2.Gas優化的基本概念

Gas優化的核心理念是在EVM區塊鏈上優先選擇成本效率高的操作,避免Gas成本昂貴的操作。

在EVM中,以下操作成本較低:

• 讀寫內存變量
• 讀取常量和不可變變量
• 讀寫本地變量
• 讀取calldata變量,例如calldata數組和結構體
• 內部函數調用

成本較高的操作包括:

• 讀寫存儲在合約存儲中的狀態變量
• 外部函數調用
• 循環操作

EVM Gas費用優化最佳實踐

基於上述基本概念,我們爲開發者社區整理了一份Gas費優化最佳實踐清單。通過遵循這些實踐,開發者可以降低智能合約的Gas費消耗,降低交易成本,並打造更高效且用戶友好的應用程序。

1.盡量減少存儲的使用

在Solidity中,Storage(存儲)是一種有限資源,其Gas消耗遠高於Memory(內存)。每次智能合約從存儲中讀取或寫入數據時,都會產生高額的Gas成本。

根據以太坊黃皮書的定義,存儲操作的成本比內存操作高出100倍以上。比如,OPcodesmload和mstore指令僅消耗3個Gas單位,而存儲操作如sload和sstore即使在最理想的情況下,成本也至少需要100個單位。

限制存儲使用的方法包括:

• 將非永久性數據存儲在內存中
• 減少存儲修改次數:通過將中間結果保存在內存中,待所有計算完成後,再將結果分配給存儲變量。

2. 變量打包

智能合約中使用的Storage slot(存儲槽)的數量以及開發者表示數據的方式會極大影響Gas費的消耗。

Solidity編譯器會在編譯過程中將連續的存儲變量打包,並以32字節的存儲槽作爲變量存儲的基本單位。變量打包是指通過合理安排變量,使多個變量能夠適配到單個存儲槽中。

通過這一細節的調整,開發者可以節省20,000個Gas單位(存儲一個未使用過的存儲槽需要消耗20,000Gas),但現在僅需要兩個存儲槽。

由於每個存儲槽都會消耗Gas,變量打包通過減少所需存儲槽的數量來優化Gas的使用。

3. 優化數據類型

一個變量可以用多種數據類型表示,但不同的數據類型對應的操作成本也不同。選擇合適的數據類型有助於優化Gas的使用。

例如,在Solidity中,整數可以細分爲不同的大小:uint8、uint16、uint32等。由於EVM是以256位爲單位執行操作,使用uint8意味着EVM必須先將其轉換爲uint256,而這種轉換會額外消耗Gas。

單獨來看,這裏使用uint256比uint8更便宜。然而,若使用我們之前建議的變量打包優化就不同了。如果開發者能夠將四個uint8變量打包到一個存儲槽中,那麼迭代它們的總成本將比四個uint256變量更低。這樣,智能合約就可以讀寫一次存儲槽,並在一次操作中將四個uint8變量放入內存/存儲中。

4. 使用固定大小變量替代動態變量

如果數據可以控制在32字節內,建議使用bytes32數據類型替代bytes或strings。一般來說,固定大小的變量比可變大小的變量消耗的Gas更少。如果字節長度可以限制,盡量選擇從bytes1到bytes32的最小長度。

5. 映射與數組

Solidity的數據列表可以用兩種數據類型表示:數組(Arrays)和映射(Mappings),但它們的語法和結構截然不同。

映射在大多數情況下效率更高而成本更低,但數組具有可迭代性且支持數據類型打包。因此,建議在管理數據列表時優先使用映射,除非需要迭代或可以通過數據類型打包優化Gas消耗。

6. 使用calldata代替memory

函數參數中聲明的變量可以存儲在calldata或memory中。兩者的主要區別在於,memory可以被函數修改,而calldata是不可變的。

記住這個原則:如果函數參數是只讀的,應優先使用calldata而非memory。這樣可以避免從函數calldata到memory的不必要復制操作。

7. 盡可能使用Constant/Immutable關鍵字

Constant/Immutable變量不會存儲在合約的存儲中。這些變量會在編譯時計算,並存儲在合約的字節碼中。因此,與存儲相比,它們的訪問成本要低得多,建議盡可能使用Constant或Immutable關鍵字。

8. 在確保不會發生溢出/下溢時使用Unchecked

當開發者能夠確定算術操作不會導致溢出或下溢時,可以使用Solidity v0.8.0引入的unchecked關鍵字,避免多餘的溢出或下溢檢查,從而節省Gas成本。

此外,0.8.0及以上版本的編譯器已不再需要使用SafeMath庫,因爲編譯器本身已內置了溢出和下溢保護功能。

9. 優化修改器

修改器的代碼被嵌入到被修改過的函數中,每次使用修改器時,其代碼都會被復制。這會增加字節碼的大小並提高Gas消耗。

通過將邏輯重構爲內部函數_checkOwner(),允許在修改器中重復使用該內部函數,可減少字節碼大小並降低Gas成本。

10. 短路優化

對於||和&&運算符,邏輯運算會發生短路評估,即如果第一個條件已經能夠確定邏輯表達式的結果,則不會評估第二個條件。

爲了優化Gas消耗,應將計算成本低廉的條件放在前面,這樣可以有可能跳過成本高昂的計算。

附加一般性建議

1. 刪除無用代碼

如果合約中存在未使用的函數或變量,建議將其刪除。這是減少合約部署成本並保持合約體積小最直接的方法。

以下是一些實用建議:

使用最高效的算法進行計算。如果合約中直接使用某些計算的結果,那麼就應該去除這些冗餘計算過程。本質上,任何未使用的計算都應該被刪除。

在以太坊中,開發者通過釋放存儲空間可以獲得Gas獎勵。如果不再需要某個變量時,應使用delete關鍵字刪除它,或將其設置爲默認值。

循環優化:避免高成本的循環操作,盡可能合並循環,並將重復計算移出循環體。

2. 使用預編譯合約

預編譯合約提供復雜的庫函數,例如加密和散列操作。由於代碼不是在EVM上運行,而是在客戶端節點本地運行,因此需要的Gas更少。使用預編譯合約可以通過減少執行智能合約所需的計算工作量來節省Gas。

預編譯合約的示例包括橢圓曲線數字籤名算法(ECDSA)和SHA2-256哈希算法。通過在智能合約中使用這些預編譯合約,開發者可以降低Gas成本,並提高應用程序的運行效率。

3. 使用內聯匯編代碼

內聯匯編(in-line assembly)允許開發者編寫可由EVM直接執行的低級卻高效的代碼,而無須使用昂貴的Solidity操作碼。內聯匯編還允許更精確地控制內存和存儲的使用,從而進一步減少Gas費。此外,內聯匯編可以