以太坊虚拟机（EVM）是以太坊智能合约的执行环境，被誉为“世界计算机”的核心，要理解EVM如何高效、安全地运行智能合约，深入探究其存储方式至关重要，EVM的存储并非简单的内存读写，而是一个设计精巧、层次分明、成本各异的系统，主要用于持久化存储合约的状态数据，本文将详细解析EVM的存储机制，包括其存储结构、访问方式以及相关的成本考量。

EVM存储的三个层次：内存、存储与 calldata

在深入探讨“存储”之前，有必要区分EVM中三个容易混淆但功能各异的数据存储区域：

1. 内存（Memory）：

   • 特性：临时的、线性的、可读写的内存区域，它的生命周期仅限于一次交易或消息调用的执行过程中。
   • 用途：用于存储交易执行过程中的临时变量、中间计算结果、函数参数和返回值等。
   • 特点：按字节扩展，访问速度快（相对于Storage），但数据在交易结束后即被销毁，内存的扩展是有成本的（按字节数计算）。

2. 存储（Storage）：

   • 特性：持久化的、键值对（Key-Value）形式的存储区域，每个智能合约都拥有自己独立的、唯一的存储空间。
   • 用途：用于存储合约的状态变量，这些数据需要在交易之间保持不变，是合约状态的核心组成部分。
   • 特点：数据永久存储在以太坊的区块链上，直到被修改或删除，访问和修改Storage的成本相对较高，且“写”操作的成本远高于“读”操作。

3. Calldata：

   • 特性：只读的、传递给函数调用的参数数据。
   • 用途：存储函数调用的输入参数，包括函数选择器和参数值。
   • 特点：是交易数据的一部分，在交易执行期间存在，不可修改，访问成本较低。

本文的核心将聚焦于存储（Storage），即智能合约状态数据的持久化载体。

EVM存储的核心机制：键值对与Merkle Patricia Trie

EVM的存储本质上是一个巨大的键值对数据库,但对于每个合约而言，其存储空间是独立的，其底层实现与以太坊的状态数据库紧密相连，采用了Merkle Patricia Trie（MPT）数据结构。

1. 键值对结构：

   • 键（Key）：一个256位的整数（32字节），状态变量的位置（通过偏移量计算）或映射/数组的特定索引会被映射为这个键，一个简单的状态变量uint256 public myVar;的键可能是0（如果它是第一个状态变量），而mapping(uint256 => address)的某个键可能是keccak256(abi.encodePacked(index, mappingPosition))。
   • 值（Value）：也是一个256位的整数（32字节），如果状态变量类型（如字符串、数组、结构体）长度超过32字节，则其值会存储在存储的其他位置，而原位置存储指向这些数据的指针或长度信息。

2. Merkle Patricia Trie（MPT）：

   • 作用：MPT是以太坊状态数据（包括每个合约的存储）的组织和查找方式，它是一种前缀树（Trie）的变种，结合了Merkle树的特性。
   • 优势：
     • 高效查找：允许快速定位任意键值对。
     • 数据完整性：每个节点都有唯一的哈希值，根节点的哈希（称为状态根）代表了整个存储状态，任何数据的微小改动都会导致状态根的变化，这使得轻客户端可以高效验证状态。
     • 空间效率：通过共享公共前缀的路径，减少了存储冗余。
   • 层级关系：从全局状态根开始，通过合约地址找到对应的合约存储根，再通过存储键找到具体的存储值。

存储的访问与操作

智能合约通过特定的EVM操作码（Opcode）来访问和修改存储：

• SLOAD (Storage Load)：从存储中读取一个值到栈中，输入是存储键（256位），输出是对应的存储值（256位）。
• SSTORE (Storage Store)：将栈中的一个值写入到存储中指定的键，输入是存储键和要写入的值。
• SSIZE (Storage Size)：获取当前合约中已使用的存储槽数量（即最大的非零键+1，或类似逻辑，具体实现细节略有复杂）。
• SELFBALANCE, BALANCE, EXTCODESIZE, EXTCODEHASH, STATICCALL：这些操作码虽然不直接修改存储，但可能间接影响或访问与存储相关的状态。

存储的成本：Gas机制

以太坊通过Gas机制来防止滥用网络资源,EVM的存储操作是Gas消耗的主要来源之一，理解其成本模型对于开发高效、低成本的智能合约至关重要。

1. SLOAD（读取）：

   • 首次读取冷存储（Cold Access）：如果某个存储键在当前交易中未被访问过，或者距离上次访问已经较远（具体取决于EIP实现），则读取该键的成本较高（EIP-2929后约为2100 Gas）。
   • 再次读取热存储（Warm Access）：如果某个存储键在当前交易中已被访问过（即已被标记为“热”），则再次读取的成本较低（EIP-2929后约为100 Gas）。
   • 从合约自身存储读取：通常比从其他合约存储读取便宜。

2. SSTORE（写入/修改/删除）：

   • SSTORE的成本更为复杂,取决于当前值和新值：
     • 首次写入（从0到非0）：成本较高，因为需要在区块链上永久存储数据。
     • 修改（从非0到非0）：成本中等。
     • 删除（从非0到0）：成本较低，但会触发一个“退款”（Refund），以鼓励清理未使用的存储空间（退款金额有上限）。
     • 从非0到非0但值未改变：在某些情况下可能不消耗Gas或消耗极少量Gas（EIP-3529调整了退款机制）。
   • 这些成本旨在反映存储的稀缺性和写入的开销。

3. 内存扩展（MLOAD, MSTORE等）： 虽然不是存储，但内存的扩展也会消耗Gas，因为内存是动态分配的，开发者需要注意避免不必要的内存分配。

存储优化的最佳实践

由于存储操作成本高昂,智能合约开发者需要采取一系列优化策略：

1. 最小化存储写入：尽量减少状态变量的数量和写入次数，考虑使用局部变量进行计算，只在必要时才写入存储。
2. 合理设计数据结构：使用更紧凑的数据结构，例如使用uint256代替uint（因为uint默认是uint256），避免存储冗余数据，对于复杂结构，考虑使用mapping或数组来组织数据。
3. 利用“清理”机制：对于不再需要的数据，显式地将其置零（delete myV
   
   ar或myVar = 0）以获取Gas退款，但要注意退款上限。
4. 批量处理：如果可能，将多个存储操作合并到一次交易中，以利用热访问的优势。
5. 避免在循环中频繁读写存储：循环中的存储操作会累积高昂的Gas成本，尽量将循环中的数据读取到内存中处理，最后再写回存储。
6. 使用视图（View）和纯（Pure）函数：这些函数不修改状态，因此不会触发SSTORE操作，Gas成本较低（仅包含执行Gas）。

以太坊虚拟机的存储方式是其设计精妙性的体现,它通过持久化的键值对结构和Merkle Patricia Trie，确保了智能合约状态的可靠性、可验证性和高效访问，这种持久性是有成本的，Gas机制有效地调节了存储的使用，对于智能合约开发者而言，深刻理解EVM的存储机制、成本模型并掌握相应的优化技巧，是编写高效、经济、安全智能合约的必备能力，随着以太坊的不断升级（如EIP-4844、EIP-1153等对存储和Gas的优化），存储方式也在持续演进，以更好地支撑去中心化应用的发展。