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智能合约变量储存机制详解

创宇区块链安全实验室
创宇区块链安全实验室 机构得得号

2021年09月29日 • 专注构建区块链安全生态，致力于让人类进入安全的区块链世界。

摘要： 智能合约在以太坊广泛运用，与之相关的变量存储机制需要我们进一步研究。

前言

在以太坊上，我们可以通过部署智能合约来实现我们需要的功能，合约代码中我们往往需要定义一些变量，这就涉及到了智能合约变量的存储机制。

对此，知道创宇区块链安全实验室 根据 Solidity 所有的变量命名类型对智能合约的存储机制进行了分析研究。

存储机制

每个在以太坊虚拟机（EVM）中运行的智能合约的状态都在链上永久地存储着。

这些值存储在一个巨大的数组中，数组的长度为 2^256，下标从零开始且每一个数组能够储存 32 字节( 256 个比特)长度的值。并且存储是稀疏的，并没有那么密集。

Solidity 的数据变量类型分为两类

  • 值类型- value type
  • 引用类型- reference type

值类型

  • 布尔型 (bool) 2bit (0/1)

  • 整型 (int/uint ) 根据关键字的不同表示不同长度，int8 表示 8bits 有符号数

  • 定长浮点型 (fixed/ufixed) Solidity 还没有完全支持定长浮点型。可以声明定长浮点型的变量，但不能给它们赋值或把它们赋值给其他变量
  • 地址类型 (adress) 160bits
  • 地址类型成员变量 (balance,transfer....)  
  • balance  uint 256 (256bits) transfer () 
  • uint256 (256bits)
  • 定长字节数组 (byte[1]/bytes[1]) 定义数组时定义长度

引用类型

  • 不定长字节数组类型 (bytes[]/byte[],string,uint[]....)
  • 结构体 (struct)
  • 映射 (mapping)

 

简单分析

写一个简单值类型的合约

pragma solidity ^0.4.25;

contract TEST{
   bool a=false;
   bool b=true;
   int16 c=32767;
   uint16 d=0x32;
   byte e=10;
   bytes1 f=11;
   bytes2 g=22;
   uint h=0x1; //uint是uint256的简称
   address i=0xbc6581e11c216B17aDf5192E209a7F95a49e6837;
}

优化存储原则：

如果下一个变量长度和上一个变量长度加起来不超过 256bits，它们就会存储在同一个插槽里。

根据交易查询到的存储在以太坊虚拟机上面的值，下面进行分析：
0x0000000000000000000000000000000000000000000000160b0a00327fff0100 slot0
//0x00 a false
//0x01 b true
//0x7fff c 32767
//0x0032 d 0x32
//0x0a e 10
//0x0b f 11
//0x0016 g 22
0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000001 slot1
// h 0x1
0x000000000000000000000000bc6581e11c216b17adf5192e209a7f95a49e6837 slot2
// i 0x2
从上面可以看出：
  • 各个类型的存储长度
  • 存储顺序从后往前
  • 存储优化原则
  • byte.length==bytes1.length==8bits

 

数组类型

定长数组

pragma solidity ^0.4.25;
contract TEST{
   bytes8[5] a = [byte(0x6a),0x68,0x79,0x75];
   bool b=true;
}
可以看的我虽然规定了了长度为 5，但是实际上只用了 4 个，所以就只是用了四个 bytes8 的空间
是不是可以加一个，编译器会报错。

变长数组

pragma solidity ^0.4.25;
contract TEST{
   uint[] a=[0x77,0x88,0x99];
   function add(){
       a.push(0x66);
   }

}

We1c0me_t0_th3_w0_

rd1d_o7_bl0ck6hain

根据交易查询到的存储在以太坊虚拟机上面的值，下面进行分析：
0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000003 slot0
//存储的是数组a的长度3
0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000077 slotx
//a[0]
0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000088 slot(x+1)
//a[1]
0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000099 slot(x+2)
//a[2]
Storage Address 的由来 x=keccak_256(slot) slot 是指数组长度存储的位置，此处对应的就是 0，
对应的值就是：
0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000
import sha3
import binascii
def byte32(i):
   return binascii.unhexlify('4x'%i) #计算时需要进行填充
a=sha3.keccak_256(byte32(0)).hexdigest()
print(a)
#0x290decd9548b62a8d60345a988386fc84ba6bc95484008f6362f93160ef3e563 x
此后 a[1],a[2] 对应偏移 1，2 个插槽然后我们在调用 add() 函数看，发生了什么：
第一步改变了数组 a 的长度
第二步在 a[2] 后面的一个插槽写入 0x66

 

字符串类型

pragma solidity ^0.4.25;

contract TEST{

   string a='whoami';
}
from Crypto.Util.number import *
b=0x77686f616d69
print(long_to_bytes(b))
#b'whoami'
#0xc 代表字符串长度 每个字母占 2 个十六进制位

pragma solidity ^0.4.25;

contract TEST{

   string a='知道创宇';
}
from Crypto.Util.number import *
b=0xe79fa5e98193e5889be5ae87
print(long_to_bytes(b).decode('utf-8'))
#知道创宇
#0x18 每个汉字占 6 个十六进制位

pragma solidity ^0.4.25;

contract TEST{

   string a='Genius only means hard-working all one\'s life.';
}
此时的存储方式和数组类
from Crypto.Util.number import *
b=0x47656e697573206f6e6c79206d65616e7320686172642d776f726b696e6720616c6c206f6e6
52773206c6966652e
print(long_to_bytes(b))
#b"Genius only means hard-working all one's life."
思考了一下，比如像下面这样写，调用add函数后会发生什么

pragma solidity ^0.4.25;

contract TEST{
   string a='abcdf';
   function add(){
       a='Genius only means hard-working all one\'s life.';
   }
}

结构体类型

pragma solidity ^0.4.25;

contract TEST{
   struct test{
       bool a;
       uint8 b;
       uint c;
       string d;
   }
   test student=test(true,0x01,0xff,'abcd');
}
依旧按照存储优化原则

  • a，b slot0

  • c        slot1

  • d        slot2

如果 d 超出了 32 字节，那么此时x=x=keccak_256(2)

pragma solidity ^0.4.25;

contract TEST{
   struct test{
       bool a;
       uint8 b;
       uint c;
       string d;
   }
   test[] student;
   function add(){
       student.push(test(true,0x01,0xff,'abcd'));
   }
}

和变长数组存储类似，只不过以结构体长度为一个存储周期改变。

映射类型

pragma solidity ^0.4.25;

contract TEST{
   mapping(address=>uint) blance;
   function add(){
          blance[0xbc6581e11c216B17aDf5192E209a7F95a49e6837]=0x01;
   }
}

计算的规则是这样的，x=keccak_256(key+slot)

  • key 表映射类型的关键字
  • slot 代表定义映射类型变量对应的插槽
import sha3
import binascii
def byte32(i):
   return binascii.unhexlify('4x'%i)
key=0xbc6581e11c216B17aDf5192E209a7F95a49e6837
b=byte32(key)+byte32(0)
a=sha3.keccak_256(b).hexdigest()
print(a)
#21d25f73dd60df1532a052f5f1044cb0f7986a3f609d8674628447c29af248fb

pragma solidity ^0.4.25;

contract TEST{
   mapping(uint8=>string) blance;
   function add(){
       blance[0xb]="Genius only means hard-working all one's life.";
   }
}
import sha3
import binascii
def byte32(i):
   return binascii.unhexlify('4x'%i)
key=0xb
b=byte32(key)+byte32(0)
a=sha3.keccak_256(b).hexdigest()
print(a)
#9115655cbcdb654012cf1b2f7e5dbf11c9ef14e152a19d5f8ea75a329092d5a6 slot
a=sha3.keccak_256(byte32(slot)).hexdigest()
#3f6f2497fb590e494002b67c712e1fba86767d2906fb8e1ddae48d2b7d91908b

综合练习

pragma solidity >0.5.0;

contract StorageExample6 {
   uint256 a = 11;
   uint8 b = 12;
   uint128 c = 13;
   bool d = true;
   uint128 e =  14;

   uint256[] public array =  [401,402,403,405,406];

   address owner;
   mapping(address => UserInfo) public users;

   string  str="name value";

   struct UserInfo {
       string name;
       uint8 age;
       uint8 weight;
       uint256[] orders;
       uint64[3] lastLogins;

   }

  constructor()public {
      owner=msg.sender;
      addUser(owner,"admin",17,120);

  }

  function addUser(address user,string memory name,uint8 age,uint8 weight) public {

      require(age>0 && age <100 ,"bad age");

      uint256[] memory orders;

      uint64[3] memory logins;

      users[user] = UserInfo({
          name: name, age:    age,  weight:weight,
          orders:orders,  lastLogins:logins
      });
  }
  function addLog(address user,uint64 id1,uint64 id2,uint64 id3) public{
      UserInfo storage u = users[user];

      assert(u.age>0);

      u.lastLogins[0]=id1;
      u.lastLogins[1]=id2;
      u.lastLogins[2]=id3;

  }

 function addOrder(address user,uint256 orderID) public{

       UserInfo storage u = users[user];

       assert(u.age>0);

       u.orders.push(orderID);

   }

   function getLogins(address user) public view returns (uint64,uint64,uint64){

        UserInfo storage u = users[user];

       return  (u.lastLogins[0],u.lastLogins[1],u.lastLogins[2]);

   }

   function getOrders(address user) public view returns (uint256[] memory){

        UserInfo storage u = users[user];

       return  u.orders;

   }

}

避免太过冗长，放个图

解题练习

web3.eth.getStorageAt(address, position [, defaultBlock] [, callback])

  • address：String - 要读取的地址

  • position：Number - 存储中的索引编号

  • defaultBlock：Number|String - 可选，使用该参数覆盖 web3.eth.defaultBlock 属性值

  • callback：Function - 可选的回调函数, 其第一个参数为错误对象，第二个参数为结果。

题目一 --Vault

// SPDX-License-Identifier: MIT

pragma solidity ^0.6.0;

contract Vault {

 bool public locked;

 bytes32 private password;

 constructor(bytes32 _password) public {

   locked = true;

   password = _password;

 }

 function unlock(bytes32 _password) public {

   if (password == _password) {

     locked = false;

   }

 }

}

定义为私有变量只能组织其他合约访问，但是无法阻止公开访问按照其代码，可以知道 password
的存储位置是 1
web3.eth.getStorageAt(contract.address, 1)
直接使用
contract.unlock("A very strong secret password :\)")//密码错误
contract.unlock(web3.utils.hexToBytes('0x412076657279207374726f6e67207365637265742070617373776f7264203a29'))

题目二 --Lock Box

pragma solidity 0.4.24;
import "../CtfFramework.sol";
contract Lockbox1 is CtfFramework{
   uint256 private pin;
   constructor(address _ctfLauncher, address _player) public payable
       CtfFramework(_ctfLauncher, _player)
   {
       pin = now000;
   }
   function unlock(uint256 _pin) external ctf{
       require(pin == _pin, "Incorrect PIN");
       msg.sender.transfer(address(this).balance);
   }
}

  • 读取私有变量

  • constructor 只在构造的时候执行一次

总结

本篇文章详细讲解了智能合约的优化存储原则，数组类型，字符串类型，结构体类型和映射类型的存储机制。同时提供了基于 python 的计算代码，用以验证机制分析的正确性。

当然，本文涉及的智能合约设计并不复杂，在实际开发过程中远比此复杂，需要经历一些分析，在能找到正确的存储位置。

最后，希望通过本文章可以帮助大家进一步的了解智能合约。

作者：创宇区块链安全实验室；来自链得得内容开放平台“得得号”，本文仅代表作者观点，不代表链得得官方立场凡“得得号”文章，原创性和内容的真实性由投稿人保证，如果稿件因抄袭、作假等行为导致的法律后果，由投稿人本人负责得得号平台发布文章，如有侵权、违规及其他不当言论内容，请广大读者监督，一经证实，平台会立即下线。如遇文章内容问题，请联系微信：chaindd123

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本文系作者 创宇区块链安全实验室 授权链得得发表，并经链得得编辑，转载请注明出处、作者和本文链接

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