EVM底层结构
以太坊是一个状态机，最终区块交易的状态就是区块链的状态，根据以太坊白皮书《A Next-Generation Smart Contract and Decentralized Application Platform》的描述，以太坊架构为
1、数据结构
1) accountSate帐户
| accountSate | 描述说明 |
|---|---|
基于0的计数器，账户发起交易计数，对于合约账户，表示此帐户创建的合约数量并初始化为1 | |
balance | 余额 |
storageRoot | 账户存储树根哈希 |
codeHash | 如果有关联代码就是合约账户 |
2) transaction交易
| transaction | 描述说明 |
|---|---|
nonce | 发出交易的账户的nonce值 |
gasPrice | 余额 |
gasLimit | transaction里最多能用费用 |
to | 接受者地址 |
value | 转账金额、合约创建初始充值 |
data | 附加数据 |
v,r,s | 交易签名 |
3) receipt收据
| receipt | 描述说明 |
|---|---|
postState | []byte，交易之后的状态的RLP编码后结果 |
cumulativeGasUsed | 交易总共gas消耗余额 |
logsBloom | [256]byte，布隆过滤器，用于检索一笔交易的收据中所有的日志 |
logs | []*Log，存储涉及的日志 |
4) block区块（Header + Body）
| block Header | 描述说明 |
|---|---|
parentHash | 父块头哈希，正是通过此记录，才能完整的将区块有序组织，形成一条区块链 |
sha3Uncles | 叔块头哈希列表的哈希（PoS不存在该概念,uncles= |
beneficiary | 挖矿奖励获取人地址address（miner） |
stateRoot | 状态树根节点Hash |
transactionsRoot | 交易树根节点Hash |
receiptsRoot | 收据树根节点Hash |
logsBloom | [256]byte，用于检索当前区块中所有的receipt收据的日志的布隆过滤器 |
difficulty | big.Int，PoW时难度值 12s-16s自动调整（PoS后固定为0） |
number | big.Int，区块高度 |
gasLimit | uint64，区块内能用的gas 允许矿工可以有5%的上下浮动（伦敦升级后为1500W，但块的大小将根据网络需求增加或减少，直到块限制为 3000 W{原目标大小的 2 倍}，solidity合约大小限制为的 |
gasUsed | uint64，区块内所有交易实际消耗的gas |
timeStamp | uint64，表示此区块创建的UTC时间戳，单位秒（PoW矿工可以将区块时间戳修改 +/-15 秒，PoS为固定12s，极少数会有12的整数倍的情况，会检查时间戳） |
extraData | <=32字节数组，由矿工自定义，一般会写一些公开推广类内容或者作为投票使用。 |
mixHash | 本区块标识哈希（hash(区块头数据不包含nonce)） |
nonce | uint64（8字节）随机数，PoW工作量证明（PoS后固定为0） |
| block Body | 描述说明 |
|---|---|
TransactionList | 交易列表 |
ommersList | 叔块头哈希列表(PoS后固定为空 |
5）四棵全局树（Trie）
World State Trie世界状态树
| Key | value | 描述说明 |
|---|---|---|
keccak256(ethereumAddress) | RLP(accountState) | 关联block header的stateRoot |
Transactions Trie区块级交易树
| key | value | 描述说明 |
|---|---|---|
RLP(transactionIndex) | RLP(transaction) | 关联block header的transactionsRoot |
Receipts Trie区块级数据树
| Key | value | 描述说明 |
|---|---|---|
RLP(transactionIndex) | RLP(transactionReceipt) | 关联block header的receiptsRoot |
Account Storage Trie账户存储树
| key | value | 描述说明 |
|---|---|---|
keccak256(slot position) | RLP(slot position) | 关联acountState的storageRoot |
注意：四个Trie 都不在区块链网络传输 ，网络中只传输交易数据
2、存储设计
以太坊虚拟机（或EVM）是基于堆栈的计算机。这意味着所有指令都从堆栈中获取它们的参数，并将它们的结果写入堆栈。因此，每条指令都有堆栈输入、它需要的参数（如果有的话）、堆栈输出和返回值（如果有的话）。所有指令都编码为 1 个字节，PUSH 指令除外，它允许将任意值放入堆栈并在指令后直接对该值进行编码。可用指令列表及其操作码显示在参考资料中。
虚拟机VM：运行在真实机器上的软件，提供操作系统（在系统VM的情况下）或应用程序（在进程 VM的情况下）的运行环境。
传统CPU以及诸如 Dalvik 虚拟机（Android移动设备平台的核心组成部分之一，可以支持已转换为.dex 格式的Java「注：JVM是基于堆栈的」应用程序的运行），是基于寄存器的结构：区别
| 存储结构 | 功能 | 规则与大小 |
|---|---|---|
ROM | 用来保存所有EVM程序代码的“只读”存储，由以太坊客户端独立维护 | 存储只读代码，Code is Law |
Stack | 即所谓的“运行栈”，用来保存EVM指令的输入和输出数据 | 256 bit(32字节)位宽，最大深度为1024 |
Momory | 内存，一个简单的字节数组，用于临时存储EVM代码运行中需要的存取的各种数据 | 256bit / 8bit位宽，无限大小，基于32字节进行寻址和扩展 |
Storage | 存储，由以太坊客户端独立维护的持久化数据区域 | 256 * 2 bit位宽(key & value)，2^256大小，每个账户的存储区域被以32字节为单位划分为若干”槽（slot）“，合约中的“状态变量”会根据其具体类型分别保存到这些“槽”中 |
在 Solidity 中，有两个地方可以存储变量 ：存储（storage）以及内存（memory）。Storage变量是指永久存储在区块链中的变量。Memory 变量则是临时的，只能用于函数内部，当外部函数对某合约调用完成时，内存型变量即被移除。
storage 在区块链中是用key/value的形式存储slot[x]=y，而memory则表现为字节数组[0x01, 0x02...]
存储在内存的memory，根据存储位置还可以细分为2种类型的存储数据位置，一种是Calldata，一种是Stack
(1) Calldata这是一块只读的，且不会永久存储的位置，用来存储函数参数。 一般将外部函数的参数（非返回参数）的数据位置指定为 calldata ，效果跟 memory 差不多。
(2) Stack ，EVM是一个基于堆栈的虚拟机，opcodes指令的运算需要借助Stack，而Stack实际是在计算机内存中的一个数据结构，每个栈元素占为256位，栈最大长度为1024。 值类型的局部变量是存储在栈上，但注意，堆栈仅有高处的 16 层是可以被快速访问的（solidity中stack overflow报错的原因）
操作码Opcodes（字节指令）：EVM指令被分配了一个介于 0 和 255（或十六进制中的 FF）之间的值。它是帮助我们人类阅读指令的文本表示。智能合约是一组指令。当 EVM 执行智能合约时，它会逐条读取并执行每条指令。如果无法执行指令（例如，因为堆栈上没有足够的值），则执行将返回。
3、编码方式
1）HP编码
十六进制前缀 Hex-Prefix 编码：
主要树节点结构 Merkle Patricia tree （Trie）
2）RLP编码
递归长度前缀编码 Recursive Length Prefix Encoding：
EVM只认序列化数据，state数据保存与传输，将任意格式的数据编码串型
BE 是将正整数值扩展为最小长度的高端字节数组的函数，点运算符是执行序列拼接
3）RLP与ABI-Encoding
应用二进制接口ABI（ Application Binary Interface）是与合约交互的标准。 EVM使用 ABI 编码的数据来理解要执行字节码的哪一部分。合约交互只是以太上的一种交易。payload（要做什么） 位于transaction的data字段中。
调用合约的用户通过 ABI-Encoding 对的输入参数和函数签名进行编码（当然也包括合约代码的输出参数，比如日志Log的data），并将其放在transaction的data字段中。之后队transaction进行签名作为所有权证明。最后，对整个transaction数据进行 RLP 编码，即可传递给EVM。
注意：ABI编码仅用于合约交互，transaction的
data字段包含目标函数选择器和函数所需入参。而 RLP，可以理解为是Ethereum在数据通过传输之前进行数据编码(转换)的低级方法
具体合约交互的数据转换逻辑：
发送方：
确定在合约地址与对应的函数
ABI 编码函数选择器和输入参数
将 ABI 编码器的输出原始字节放入交易的
data将所有值放入交易包括 to、 value 和 nonce
RLP 对这些字段进行编码
签名交易
再次RLP 编码并发送
接收方：
RLP解码收到的transaction
验证签名，检查交易的有效性
再次RLP解码
执行 (EVM 将在内部处理 ABI 解码与执行)
4、EVM细节
注意：所有的 refund 都在 tx 最后执行而不是实时返还，这解释了即便在某些情况下 gasUsed<gaslimit, tx 仍会因out of gas而失败
EVM 代码执行的实际gas消耗与其对内存memory的使用有关，并不是固定的。
鼓励最小化使用存储storage，用sstore操作将非0值存储区域重置为0值，会在最后获得的gas返还。
交易执行的最后会删除执行过程中接触过的所有“空账户”和自毁列表中的账户，这也会返还一定量的gas。
EVM代码的执行必定会持续到一个正常终止或一个异常终止，但无法用代码直接触发一个异常终止。
EVM代码执行的异常终止会撤销当前交易中所有对状态的更改，但执行过程中所有消耗的gas不会返还。
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