GAS:柏林硬分叉對 Gas 影響幾何？

柏林硬分叉已于4月14日在主網上線，引入了四份EIP。其中的兩份(EIP-2929?和?EIP-2930)對交易的gas成本有影響。本文將解釋部分gas成本在柏林前是如何計算的，加入了EIP-2929后會如何變化，以及如何使用EIP-2930引入的訪問列表。

要點速覽

這篇文章很長，這是它的概要：

柏林硬分叉改變一些操作碼的gas成本。如果在一個dapp或一個智能合約里gas費的值是硬編碼的，它們可能會中止運行。如果這種情況發生了，且智能合約是不可更新的，消費者將需要用EIP-2930的訪問列表才能使用那部分的操作碼。

訪問列表可以用作減少少量的gas成本，但實際上它們在一些情況下是會增加總gas消耗量的。

geth?增加了一個叫?eth_createAccessList?的新RPC方法，用以簡化訪問列表的創建。

柏林硬分叉前的gas成本

EVM執行的每個操作碼都有一筆相關的gas成本。它們大多數的成本是固定的：PUSH1?總是消耗3個單位的gas，MUL?消耗5個，等等。其他一些是會變化的：比如?SHA3?的操作碼成本依賴于它的輸入大小。

我們主要討論操作碼?SLOAD?和?SSTORE，因為它們是最受柏林硬分叉影響的。我們以后會討論針對地址的操作碼，比如所有的?EXT*?和?CALL*?，因為它們的gas成本也改變了。

Gemini選擇都柏林作為其歐洲總部:5月25日消息，加密交易所Gemini今天宣布，選擇愛爾蘭都柏林作為其歐洲總部。Gemini 愛爾蘭和歐洲的負責人Gillian Lynch表示，隨著我們繼續擴大我們的全球足跡，我們很高興能夠利用都柏林和愛爾蘭市場提供的人才和創新。

去年7月，Gemini成為在愛爾蘭中央銀行注冊的首家虛擬資產服務商，為個人和機構提供加密貨幣服務。（siliconrepublic）[2023/5/25 10:40:20]

柏林前SLOAD的gas成本

在沒有EIP-2929之前，SLOAD?的gas消耗很簡單：它總是消耗800gas。所以沒有什么可說的。

柏林前SSTORE的gas成本

在gas消耗方面，SSTORE?可能是最復雜的操作碼了，因為它的成本取決于像存儲slot的當前值、新值、以及它是否之前被修改過。我們僅對一些情況進行分析以獲得一個基本理解；如果你想了解更多，請閱讀文末的EIP鏈接。

如果存儲slot的值從0變成1(或任何非0的值)，gas消耗量是20000。

如果存儲slot的值從1變成2(或任何其他非0的值)，gas消耗量是5000。

如果存儲slot的值從1(或任何非0的值)變成0，gas消耗量也是5000，但在交易的最后你會獲得1筆gas費返還。本文不會討論gas費返還，因為它們在柏林硬分叉中不受影響。

以太坊基金會：柏林硬分叉解決了以太坊長期存在的威脅:以太坊基金會表示，柏林硬分叉中，修正 gas 費、增加交易類型等更新將解決以太坊長期存在的一個漏洞威脅。這一由random trie lookups觸發的漏洞會被惡意交易利用導致分鐘級別區塊時間的封鎖，該漏洞早在 2019 年 10 月 4 日以太坊安全研究員 Hubert Ritzdorf 和 Matthias Egli 提交以太坊漏洞懸賞計劃就已被揭示。[2021/5/23 22:33:41]

如果存儲slot的值在之前相同的交易中被修改了，往后所有?SSTORE?的gas消耗量都是800。

這部分的細節并不有趣，重要的是?SSTORE?很貴，而它的消耗取決于幾個因素。

EIP-2929后的gas消耗

EIP-2929對上述所有操作碼的gas消耗都有影響。但在深入這些變化前，我們需要先談談這份EIP引入的一個重要概念：訪問過的地址(accessedaddresses)與訪問過的存儲密鑰(accessedstoragekeys)。

如果一個地址或一個存儲密鑰在之前的交易中被“使用”過，那么它們就會被視為“訪問過的”。例如，當你?CALL一個其他合約，該合約的地址就會被標為“accessed(訪問過的)”。同樣地，當你?SLOAD或?SSTORE一些slot的時候，交易的其他部分也會被視為訪問過的。哪個操作碼執行它并不重要：如果一個?SLOAD?讀取了一個slot，接下來的?SLOAD?和SSTORE?都會被視為訪問過的。

以太坊將于4月15日進行柏林硬分叉升級:根據以太坊核心開發者會議內容，以太坊開發者計劃于區塊高度12244000處（預計時間4月15日）進行柏林硬分叉。升級內容包括對合約的各種優化，涵蓋Gas效率、對以太坊虛擬機（EVM）讀取代碼方式的更新以及防范DDOS攻擊的其他更改等。此次升級包括至少五個EIP，EIP-2565、EIP-2315、EIP-2929、EIP-2718和EIP-2930，并將在部署前在四個以太坊測試網絡上進行發布，不過，未包含以太坊2.0合并所需的EIP。柏林硬分叉最初計劃在2020年6月或7月進行，后主要由于圍繞Geth客戶端的集中化問題遭到延遲。[2021/4/13 20:13:18]

這里值得注意的是，存儲密鑰是“內置于“一些地址的。就如這份EIP所解釋：

在執行交易時，維持一組?accessed_addresses:Set?和accessed_storage_keys:Set]

也就是說，當我們說一個存儲slot被訪問了，我們實際上說的一對?(address,storageKey)?被訪問了。

接下來談談新的gas消耗。

柏林后的SLOAD

在柏林硬分叉之前，SLOAD固定消耗800gas。現在，它取決于該存儲slot是否被訪問過。如果它沒有被訪問過，gas消耗是2100；如果被訪問過了，則是100。因此，如果該slot是在訪問過的存儲密鑰列表里的，SLOAD?的gas消耗會少于2000。

以太坊柏林升級范圍或將包含5個提案，可能會提升部分指令的Gas成本:在以太坊開發者會議中，核心開發者針對以太坊下一次硬分叉升級（代號柏林）的升級范圍進行了討論，可能會包含的升級內容為EIP-2929、EIP-2930、EIP-2718、EIP-2565和EIP2315。其中比較爭議的部分為EIP-2929，該提案由Vitalik Buterin提出，提議增加首次存儲讀取和帳戶訪問的Gas成本，但該方案可能會影響部分老智能合約的執行。[2020/11/30 22:34:58]

柏林后的SSTORE

讓我們在EIP-2929語境下重溫前面的?SSTORE?例子：

如果存儲slot的值從0變成1(或任何非0的值)，gas消耗量是：

如果存儲密鑰沒有被訪問過，22100

如果被訪問過了，20000

如果存儲slot的值從1變成2(或任何其他非0的值)，gas消耗量是：

如果存儲密鑰沒有被訪問過，5000

如果被訪問過了，2900

如果存儲slot的值從1(或任何非0的值)變成0，gas消耗與上一種情況一樣，再加上返還。

如果存儲slot的值在之前相同的交易中被修改了，往后所有?SSTORE?的gas消耗量都是100。

Bobby Lee：柏林峰會讓更多人了解加密貨幣和區塊鏈:據btcmanager.com消息，為期兩天的區塊鏈峰會剛剛在柏林閉幕，此次會議邀請了3000位嘉賓、470家初創公司，來自50個國家的100多位演講者，其中包括維基百科維基百科創始人Jimmy Wales；BTCC聯合創始人Bobby Lee等。會議舉行了一系列有趣的專題討論，內容涵蓋了從政府到游戲等多個方面。BTCC的聯合創始人Bobby Lee表示，這次會議能讓更多的人們了解加密貨幣和區塊鏈。[2018/6/4]

如你所見，如果?SSTORE?正在修改的slot是之前被訪問過的，第一個SSTORE?消耗少于2100gas。

總結

下表對上述的值進行了比較：

請注意，在最后一行沒有必要談論slot是否已經被訪問過，因為如果它之前就被寫入，那它就被訪問過了。

EIP-2930:可選訪問列表交易

我們一開始提及的其他EIP就是EIP-2930。這份EIP增加了一種新的交易類型，它可以在交易里加入一個訪問列表。這意味著你可以在交易執行開始前，事先聲明哪些地址和slot應被視為訪問過的。例如，一個未被訪問過的slot的一個?SLOAD?需要消耗2100gas，但如果該slot被加入到交易訪問列表里，同一個操作碼只需消耗100gas。

但如果已經被訪問過的地址或存儲密鑰會消耗更少gas，這是否意味著我們可以把所有東西都添加到交易訪問列表來降低gas消耗了？棒！不用給gas費了！然而，不盡然是這樣，因為你每次添加地址和存儲密鑰的時候還是需要支付gas費的。

我們來看一個例子。假如我們正在向合約A發送一筆交易，訪問列表可能如下：

如果我們發送一筆附有這個訪問列表的交易，使用slot?0x0?的第一個操作碼是SLOAD，它消耗的是100而不是2100gas。這減少了2000gas。但每次把存儲密鑰添加到交易的訪問列表中都需要消耗1900gas。因此我們只省了100gas。(如果訪問該slot的第一個操作碼是?SSTORE而不是?SLOAD，我們可以省2100gas，也就是說如果我們考慮的是存儲密鑰的消耗的話，我們總共節省200gas。)

這是否代表只要我們使用交易訪問列表就能節省gas？不是的，因為我們還需要支付添加地址到訪問列表(即我們的例子中的?""?)的gas。

訪問過的地址

到目前為止，我們只討論了操作碼?SLOAD?和?SSTORE，但柏林升級后不是只有這些操作碼有變化。例如，操作碼?CALL?之前的固定消耗量是700。但EIP-2929后，如果地址不在訪問列表里，它的消耗量變成了2600，如果在，則是100。還有，像訪問過的存儲密鑰，無論之前訪問的是什么操作碼(例如，如果EXTCODESIZE?是第一次被調用，那么該操作碼將消耗2600gas，而往后任何使用同一個地址的?EXTCODESIZE、?CALL?還是STATICCALL都只消耗100gas)。

這是如何影響有訪問列表的交易的呢？例如，假如我們給合約A發送一筆交易，而該合約調用另一個合約B，那么我們可以加入這樣一個列表：

我們將需要支付2400gas以把這個訪問列表加入到交易里，但之后使用?B?地址的第一個操作碼只消耗100gas，而不是2600。因此，我們通過這樣做節省了100gas。如果?B?以某種方式使用它的存儲，且我們知道使用的是哪個密鑰，那么我們也可以把它們加入到訪問列表里，這樣可以為每個密鑰節省100~200gas(取決于你的第一個操作碼是?SLOAD?還是?SSTORE?)。

但是為什么我們要談論另一個合約？我們正在調用的合約呢？為什么不對這個合約進行這些操作？

我們可以這樣做，但這樣不劃算，因為EIP-2929明確規定正在被調用的合約(即tx.to)地址會默認加入到?accessed_addresses?列表里。因此我們無須支付多余的2400gas。

讓我們再對之前的例子進行分析：

除非我們要加入多幾個存儲密鑰，否則這其實很浪費。如果我們預設?SLOAD?總是首先使用存儲密鑰，那么我們起碼需要24個存儲密鑰能保本。

你可以想象一下，做分析與手動創建一個訪問列表并不那么有趣。幸運的是，其實有更好的方法。

eth_createAccessListRPC方法

Geth(從1.10.2版本開始)加入了一個新的?eth_createAccessList?RPC方法，你可以用它來生成訪問列表。它的使用與?eth_estimateGas?相似，但它返回的不是gas估值，而是像下面這樣的結果：

也就是它給你該交易會用到的地址與存儲密鑰的列表，加上訪問列表被加入情況下所消耗的gas。但，這并不代表gas消耗量會低于在沒有訪問列表情況下發送同一筆交易所消耗的！

我想我們會隨著時間推移發現使用它的正確方法，但我猜的偽代碼如下：

給合約松綁

值得一提的是，訪問列表的主要目的不在于使用gas。如EIP所解釋：

減輕由EIP-2929引入的合約斷裂風險，因為交易可以提前指定交易計劃訪問的賬戶和存儲slot并提前支付；最終在實際執行中，操作碼SLOAD和EXT*只消耗100gas：這個低gas消耗不僅可以防止由該EIP引起的斷裂，還可以“松開”任何因EIP-1884而受限的合約。

這意味著如果一個合約對執行某事務的成本做了假設，gas成本的增加就可能使它停止運作。例如，一個合約調用另一個合約，像這樣someOtherContract.someFunction{gas:34500}()，因為它假設someFunction?會準確消耗34500gas，這樣它會出問題。但如果你添加了一個合理的訪問列表，那么合約會再次運作。

自己做檢驗

如果你像自己去測試，復制這個代碼庫，里面由多個可以用?Hardhat?和geth執行的實例。在README查看說明。

參考文獻

EIP-2929?和?EIP-2930?是與本文相關的兩個柏林硬分叉EIP。

EIP-2930依賴于柏林硬分叉的另一部分：?EIP-2718，它又叫類型交易。

EIP-2929參考了很多?EIP-2200，因此如果你想深入了解gas成本，你可以從那里開始。

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