量子链研究院:Qtum x86虚拟机的内存映射
李凯908
发表于 2022-12-3 12:20:02
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与EVM不同的是,在x86架构中内存使用是不连续的,内存中可能存在空白段。例如,访问0x1000处的内存可能会导致错误,因为该段内存没有被分配,但是在0x2000处可能有一些有用的内容。实际上,大多数虚拟机和CPU架构都把这作为其优势,所以EVM的内存使用方式是比较少见的。在1Mb内存还不常见的时代,8086曾规定的大多数内存都从0开始,而只读BIOS内存位于0xF0000,有时一部分内存实际上被连接到外部设备而不是RAM。
Qtum x86 虚拟机设计也运用了这个特性,以便实现某些内存区域可以共享的特性。
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以下是Qtum Core的内存映射(稍后详细解释):# J6 P$ R; {; ]9 F
l 应急堆栈- 0x100,长度64,读写( r. j6 A2 b2 p7 s# c) _
l 合约代码- 0x1000,长度0x10000 (max),只读( u: b9 s! S* w5 J. u
l 合约数据- 0x100000,长度0x10000 (max),读写
l 堆栈内存- 0x200000,长度8196,读写
l 执行数据- 0xD0000000,长度待定,只读$ x) x2 ~* ?7 f9 y& e. X
l 交易数据- 0xD1000000,长度可动态调整,只读/ J1 r% B) X+ N0 e0 ]/ S
l 区块链数据- 0xD2000000,长度待定,只读3 }: E3 ~" S- V
9 s8 o1 \, f4 |( ]" }" \/ y& @
注意,各内存块可以在第一次读取时再进行初始化。即在合约需要读取数据之前,没有必要为某个内存块构造数据。首次访问类似的内存区域可能还需要额外的gas费用。0 A9 o1 Q' T# J6 ` E7 Q/ D4 f
1 G* H* s, p+ A) O4 P4 |: F
01
应急堆栈(Emergency stack)$ Q l$ h9 x4 b
发生double-fault 异常时使用的应急堆栈。暂不使用,因为异常处理暂未支持。3 e7 k ?+ t a
02; j9 E. G ~$ X9 p; {& h
合约代码(Contract Code)
实际加载合约代码的内存区域。出于安全性和后续优化考虑,该内存区域设置为只读。实际的大小取决于加载的合约代码大小。超出实际大小的内存只能读取不能写入,且值恒为0。
8 g/ L# ]1 s" O$ E
030 A, {, W: G2 T* Q& W8 G: Y2 N3 k# ~
合约数据(Contract Data)- y# K) Z( v. c
加载合约数据的内存区域。与EVM不同的是,对于变量, 无需CPU代码指定预留内存并将其设置为该变量的值。x86中的变量只是一个指向内存地址的简单指针。加载器(loader,在普通的操作系统中对应解析器和加载器,在Qtum中,对应虚拟机的初始化进程)通过这一地址获取变量值。这在实际中非常有用,因为我们可以使用高效的原生代码 (如“memcpy”)一次性完成所有变量的初始化。变量指针最终指向该内存区域。其实际大小暂定为1Mb,但在x86虚拟机原型发布之后有可能进行调整。3 j X0 d1 F, p; l% j. C% t
请注意,只读数据(取决于链接器配置)存储在代码区域。普通程序中的只读数据包括字符串、常量等。- k0 J/ p1 G+ v* d# l' d( N
04
栈内存(Stack Memory) 3 M3 E, v' h; k+ C1 V- ?7 b
为x86调用栈保留的内存区域。调用栈用于向函数传递参数、存储返回地址、本地变量等。之所以将其他数据和栈数据进行隔离,是因为该内存区域前后都是无效内存。也就是说,一旦栈发送溢出,将很容易被检测到,因为这将导致抛出错误。显式的抛出错误在大多数情况下都比带着错误继续运行要好得多。
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调用数据(Execution Data)1 _3 A7 z2 Z7 J+ @4 F- F
只读数据,且对于每个合约调用都是特定的。这意味着当在合约中调用合约时,数据将是不同的。这些数据包括发送者地址(发起合约调用的地址)、gas limit和其他数据等。
06
交易数据(Transaction Data)
动态长度数据,编码了触发此次合约调用的完整交易数据(包括交易的所有输入输出)。其中既包含了原始脚本的访问,也包含了诸如“发送了100 token到A地址”这样方便使用的数据。关于脚本的解析,qtum-x86会提供相关的辅助库函数。
8 p% U% M$ u+ S& I! m, `2 H
076 K; _- T5 u6 R* A3 y
区块链数据(Blockchain Data)8 d7 f6 i% t$ q+ o9 ~5 i& Z. J
只读的全局区块链数据,对于当前区块中的所有合约为常量。包括区块的gas limit,当前区块高度,之前区块的哈希值,当前挖矿难度等数据。
0 G9 Y% H: E+ d5 N6 @3 ^# q
设计初衷) A# L; [8 v( f6 W) v. b, g
之所以令上述数据可直接从内存获取,而不是通过系统调用(syscall),其主要原因有两个:
l 系统调用都有不可忽视的安全风险9 O5 A [6 w/ t; x- w3 R
l 系统调用在合约代码大小、合约代码gas消耗以及虚拟机实现速度等方面,开销都比较大;
每个系统调用都是一个暴露合约代码的接口,大多数操作系统内核安全漏洞来自系统调用中的bug。因此,应尽量少地将系统调用暴露给虚拟机 ,减少安全风险。
系统调用过程总体开销较大,主要体现在以下几个方面。首先,代码虽然不大,但不可忽略。用C语言进行一次系统调用至少需要30字节,其他语言也需要或多或少的消耗内存。其次,系统调用过程中开销最大的部分在于需要在系统调用和标准C接口间进行翻译,这涉及调用帮助函数,预留寄存器,从堆栈中获取数据并将它们存储在寄存器中,执行系统调用,以及最终恢复寄存器等一系列过程。上面提到的30字节只包含帮助函数部分。实际执行的总字节数明显更多,但并没有表现在合约代码尺寸中,因为该代码只编写一次,并用于每个系统调用。8 `. _) p" t3 V
3 ^0 i p5 y5 S* Y& o( P6 g
最后,除合约本身的效率问题外,每个系统调用都有可能影响虚拟机的性能。在JIT工作流中,虽然硬件CPU可以快速地缓存JIT代码和JIT编译过的合约代码,但是在离开该内存区域去运行另一段代码时,通常必须至少先清除一部分缓存,为新代码腾出空间。在一个真正使用硬件支持的虚拟化工作流中,这类操作的开销会更大,因为它可能涉及上下文切换和硬件级系统调用。这是大多数需要在虚拟机中运行的语言遇到的常见问题,包括Webassembly(据本人了解,最近Webassembly团队才在某种程度上做了一些重大改进),Javascript/V8等等。: x1 b( S2 N3 P
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x86虚拟机原型) [) `' ^( L% B0 @7 Y
* ` n0 o! w' p& l2 I% @4 C0 K
Qtum x86仍处在原型开发中,故本文所述的内存映射设计与最终版本可能有出入。感兴趣的读者请持续关注包括本文在内的x86系列设计文档。
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