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比特池塘 区块链前沿 正文
本文是x86虚拟机系列文档,供Qtum量子链团队成员以及所有感兴趣的用户阅读。9 u, P' F2 J# ~
% }7 \' f* |4 r" X$ U$ u# f: J
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。
5 L7 A6 |, [9 N3 U7 |1 N
" o; F8 \2 l& H. DQtum 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。' u' Y' d$ a- X+ N8 p
9 a9 j- q( M6 Q9 W& i# M) k/ q
9 y( ~/ W7 e, {
以下是Qtum Core的内存映射(稍后详细解释):4 V' |1 L& V& N* G
l  应急堆栈- 0x100,长度64,读写
9 K7 Y7 K2 e6 s. yl  合约代码- 0x1000,长度0x10000 (max),只读
- ?2 c9 d, g6 Cl  合约数据- 0x100000,长度0x10000 (max),读写
8 {2 u* o* l7 \% K8 {l  堆栈内存- 0x200000,长度8196,读写7 G( a& X( y" A, k: f5 u
l  执行数据- 0xD0000000,长度待定,只读$ R& h( b8 l$ {
l  交易数据- 0xD1000000,长度可动态调整,只读* O& H* n8 A. j+ i. ^
l  区块链数据- 0xD2000000,长度待定,只读; }  }3 K6 H& a, v5 W) Z: j6 J

# c% [2 m2 k/ w& U 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。
5 S7 g2 G! D8 {
  T/ C' v. H% R  b0 l01
2 Y$ j0 x1 ]; L. w/ R6 z应急堆栈(Emergency stack)  U* x2 w) H' M
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。
! f3 w& n/ \4 y2 U 1 W* N# h% D8 Y! h6 U% C0 T. P
02
  W  t. y8 P: s4 f7 A  \! e合约代码(Contract Code), s! l: o0 Z5 a- D$ y) L. ^
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。
/ y8 |: z5 V# D* ]$ @ 0 c" [6 r1 c: h9 R* b
03: _2 l: N9 A5 a0 V
合约数据(Contract Data)
" h# Q! A  y' l$ C' m' D! P5 t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。
9 t/ m3 ?, i9 ]6 X, X, m
+ F8 H" |% i: T4 h' v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。
8 g8 ?1 `( S( v' ~% e2 F3 Y, n" z
8 \( P) z+ o' ^041 E$ |) \% f/ \
栈内存(Stack Memory)
/ R1 V+ G4 O% G( I7 B* |1 }. p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。$ C& b" \$ }! J) x

- _8 K, ], O2 H/ ?2 X05
! i- S# L  |% E, R! V& W$ F调用数据(Execution Data), o7 D* v2 A3 j' J% @8 B
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。
' d) d/ A) O) @2 X: O# H# E5 m4 L. n  Y0 V4 z+ D
06
+ [/ @) i) [" x+ L交易数据(Transaction Data)
5 G8 o, L! [2 J' o& w  ] 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。* k# m1 ^8 X' t

8 k5 q& u' |0 p* u% W4 P07
* ?* ]0 w7 m, e4 L! R2 @区块链数据(Blockchain Data)
' j9 [' B  l, [/ H4 U8 T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。
" ^: U6 F& c, Z
1 E) u+ B% |3 z, a) {& R3 d设计初衷: p& ]  U& g" }5 k; Y0 x9 I
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:
- F0 N0 ^- B* f) W- L& j8 T8 {2 \l  系统调用都有不可忽视的安全风险
$ j; Y' d- k' K& V% xl  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;
( M: e4 K+ M% l0 k% I( l
8 H! _( ^1 k3 |1 Q4 K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。* B3 A, w3 I, S( D5 G

+ n+ T" S, d3 e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。1 w0 D( I0 ]. m) l7 |6 c
% J# Q2 W" T0 u9 j3 J! G: W7 r
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。
5 u; t0 {& B" T1 e# F
0 j1 s: O$ a0 Q6 _" N( s' ix86虚拟机原型
2 H0 y: f: n. ]: H# d7 {5 U/ r$ A1 }) Q7 w1 o0 q6 \% Z
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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