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。0 t+ X _& _- ~* Q7 K7 `& \
. o. K% `/ E$ s7 j
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。
5 W2 K- z0 m' z! a s- O) [# w
以下是Qtum Core的内存映射(稍后详细解释):
l 应急堆栈- 0x100,长度64,读写- T$ }6 R9 \ X* k; z+ z: \8 F
l 合约代码- 0x1000,长度0x10000 (max),只读1 j a3 E! \' H8 R& ]4 S" w
l 合约数据- 0x100000,长度0x10000 (max),读写8 X6 L, p1 ]6 t* E" r' m
l 堆栈内存- 0x200000,长度8196,读写! ~' } U) V, U/ D( m# h' p
l 执行数据- 0xD0000000,长度待定,只读
l 交易数据- 0xD1000000,长度可动态调整,只读
l 区块链数据- 0xD2000000,长度待定,只读
* s9 M+ x1 Y5 o' ^! A
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。
+ R* V G8 N3 r7 `; g$ W+ C
01
应急堆栈(Emergency stack)
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。 W( |% T& k( c& E* Y9 f4 L
028 _- z: G j4 l% _) C P+ f2 I, J( |0 K
合约代码(Contract Code)$ c0 p u0 p6 d' }
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。1 c* |, Z4 T6 F6 Z! j( U% f. H+ }
) `! X- z" z# h% g% _6 O
03
合约数据(Contract Data)
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。( |: U3 e! k! `; U6 t" o. |
- R. G+ c& Q \9 B. | m: |
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。' k1 l( ~! }1 K: u# U
, G) F# n" ` G9 d9 C) I
04
栈内存(Stack Memory)
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。- \* l. l" G h5 |8 d5 G7 [8 s
05
调用数据(Execution Data)& k1 L- c2 G* W& o% X) L& 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。6 h/ g8 o0 \# \% M7 z
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。
) T! x2 D7 z! C e2 l
07
区块链数据(Blockchain Data)) j9 Y( ^1 Z0 a6 c6 @; S4 S
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。
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设计初衷
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:7 j" x2 n/ o8 i& Z
l 系统调用都有不可忽视的安全风险# m7 V8 ^: p7 `3 |0 t. D% U& N
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。1 x: b% s4 N& N5 A- d9 s% m2 B
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。
x86虚拟机原型
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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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