T8 · EVM を深く理解する

現実の問題

アドレス群と数量群を受け取り、順に記帳して総額を更新するバッチ配布を書きます。

function airdrop(address[] memory to, uint256[] memory amounts) external {
    for (uint256 i = 0; i < to.length; i++) {
        balanceOf[to[i]] += amounts[i];
        totalDistributed += amounts[i];   // この行
    }
}

テストネットでは正常でも、本番で二百アドレスを入れるとブロック上限を超えて送れません。

totalDistributed をループ外で一回更新し、memory を calldata にするだけで、ロジックを変えず成功し料金も下がります。

同じ代入でも一、二桁違います。コンパイラだけの問題でなく、違う資源に支払っているためです。何に払うかを理解します。

思考実験

三つの保存場所だけを持つ機械を考えます。

第一は世界共通の永久書庫です。 紙一枚を入れると全ノードが永遠に複製を保存し、将来同期するノードも取得します。支払いは世界全体の永久保存を買います。

第二は下書き用紙です。 実行中は書け、終了すると破棄します。安価ですが、拡張の限界費用は紙が大きいほど上がり、線形ではありません。

第三は届いた手紙です。 引数のバイト列は取引とともに全体へ伝播するので、読むだけなら追加空間は不要です。最も安く、読み取り専用です。

totalDistributed += amounts[i] をループ内に置くと毎回書庫へ書き、外なら一回です。memory は手紙を下書き用紙へ全部写し、calldata は直接読みます。

価格の原理は、誰の資源をどれだけ長く使うかです。これを覚えれば Gas の差を暗記する必要はありません。

後半全体を説明する第二の実験です。

他のコントラクトのコードを台本として自宅で演じます。台本には引き出し 0 を X に変えるとあります。誰の家の引き出しでしょう。

自宅です。台本は他人でも、家も引き出しも自分のものです。中身の意味は作者の想像で決まり、自分の実際の配置ではありません。作者は管理者名と思い、自分は金庫の鍵を入れていれば事故になります。

あなたが決める

バッチ配布で一か所だけ変えるなら、どこですか。

結果を観察する

四案は同じ表の中で移動します。

画面に貼っておきたい結論です。

Gas はコードの行数ではなく、誰の資源をどれだけ長く占有するかの関数です。

状態変数が局所変数より高いのは書庫へ触れるため、ゼロ化の払い戻しは空間を空けるため、外部の view 呼び出しが無料なのは合意不要だからです。巨大ループは、データで費用が増えてもブロック上限は固定なため時限爆弾になります。

モデルを作る

三つの空間

実用規則は、外部の参照型引数は calldata を基本にし、本当に変更する時だけ memory にすることです。

保存領域の配置

宣言順に 32 バイトのスロットを使い、連続した小型変数をまとめます。

contract Layout {
    uint128 a;                        // slot 0 の下位 16 バイト
    uint128 b;                        // slot 0 の上位 16 バイト、a と共有
    uint256 c;                        // slot 1
    address owner;                    // slot 2 の下位 20 バイト
    bool paused;                      // slot 2、owner の直後
    mapping(address => uint256) bal;  // slot 3 は予約するが値を保存しない
}

マッピングと動的配列は宣言スロット自体に要素を置かず、その番号をハッシュに使います。mapping(address => uint256) の k は keccak256(abi.encode(k, slotOfMapping)) にあります。

実用的には、入口なしで誰の残高でも直接読めること、そしてテストで任意スロットを変更できることです。T12 の Fork で資金を自分に付ける仕組みです。

書き込みは三段階です。ゼロから非ゼロは永久保存の追加で最高、非ゼロの変更は量が変わらず安く、ゼロ化は解放で一部払い戻しです。数字は更新で変わりますが、三段階は安定しており初回が高い理由になります。

呼び出しの形

入力の先頭 4 バイトはシグネチャのハッシュから得るセレクターです。基本型の引数は 32 バイトへそろえ、動的型はオフセットを先に置き、内容を後へつなぎます。

0xa9059cbb                                                          ← セレクター、4 バイト
  000000000000000000000000abcdef…0001                               ← 第一引数：アドレス、32 バイトへ左ゼロ埋め
  00000000000000000000000000000000000000000000000000000000000f4240  ← 第二引数：数量

三点が成り立ちます。

1. 関数名と引数型で一意に決まります。 同名で別引数なら ABI 上は別関数です。
2. 4 バイトなので衝突します。 プロキシで実際の問題になります。
3. calldata の量は直接費用です。 32 バイト増えると伝播費が増え、L2 では主要費用になりがちです。

Delegatecall：誰の保存領域かを変える

普通の呼び出しは相手の家、コード、保存を使います。delegatecall は相手のコードを自宅で動かし、自分の保存を使い、msg.sender と msg.value を維持します。

// SPDX-License-Identifier: MIT
pragma solidity ^0.8.4;

// 借りる台本
contract Logic {
    address public owner;                    // 自分の slot 0 と想定

    function setOwner(address a) external {
        owner = a;                           // 実際は呼び出し側の slot 0 へ書く
    }
}

// 自分の家
contract Proxy {
    address public implementation;           // slot 0  ← Logic の owner と衝突
    address public admin;                    // slot 1

    constructor(address impl) {
        implementation = impl;
        admin = msg.sender;
    }

    fallback() external payable {
        // 本来は戻り値も転送する。インラインアセンブリが必要なためここでは省略
        (bool ok, ) = implementation.delegatecall(msg.data);
        require(ok, "delegatecall failed");
    }
}

Proxy に setOwner(0x…) を呼ぶと、implementation が指定先へ変わります。次回は攻撃者のコードを実行します。

バグというより delegatecall の定義です。 コードと保存を分離し、保存の意味はコードが決めます。不一致は災害です。

T28 で詳述する三規則です。

• プロキシ変数は実装と衝突しない場所へ、通常は slot 0 でなく擬似ランダムな固定スロットへ置きます。
• 更新時は末尾に追加するだけで、挿入、型変更、並べ替えをしません。
• 自壊命令や誰でも初期化できる関数を実装へ置きません。

何と呼ぶか

実践

// SPDX-License-Identifier: MIT
pragma solidity ^0.8.4;

contract GasLab {
    uint256 public total;

    // A：各反復で永続ストレージへ書く
    function sumA(uint256[] memory xs) external {
        for (uint256 i = 0; i < xs.length; i++) {
            total += xs[i];
        }
    }

    // B：局所変数へ足し、最後に一回書く
    function sumB(uint256[] memory xs) external {
        uint256 acc = total;
        for (uint256 i = 0; i < xs.length; i++) {
            acc += xs[i];
        }
        total = acc;
    }

    // C：メモリへコピーせず calldata を読む
    function sumC(uint256[] calldata xs) external {
        uint256 acc = total;
        for (uint256 i = 0; i < xs.length; i++) {
            acc += xs[i];
        }
        total = acc;
    }
}

AI Lab

第一段階：
delegatecall で組み合わせた二コードについて、各スロットの意味を
Proxy と Logic ごとに列挙し、全不一致を指摘してください。

第二段階：
不一致から、送る取引、順番、獲得結果を具体的な関数呼び出しで示してください。

第三段階：
現在のコードでは失敗し、修正後に成功するテストを書いてください。

実例

変数を一つ変える

持ち帰る問い

章末チェック