如何使用值数组（Value Array）模式减少Solidity的高gas损耗问题

发布：中币网时间：2020-08-21 00:00:00 加入收藏打赏

我们比较了在EVM内存空间中使用固定uint8 []数组与uint8a32值数组的情况：在uint8/byte内存变量上获取和设置的耗气量令人惊讶的是。Solidity bytes32值数组 Solidity在bytesX（X=1..32）类型中提供

我们比较了在EVM内存空间中使用固定uint8 []数组与uint8a32值数组的情况：在uint8/byte内存变量上获取和设置的耗气量令人惊讶的是。Solidity bytes32值数组 Solidity在bytesX（X=1..32）类型中提供了一个部分值数组。

本文讨论如何使用值数组（Value Array）模式减少Solidity的高gas损耗问题。

背景

在Datona Labs的Solidity智能数据访问合约（S-DAC）模板的开发和测试过程中，我们经常需要使用较小值的小数组。在本文的示例中，我研究了使用值数组（Value Array）是否比引用数组更有效地做到这一点。

讨论

Solidity支持内存中的数组，这些数组可能会浪费空间阵列，而存储中的数组则会消耗大量的气体来分配和访问阵列。但是Solidity也运行在以太坊虚拟机（EVM）上，它有一个256bits（32字节）的非常大的机器字。正是后一个特性使我们能够考虑使用值数组（Value Array）。在字型较小的语言中，例如32位（4字节），值数组（Value Array）不太可能实用。

值数组与引用数组的比较

引用数组

实际上，数组通常是引用类型。这意味着每当在程序文本中遇到变量符号时，都会使用指向数组的指针，不过也有一些例外情况会生成一个副本。在以下代码中，将10位8位uint用户的数组传递给函数setUser，该函数设置users数组中的一个元素：

contractTestReferenceArray{functiontest()publicpure{uint8[10]memoryusers;setUser(users,5,123);require(users[5]==123);}functionsetUser(uint8[10]memoryusers,uintindex,uint8ev)publicpure{users[index]=ev;}}

函数返回后，用户中的数组元素将被更改。

值数组

值数组是以值类型保存的数组。这意味着只要在程序文本中遇到变量符号，就会使用该值。

contractTestValueArray{functiontest()publicpure{uintusers;users=setUser(users,5,12345);require(users==...);}functionsetUser(uintusers,uintindex,uintev)publicpurereturns(uint){return...;}}

请注意，在函数返回之后，函数的users参数将保持不变，因为它是通过值传递的-为了获得更改后的值，有必要将函数返回值分配给users变量。

Solidity bytes32值数组

Solidity在bytesX（X=1..32）类型中提供了一个部分值数组。这些存储字节可以使用数组式访问单独读取，例如：

...bytes32bs="hello";byteb=bs[0];require(bs[0]=='h');...

但不幸的是，在Solidity v0.7.1中，我们无法使用数组式访问写入单个字节：

...bytes32bs="hello";bs[0]='c';//unfortunately,thisisNOTpossible!...

首先，让我们使用Solidity在导入库文件中使用库的类型将函数添加到bytes32类型：

librarybytes32lib{uintconstantbits=8;uintconstantelements=32;functionset(bytes32va,uintindex,byteev)internalpurereturns(bytes32){require(index<elements);index=(elements-1-index)*bits;returnbytes32((uint(va)&~(0x0FF<<index))|(uint(uint8(ev))<<index));}}

这个库提供了函数set（），它允许调用者将bytes32变量中的任何字节设置为任何所需的字节值。根据您的需求，您可能希望为您使用的其他bytesX类型生成类似的库。

让我们导入该库并测试它：

import"bytes32lib.sol";contractTestBytes32{usingbytes32libforbytes32;functiontest1()publicpure{bytes32va="hello";require(va[0]=='h');//thereplacementforthis:va[0]='c';va=va.set(0,'c');require(va[0]=='c');}}

在这里，您可以清楚地看到set（）函数的返回值被分配回参数变量。如果缺少赋值，则变量将保持不变，如require（）所测试的那样。

可能的固定值数组

在Solidity机器字类型256位（32字节）中，我们可以考虑以下可能的值数组。

固定值数组

这些是与某些Solidity可用类型匹配的固定值数组：

FixedValueArraysTypeTypeNameDescriptionuint128[2]uint128a2two128bitelementvaluesuint64[4]uint64a4four64bitelementvaluesuint32[8]uint32a8eight32bitelementvaluesuint16[16]uint16a16sixteen16bitelementvaluesuint8[32]uint8a32thirty-two8bitelementvalues

我建议使用如上所示的类型名，这在本文中都会用到，但是您可能会找到一个更好的命名约定。

更多固定值数组

实际上，还有更多可能的值数组。我们还可以考虑与Solidity可用类型不匹配的类型，但对于特定解决方案可能有用。X值中的位数乘以Y元素数必须小于或等于256：

MoreFixedValueArraysTypeTypeNameDescriptionuintX[Y]uintXaYX*Y<=256uint10[25]uint10a25twenty-five10bitelementvaluesuint7[36]uint7a36thirty-six7bitelementvaluesuint6[42]uint6a42forty-two6bitelementvaluesuint5[51]uint5a51fifty-one5bitelementvaluesuint4[64]uint4a64sixty-four4bitelementvaluesuint1[256]uint1a256two-hundred&fifty-six1bitelementvaluesetcetera

特别有趣的是uint12256值数组。这使得我们能够高效地将256个表示布尔值的1位元素值高效地编码到1个EVM字中。相比之下，Solidity的bool[256]消耗了256倍的内存空间，甚至是8倍的存储空间。

甚至更多的固定值数组

还有更多可能的值数组。以上是最有效的值数组类型，因为它们有效地映射到EVM字中的位。在上面的值数组类型中，X始终是许多位数。此处使用的按位移位技术的另一种方法是在算术编码中使用乘法和除法，但这超出了本文的范围。

让我们看看一个可能的实现.

固定值数组实现

下面是一个有用的导入文件，为值数组类型uint8a32提供get和set函数：

//uint8a32.sollibraryuint8a32{//providestheequivalentofuint8[32]uintconstantbits=8;uintconstantelements=32;//mustensurethatbits*elements<=256uintconstantrange=1<<bits;uintconstantmax=range-1;//getfunctionfunctionget(uintva,uintindex)internalpurereturns(uint){require(index<elements);return(va>>(bits*index))&max;}//setfunctionfunctionset(uintva,uintindex,uintev)internalpurereturns(uint){require(index<elements);require(value<range);index*=bits;return(va&~(max<<index))|(ev<<index);}}

get（）函数只是根据index参数从值数组中返回适当的值。set（）函数将删除现有值，然后根据index参数将给定值设置为返回值。

可以推断出，只需复制上面给出的uint8a32库代码，然后更改位和元素常量，即可使用其他uintXaY值数组类型。

Solidity库合约中不允许存储空间变量。

让我们看看上面的示例库代码的几个简单测试：

import"uint8a32.sol";contractTestUint8a32{usinguint8a32foruint;functiontest1()public{uintva;va=va.set(0,0x12);require(va.get(0)==0x12,"va[0]not0x12");va=va.set(1,0x34);require(va.get(1)==0x34,"va[1]not0x34");va=va.set(31,0xF7);require(va.get(31)==0xF7,"va[31]not0xF7");}}

由于将编译器的using库用于type指令，因此使用set（）函数的语法可以使用可变点符号。但是在您的智能合约需要多种不同的值数组类型的情况下，由于名称空间冲突，这是不可能的（每种类型只能使用一种特定名称的函数），因此必须使用显式库名点表示法来访问函数代替：

import"uint8a32.sol";import"uint16a16.sol";contractMyContract{uintusers;//uint8a32uintroles;//uint16a16...functionsetUser(uintn,uintuser)private{//wantedtodothis:users=users.set(n,user);users=uint8a32.set(users,n,user);}functionsetRole(uintn,uintrole)private{//wantedtodothis:roles=roles.set(n,role);roles=uint16a16.set(roles,n,role);}...}

还必须警惕在正确的变量上使用正确的值数组类型。

这是相同的代码，但数据类型已合并到变量名称中，以解决该问题：

import"uint8a32.sol";import"uint16a16.sol";contractMyContract{uintusers_u8a32;uintroles_u16a16;...functionsetUser(uintn,uintuser)private{users_u8a32=uint8a32.set(users_u8a32,n,user);}functionsetRole(uintn,uintrole)private{roles_u16a16=uint16a16.set(roles_u16a16,n,role);}...}

如果我们提供一个采用1元素数组的函数，则实际上有可能避免使用set（）函数的返回值赋值。但是由于此技术使用更多的内存，代码和复杂性，因此否定了使用值数组的可能优点。

气体消耗量

编写了库和合约后，我们使用作者在本文中介绍的技术测量了气体消耗。结果如下：

bytes32值数组