以太坊使用最小Gas克隆合约-合约工厂

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以太坊eth使用最小Gas克隆合约-合约工厂

  • 字节码
  • 合约工厂
  • 克隆
  • EIP1167
  • 最小代理

使用合约克隆工厂以最低的Gas无限克隆合约

以太坊eth中,大部分的业务场景对智能合约的要求都是部署一次,但也有些场景,需要根据不同情况动态部署合约,比如在交易所中,为每个用户部署一个充提合约。 对于第二种情况,往往需要方便并且低成本去生成和部署合约。类似编程中常见的工厂模式,不需要关系的对象的具体创建逻辑,只需要根据暴露的接口就可以创建出想要的对象。 solidity也有类似的工厂,分为普通工厂和克隆工厂。

一、普通工厂

普通工厂,就是在工厂合约中以new的方式创建一个新合约。我这里以MetaCoin合约示例,合约代码如下所示。

pragma solidity ^0.5.0;  contract MetaCoin {     mapping (address => uint) balances;      constructor(address metaCoinOwner, uint256 initialBalance) public {         balances[metaCoinOwner] = initialBalance;     }      function sendCoin(address receiver, uint amount) public returns(bool sufficient) {         if (balances[msg.sender] < amount) return false;         balances[msg.sender] -= amount;         balances[receiver] += amount;         return true;     }      function getBalance(address addr) view public returns(uint) {         return balances[addr];     } }  contract MetaCoinFactory {     MetaCoin[] public metaCoinAddresses;     event MetaCoinCreated(MetaCoin metaCoin);      address private metaCoinOwner;      constructor(address _metaCoinOwner ) public {         metaCoinOwner = _metaCoinOwner ;     }      function createMetaCoin(uint256 initialBalance) external {         MetaCoin metaCoin = new MetaCoin(metaCoinOwner, initialBalance);          metaCoinAddresses.push(metaCoin);         emit MetaCoinCreated(metaCoin);     }      function getMetaCoins() external view returns (MetaCoin[] memory) {         return metaCoinAddresses;     } }

MetaCoinFactory工厂合约中, createMetaCoin方法中使用new创建MetaCoin新合约,并将得到的合约地址存储在metaCoinAddresses数组中。 这种方式的优点就是简单,通过工厂部署的合约是一个独立的合约,相关的交易信息在浏览器上可查。缺点就是手续费太高。

二、克隆工厂

如果每次部署的合约都一样,那就没必要对合约的字节码重新部署,耗费手续费。基于这一思想,以太坊eth提出了EIP1167,最小代理合约,底层根据delegatecall,将克隆出来的合约调用都委派到一个已知的固定合约地址中。

先来看一个例子,还是以MetaCoin为例,这里方便演示,我把多个合约合并到了一个文件中,合约代码如下所示。

pragma solidity ^0.5.0;  contract MetaCoinClonable {     mapping (address => uint) balances;      function initialize(address metaCoinOwner, uint256 initialBalance) public {         balances[metaCoinOwner] = initialBalance;     }      function sendCoin(address receiver, uint amount) public returns(bool sufficient) {         if (balances[msg.sender] < amount) return false;         balances[msg.sender] -= amount;         balances[receiver] += amount;         return true;     }      function getBalance(address addr) view public returns(uint) {         return balances[addr];     } }  contract Ownable {   /**    * @dev Event to show ownership has been transferred    * @param previousOwner representing the address of the previous owner    * @param newOwner representing the address of the new owner    */   event OwnershipTransferred(address previousOwner, address newOwner);    // Owner of the contract   address private _owner;    /**    * @dev Throws if called by any account other than the owner.    */   modifier onlyOwner() {     require(msg.sender == owner());     _;   }    /**    * @dev The constructor sets the original owner of the contract to the sender account.    */   constructor() public {     setOwner(msg.sender);   }    /**    * @dev Tells the address of the owner    * @return the address of the owner    */   function owner() public view returns (address) {     return _owner;   }    /**    * @dev Sets a new owner address    */   function setOwner(address newOwner) internal {     _owner = newOwner;   }    /**    * @dev Allows the current owner to transfer control of the contract to a newOwner.    * @param newOwner The address to transfer ownership to.    */   function transferOwnership(address newOwner) public onlyOwner {     require(newOwner != address(0));     emit OwnershipTransferred(owner(), newOwner);     setOwner(newOwner);   } }  // https://github.com/optionality/clone-factory/blob/master/contracts/CloneFactory.sol contract CloneFactory {   function createClone(address target) internal returns (address result) {     bytes20 targetBytes = bytes20(target);     assembly {       let clone := mload(0x40)       mstore(clone, 0x3d602d80600a3d3981f3363d3d373d3d3d363d73000000000000000000000000)       mstore(add(clone, 0x14), targetBytes)       mstore(add(clone, 0x28), 0x5af43d82803e903d91602b57fd5bf30000000000000000000000000000000000)       result := create(0, clone, 0x37)     }   }    function isClone(address target, address query) internal view returns (bool result) {     bytes20 targetBytes = bytes20(target);     assembly {       let clone := mload(0x40)       mstore(clone, 0x363d3d373d3d3d363d7300000000000000000000000000000000000000000000)       mstore(add(clone, 0xa), targetBytes)       mstore(add(clone, 0x1e), 0x5af43d82803e903d91602b57fd5bf30000000000000000000000000000000000)        let other := add(clone, 0x40)       extcodecopy(query, other, 0, 0x2d)       result := and(         eq(mload(clone), mload(other)),         eq(mload(add(clone, 0xd)), mload(add(other, 0xd)))       )     }   }  }  contract MetaCoinCloneFactory is CloneFactory, Ownable {     MetaCoinClonable[] public metaCoinAddresses;     event MetaCoinCreated(MetaCoinClonable metaCoin);      address public libraryAddress;     address public metaCoinOwner;      function setLibraryAddress(address _libraryAddress) external onlyOwner {         libraryAddress = _libraryAddress;     }      function createMetaCoin(address _metaCoinOwner, uint256 initialBalance) external {         MetaCoinClonable metaCoin = MetaCoinClonable(             createClone(libraryAddress)         );         metaCoin.initialize(_metaCoinOwner, initialBalance);          metaCoinAddresses.push(metaCoin);         emit MetaCoinCreated(metaCoin);     }      function getMetaCoins() external view returns (MetaCoinClonable[] memory) {         return metaCoinAddresses;     } }

部署流程

  1. 先部署MetaCoinClonable合约,得到地址如0x692a70d2e424a56d2c6c27aa97d1a86395877b3a
  2. 部署MetaCoinCloneFactory合约,得到地址如0xbbf289d846208c16edc8474705c748aff07732db
  3. 调用setLibraryAddress方法,参数为MetaCoinClonable的合约地址。
  4. 调用createMetaCoin方法,创建MetaCoin新合约。
  5. 调用getMetaCoins方法,可获取已创建的MetaCoin合约地址,如得到一个地址0xe5240103E1Ff986A2C8aE6B6728FFe0d9a395C59
  6. 使用MetaCoin合约地址0xe5240103E1Ff986A2C8aE6B6728FFe0d9a395C59调用MetaCoinClonable合约的getBalance方法,即可得到对应地址初始化时的数量,如下图所示。

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基本原理

克隆工厂核心是CloneFactory合约,在createClone方法中,使用solidity的内联汇编(assembly)来克隆合约。

  • let clone := mload(0x40)在 Solidity 中,内存插槽 0x40 位置是比较特殊的,它包含了下一个可用的空闲内存指针的值。每次将变量直接保存到内存时,都应通过查询 0x40 位置的值,来确定变量保存在内存的位置。
  • mstore(clone, 0x3d602d80600a3d3981f3363d3d373d3d3d363d73000000000000000000000000),这句的意思是将0x3d…的保存在了clone指针指向的位置。
  • mstore(add(clone, 0x14), targetBytes),将clone的指针向后移动0x14(20)个字节,在保存targetBytes(20字节)的值。我们上边部署MetaCoinClonable合约,得到targetBytes的值是0x692a70d2e424a56d2c6c27aa97d1a86395877b3a,此时clone指向的空间存储的内容为0x3d602d80600a3d3981f3363d3d373d3d3d363d73+692a70d2e424a56d2c6c27aa97d1a86395877b3a
  • mstore(add(clone, 0x28), 0x5af43d82803e903d91602b57fd5bf30000000000000000000000000000000000),将clone的指针向后移动0x28(40)个字节,然后存证0x5af43…的值,此时clone指向的空间存储的内容为0x3d602d80600a3d3981f3363d3d373d3d3d363d73+692a70d2e424a56d2c6c27aa97d1a86395877b3a+5af43d82803e903d91602b57fd5bf30000000000000000000000000000000000
  • result := create(0, clone, 0x37),create操作码的功能是根据指定的合约字节码创建新合约,并返回合约地址。第一个参数0代表发送的以太币个数;第二个参数clone指合约字节码的起始位置;0x37(55)指合约字节码的终止位置。新合约的字节码就是0x3d602d80600a3d3981f3363d3d373d3d3d363d73692a70d2e424a56d2c6c27aa97d1a86395877b3a5af43d82803e903d91602b57fd5bf3。可以通过eth_getCode获取我们上边得到的克隆出来的合约0xe5240103E1Ff986A2C8aE6B6728FFe0d9a395C59的字节码比对,是一样的。

在合约字节码中3d602d80600a3d3981f3是EIP-1167标准克隆协议部署的一部分,固定不变。其余对应的EVM操作码如下图所示。

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使用这种有以下需要注意的地方:

  • 被克隆的合约不能有构造函数,MetaCoinClonable合约使用initialize方法替代了构造函数。
  • 克隆工厂MetaCoinCloneFactory合约中的母合约libraryAddress可以被替换,替换后之前已克隆出的合约不受影响,新克隆合约将以新的母合约克隆。
  • 用于克隆的母合约如果销毁了,则克隆出的合约将不可用。

三、参考

https://eips.ethereum.org/EIPS/eip-1167 https://github.com/optionality/clone-factory/issues/10 https://soliditydeveloper.com/clonefactory

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