前言

「Substrate 合约书」用于介绍 Substrate 中与 Wasm 合约体系相关的一系列知识。本书由 Patract (https://patract.io/）主导编写，由 Aten （https://github.com/atenjin）负责。本书仓库位于 https://github.com/patractlabs/substrate-contracts-book(opens new window)，欢迎有志之士一起为本书做出贡献。

本书当前主要以 Pallet-Contracts （即 Wasm 合约）作为主体进行介绍。因此本书内容包含：

• 运行合约的合约平台（模块）

  Pallet-Contracts

• 编写合约的语言

  ink!

  Ask!

  Solang

• 帮助合约开发的工具们

  Redspot

  Europa

  Elara

  
  

其中由于 Pallet-EVM（即 EVM/Solidity 体系的合约）在以太坊生态中已有比较丰富的资料，故不会在本合约书中当做重点讲解。而另外的合约体系如 Pallet-Actor，或 Libra 移植合约平台等皆处于比较早期的研究阶段，因此也不会作为本书的重点。

为了让合约开发者更好的理解 Pallet-Contracts 模块与 Wasm 合约的运行方式，本书也会涉及一些 Wasm 的介绍以及区块链合约模型的介绍。

合约模型

在已经具备合约及合约沙盒的概念后，我们就可以开始讨论合约模型的概念了。

合约沙盒只是代表运行合约的环境，而合约是以什么方式运行的，合约和合约是怎么交互的，合约是怎么与链的数据互动的，这些问题就归属于合约模型问题。

换句话说，合约模型就是合约是以什么模型运行在合约沙盒/虚拟机中的。

如图所示，合约模型与合约虚拟机本质上是可以解耦的，其中关系只存在合约虚拟机是否能支持上层所需要的合约模型，例如：

1.Bitcoin 的虚拟机就是比特币脚本的栈执行器，由于执行器设计是非图灵完备的 OP_CODE，因此对于上层的合约模型只能支持 Bitcoin 的脚本。

2.Ethereum 跟随 Bitcoin 的灵感，设计了具备图灵完备的 OP_CODE，即 EVM 虚拟机（Ethereum Virtual Machine）。但是 EVM 的 OP_CODE 比较简陋，且只有栈的设计，没有堆的概念。但是 EVM 引入了读写状态的 OP_CODE，因此从虚拟机机制上对合约模型可以支持状态模型。因此 EVM 也被看做一个执行状态转换的状态转换机（如 Gavin Wood 撰写的以太坊黄皮书中所描述的）。

状态模型实际上是比较通用的抽象模型，绝大多数模型都可以用状态模型模拟（如在状态模型中构建 UTXO 模型），因此从理论上来说，只要继续完善 EVM 的 OP_CODE，EVM 的上层同样可以构建出其他合约模型。

3.Libra 认为区块链的核心在于资产的处理，因此提出了 Move 的虚拟机模型（Move Virtual Machine <MVM>）来从虚拟机上限定合约的模型，可以理解为是一种特化逻辑过的 OP_CODE 集合。因此 MVM 的上层只能运行 Move 模型。

通过以上讨论，我们可以认识到合约模型的概念，并且理解到虚拟机对上层合约模型的限制，因此接下来就可以讨论 Wasm 虚拟机可以运行的合约模型以及 Pallet-Contracts 的合约模型构成。

Wasm 虚拟机

Wasm 是一种在基于栈的虚拟机上运行的二进制的指令格式（WebAssembly<abbreviated Wasm)>is a binary instruction format for a stack-based virtual machine, from https://webassembly.org/<opens new window>）。

因此 Wasm 的模型和主流计算机程序的模型结构比较相似。另一方面 Wasm 被设计成为了一种比较通用的形式，且设计了 WASI 并支持了运行环境自由定义 Host Function，因此虽然 Wasm 从浏览器发展而来，但是当前的使用场景已经不限于浏览器，开始在边缘计算，热更新，Serverless 平台等发挥效果。

若以指令的完备性来衡量一个虚拟机的能力，则 EVM 处于半成品的程度，限制多且不够灵活；而 JVM，Wasm 虚拟机则是比较完备的，限制少，功能性强。另一方面指令设计的合理性一定程度也会影响虚拟机的执行效率，同时虚拟机采用的实现方案也会对执行效率产生比较大的影响。

例如 EVM 当前只能以解释器（Interpreter）的形式运行，并且当前的实现过程体（Go, C++等版本）中没有看到针对解释器的优化，执行效率比较底下，而 JVM, Wasm 等虚拟机有采用 JIT 的模式的实现，执行效率相当高甚至逼近本地执行的性能。

注：Pallet-Contracts 当前只能使用 Wasmi（解释器）执行 Wasm 代码，因此合约的执行性能比不上使用 Wasmtime 的 Runtime 的执行性能。

而同时，Wasm 虚拟机相比于 JVM 等虚拟机，十分轻便（LightWeight），快速，可定制性强，且 Host Function 的功能给予了 Wasm 虚拟机与宿主之间交互的通道，因此和其他虚拟机相比，将 Wasm 虚拟机作为区块链合约沙盒与链的功能结合在一起比较容易。

另一方面在笔者看来，Wasm 是处于底层代码与上层代码之间比较好的一个抽象层，且其复杂性与完备性也远超于 EVM，因此比较适合区块链合约领域的需求。

因此 Wasm 虚拟机提供的沙盒环境在满足合约沙盒的前提下还满足以下 2 点要求：

• 指令完备，功能性丰富，执行效率高

• 有适合的接口能与宿主（这里指代运行 Wasm 的环境，即链）交互，方便宿主提供需要的功能。

EVM 的合约模型

由于 Ethereum 是存储状态的区块链，因此 EVM 的合约模型理所应当的需要基本读写状态的功能。如果把每次合约运行的过程看做一次程序的启动到执行结束的过程，那么状态数据的变化就对应着这个程序需要持久化数据的变化。

因此对于读写状态，以太坊的 EVM 提供了 SLOAD 和 SSTORE 两个指令。

另一方面以太坊描述一个账户使用了“账户模型”，即将合约和调用合约的用户都看做了一个账户，在这个账户下存在 Balance 等概念，因此 EVM 提供了 CALLER，ORIGIN，CALLVALUE 等等一系列指令来描述这种模型。

同时由于在 EVM 的抽象体系中，认为合约与用户是一致的，因此出现了“合约调用合约”的模型，即 CALL，DELEGATECALL 等指令，由此带来了合约的可组合性，造就了 Ethereum 繁荣的生态。而在 EVM 中，一个合约依托于一个 EVM 进行运行，因此合约调用合约是在一个 EVM 中启动了另一个 EVM 并加载指令进行执行。

当然 EVM 虚拟机设计的初衷就是为了解决比特币脚本的非图灵完备问题，为了解决这个问题并保证停机问题不发生，引入了指令的 Gas 计费模型，因此总结以上可以得到，EVM 的合约模型具备以下特性：

1.处理数据的模型是状态机模型，状态的变更靠外界调用触发（类比于调用了状态变更函数的过程）；

2.合约模型中需要链相关的特性；

3.将合约与用户看做一致，允许合约调用合约；

4.引入指令计费模型。

Pallet-Contracts 的合约模型

这里直接下结论：Pallet-Contracts 虽然使用了 Wasm 虚拟机来执行代码，但是其合约模型基本与 EVM 合约模型一致。

也就是说 Pallet-Contracts 的合约模型同样具备以下 4 点特性：

1. 处理数据的模型是状态机模型；

2. 合约模型中需要链相关的特性；

3. 将合约与用户看做一致，允许合约调用合约；

4. 引入指令计费模型。

并且，在以上 4 种特性的基础上，增加了“存储租赁模型”：

• Rent 存储租赁计费

在上文已经称述了合约执行的环境和合约模型是可以解耦的，EVM 由于设计的比较早还没有解耦这个层次的概念，因此在指令中 SLOAD，SSTORE 及类似和链相关的指令是与 EVM 其他指令合并一起的。而 Wasm 本来并非为区块链设计，因此一定不存在这些和链环境相关的指令。

因此 Wasm 的 Host Function 即是用来完成这件事情的。链作为 Host 宿主，只需要把他认为合约可能会用到的方法提供给 Wasm 虚拟机，让他导入这些函数对象，在合约的执行过程中即可以使用。因此通过 Host Function，Pallet-Contracts 合约模块就可以具备 1，2，4 功能，并将提供 3 需要的部分功能，同时第 5 点特性（租赁计费）也可以引入。

并且其中第 3 点功能的实现方式也与 EVM 一致，当出现合约调用合约的部分时，通过 Host Function 从 Wasm 回到了 Pallet-Contracts 模块，并启动了一个新的 Wasm 虚拟机去执行被调用的合约。（该部分在以后的文章中会描述）

因此总结而言，Pallet-Contracts 的合约模型具备如下特性：

1.合约模型与 EVM 的合约模型一致，并在此基础上增加了存储计费模型

2.与链交互的实现通过 Wasm 的 Host Function 特性实现

使用 Wasm 虚拟机实现其他合约模型

刚才简要描述了 Pallet-Contracts 是如何在 Wasm 虚拟机上实现合约模型的，由于前文已经解释了虚拟机与合约模型是可以解耦的，因此实际上在 Wasm 虚拟机上同样可以实现其他的合约模型。

例如我们可以考虑将 Move 虚拟机也移植到 Wasm 虚拟机中，其有两种可能的实现方式：

1.类比于将 EVM 的实现体在 Runtime 的 Wasm 环境运行，可以将 MVM 的实现体也编译成 Wasm 的形式（例如命名为 Pallet-MVM），在 Runtime Wasm 中运行。

基于这种实现，Move 依然可以按正常方式编译，并和 Solidity 的编译结果运行于 Pallet-EVM 一致，将 Move 的编译结果运行在例如 Pallet-MVM 的平台上。

2.将 MVM 与所有权，链相关的特性抽象一层，做成和 Pallet-Contracts 的形式，并设计将 Move 语言编译的中间码 IR 编译到 Wasm。

基于这种实现，可以将 Move 编译成为 Wasm，并在 Wasm 虚拟机中运行。

其他合约模型

• EOS 的合约模型

EOS 的合约模型与 EVM 类似，同时强化了账户模型的概念。因此 EOS 使用 Wasm 的方式也是基于 Wasm 的执行，并通过 Host Function 引入与链相关的功能。

EOS 和 EVM 模型的主要区别在于，EOS 的合约调用合约的过程是以发交易的形态调用，并且 EOS 的资源模型是抵押模型。当前普遍认为正是 EOS 的抵押模型最后导致 EOS 没有走向成功。

• 异步合约模型

pallet-actor 是 Substrate 尝试实现异步合约模型的一个开端，当前没有什么进展。pallet-actor 的模型打算使用 Wasm 虚拟机作为运行环境，并在此基础上添加异步的功能以提升性能。

当前也有其他少数对异步合约模型的研究，但是皆处于比较初步的阶段。

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