SLOT:柏林硬分叉对 Gas 影响几何？

柏林硬分叉已于 4 月 14 日在主网上线，引入了四份 EIP 。其中的两份 (EIP-2929 和 EIP-2930)对交易的 gas 成本有影响。本文将解释部分 gas 成本在柏林前是如何计算的，加入了 EIP-2929 后会如何变化，以及如何使用 EIP-2930 引入的访问列表。

这篇文章很长，这是它的概要：

柏林硬分叉改变一些操作码的 gas 成本。如果在一个 dapp 或一个智能合约里 gas 费的值是硬编码的，它们可能会中止运行。如果这种情况发生了，且智能合约是不可更新的，消费者将需要用 EIP-2930 的访问列表才能使用那部分的操作码。

访问列表可以用作减少少量的 gas 成本，但实际上它们在一些情况下是会增加总 gas 消耗量的。

geth 增加了一个叫 eth_createAccessList 的新 RPC方法，用以简化访问列表的创建。

EVM 执行的每个操作码都有一笔相关的 gas 成本。它们大多数的成本是固定的：PUSH1 总是消耗 3 个单位的 gas，MUL 消耗 5 个，等等。其他一些是会变化的：比如 SHA3 的操作码成本依赖于它的输入大小。

我们主要讨论操作码 SLOAD 和 SSTORE，因为它们是最受柏林硬分叉影响的。我们以后会讨论针对地址的操作码，比如所有的 EXT* 和 CALL* ，因为它们的 gas 成本也改变了。

柏林前 SLOAD 的 gas 成本

H&M在柏林测试基于区块链的服装租赁服务:10月23日消息，瑞典服装零售巨头H&M正与Lablaco及其循环时尚平台SPIN合作，在其柏林的一家门店尝试基于区块链的服装租赁服务。整个服装租赁过程相关的所有信息都通过Lablaco的SPIN存储在区块链上，顾客还可以用智能手机扫描租借衣服的护理标签，查看租借历史。（malaymail）[2021/10/23 20:51:06]

在没有 EIP-2929 之前，SLOAD 的 gas 消耗很简单：它总是消耗 800 gas。所以（目前）没有什么可说的。

柏林前 SSTORE 的 gas 成本

在 gas 消耗方面，SSTORE 可能是最复杂的操作码了，因为它的成本取决于像存储 slot 的当前值、新值、以及它是否之前被修改过。我们仅对一些情况进行分析以获得一个基本理解；如果你想了解更多，请阅读文末的 EIP 链接。

如果存储 slot 的值从0 变成 1 (或任何非 0 的值)，gas 消耗量是 20000。

如果存储 slot 的值从1 变成2 (或任何其他非 0 的值)，gas 消耗量是 5000。

如果存储 slot 的值从 1 (或任何非 0 的值) 变成 0，gas 消耗量也是 5000，但在交易的最后你会获得 1 笔 gas 费返还。本文不会讨论 gas 费返还，因为它们在柏林硬分叉中不受影响。

如果存储 slot 的值在之前相同的交易中被修改了，往后所有 SSTORE 的 gas 消耗量都是 800。

这部分的细节并不有趣，重要的是 SSTORE 很贵，而它的消耗取决于几个因素。

以太坊柏林硬分叉后节点出现问题，区块高度12244294出现共识错误:以太坊柏林硬分叉后节点出现问题，区块高度12244294出现共识错误，该块之后不同步。目前仅影响Openethereum节点，核心开发者正在诊断根本原因。[2021/4/15 20:24:03]

EIP-2929 对上述所有操作码的 gas 消耗都有影响。但在深入这些变化前，我们需要先谈谈这份 EIP 引入的一个重要概念：访问过的地址 (accessed addresses)与访问过的存储密钥 (accessed storage keys)。

如果一个地址或一个存储密钥在之前的交易中被“使用”过，那么它们就会被视为“访问过的”。例如，当你 CALL（调用）一个其他合约，该合约的地址就会被标为“ accessed (访问过的)”。同样地，当你 SLOAD（加载）或 SSTORE（存储）一些 slot 的时候，交易的其他部分也会被视为访问过的。哪个操作码执行它并不重要：如果一个 SLOAD 读取了一个 slot，接下来的 SLOAD 和SSTORE 都会被视为访问过的。

这里值得注意的是，存储密钥是“内置于“一些地址的。就如这份 EIP 所解释：

在执行交易时，维持一组 accessed_addresses: Set[Address] 和accessed_storage_keys: Set[Tuple[Address, Bytes32]]

也就是说，当我们说一个存储 slot 被访问了，我们实际上说的一对 (address, storageKey) 被访问了。

以太坊API服务供应商Infura已为柏林硬分叉升级准备就绪:2月25日消息，以太坊API服务供应商Infura宣布已为柏林硬分叉升级做好了准备，Infura的用户无需采取任何措施。Infura团队表示，如果用户是自己运行的以太坊节点客户端，就需要自己及时升级客户端。此前在以太坊核心开发者会议上，开发者决定将于4月14日在区块高度12244000处进行柏林硬分叉升级，升级内容包括对合约的各种优化，涵盖Gas效率、对以太坊虚拟机（EVM）读取代码方式的更新以及防范DDOS攻击的其他更改等。此次升级包括至少五个EIP，EIP-2565（ModExpGas成本）、EIP-2315（EVM的简单子程序）、EIP-2929（状态访问操作码的Gas成本增加）、EIP-2718（定义一个新的事务类型）和EIP-2930（可选的访问列表），并将在部署前在四个以太坊测试网络上进行发布。[2021/2/25 17:51:28]

接下来谈谈新的 gas 消耗。

柏林后的 SLOAD

在柏林硬分叉之前，SLOAD固定消耗 800 gas。现在，它取决于该存储 slot 是否被访问过。如果它没有被访问过，gas 消耗是 2100；如果被访问过了，则是 100。因此，如果该 slot 是在访问过的存储密钥列表里的，SLOAD 的 gas 消耗会少于 2000。

柏林后的 SSTORE

让我们在 EIP-2929 语境下重温前面的 SSTORE 例子：

如果存储 slot 的值从0 变成 1 (或任何非 0 的值)，gas 消耗量是：

如果存储密钥没有被访问过，22100

以太坊柏林升级范围或将包含5个提案，可能会提升部分指令的Gas成本:在以太坊开发者会议中，核心开发者针对以太坊下一次硬分叉升级（代号柏林）的升级范围进行了讨论，可能会包含的升级内容为EIP-2929、EIP-2930、EIP-2718、EIP-2565和EIP2315。其中比较争议的部分为EIP-2929，该提案由Vitalik Buterin提出，提议增加首次存储读取和帐户访问的Gas成本，但该方案可能会影响部分老智能合约的执行。[2020/11/30 22:34:58]

如果被访问过了，20000

如果存储 slot 的值从1 变成2 (或任何其他非 0 的值)，gas 消耗量是：

如果存储密钥没有被访问过，5000

如果被访问过了，2900

如果存储 slot 的值从 1 (或任何非 0 的值) 变成 0，gas 消耗与上一种情况一样，再加上返还。

如果存储 slot 的值在之前相同的交易中被修改了，往后所有 SSTORE 的 gas 消耗量都是100。

如你所见，如果 SSTORE 正在修改的 slot 是之前被访问过的，第一个SSTORE 消耗少于 2100 gas。

下表对上述的值进行了比较：

请注意，在最后一行没有必要谈论 slot 是否已经被访问过，因为如果它之前就被写入，那它就被访问过了。

我们一开始提及的其他 EIP 就是 EIP-2930。这份 EIP 增加了一种新的交易类型，它可以在交易里加入一个访问列表。这意味着你可以在交易执行开始前，事先声明哪些地址和 slot 应被视为访问过的。例如，一个未被访问过的 slot 的一个 SLOAD 需要消耗 2100 gas，但如果该 slot 被加入到交易访问列表里，同一个操作码只需消耗 100 gas。

动态 | 柏林将举办专注于区块链和数字货币的艺术展览:据ETHNews消息，柏林将于9月7日举办一场名为“工作证明（Proof of Work）”的艺术展览，此次展览将专注于区块链和数字货币技术，此次展览以“由加密创建者制作的艺术品，由艺术家建造的加密实验室，以及之前在比特币的数字货币中获得灵感而创作的绘画和艺术品”为特色。[2018/9/6]

但如果已经被访问过的地址或存储密钥会消耗更少 gas，这是否意味着我们可以把所有东西都添加到交易访问列表来降低 gas 消耗了？棒！不用给 gas 费了！ 然而，不尽然是这样，因为你每次添加地址和存储密钥的时候还是需要支付 gas 费的。

我们来看一个例子。假如我们正在向合约 A 发送一笔交易，访问列表可能如下：

如果我们发送一笔附有这个访问列表的交易，使用 slot 0x0 的第一个操作码是SLOAD，它消耗的是 100 而不是 2100 gas。这减少了 2000 gas。但每次把存储密钥添加到交易的访问列表中都需要消耗 1900 gas。因此我们只省了100 gas。(如果访问该 slot 的第一个操作码是 SSTORE而不是 SLOAD，我们可以省 2100 gas，也就是说如果我们考虑的是存储密钥的消耗的话，我们总共节省 200 gas。 )

这是否代表只要我们使用交易访问列表就能节省 gas？不是的，因为我们还需要支付添加地址到访问列表 (即我们的例子中的 "<address of A>" ) 的 gas。

到目前为止，我们只讨论了操作码 SLOAD 和 SSTORE，但柏林升级后不是只有这些操作码有变化。例如，操作码 CALL 之前的固定消耗量是 700。但 EIP-2929 后，如果地址不在访问列表里，它的消耗量变成了 2600，如果在，则是 100。还有，像访问过的存储密钥，无论之前访问的是什么操作码 (例如，如果EXTCODESIZE 是第一次被调用，那么该操作码将消耗 2600 gas，而往后任何使用同一个地址的 EXTCODESIZE、 CALL 还是STATICCALL都只消耗 100 gas)。

这是如何影响有访问列表的交易的呢？例如，假如我们给合约 A 发送一笔交易，而该合约调用另一个合约 B，那么我们可以加入这样一个列表：

我们将需要支付 2400 gas 以把这个访问列表加入到交易里，但之后使用 B 地址的第一个操作码只消耗 100 gas，而不是2600。因此，我们通过这样做节省了 100 gas。如果 B 以某种方式使用它的存储，且我们知道使用的是哪个密钥，那么我们也可以把它们加入到访问列表里，这样可以为每个密钥节省 100~200 gas (取决于你的第一个操作码是 SLOAD 还是 SSTORE )。

但是为什么我们要谈论另一个合约？我们正在调用的合约呢？为什么不对这个合约进行这些操作？

我们可以这样做，但这样不划算，因为 EIP-2929 明确规定正在被调用的合约 (即tx.to) 地址会默认加入到 accessed_addresses 列表里。因此我们无须支付多余的 2400 gas。

让我们再对之前的例子进行分析：

除非我们要加入多几个存储密钥，否则这其实很浪费。如果我们预设 SLOAD 总是首先使用存储密钥，那么我们起码需要24 个存储密钥能保本。

你可以想象一下，做分析与手动创建一个访问列表并不那么有趣。幸运的是，其实有更好的方法。

Geth (从 1.10.2 版本开始 ) 加入了一个新的 eth_createAccessList RPC 方法，你可以用它来生成访问列表。它的使用与 eth_estimateGas 相似，但它返回的不是 gas 估值，而是像下面这样的结果：

也就是它给你该交易会用到的地址与存储密钥的列表，加上访问列表被加入情况下所消耗的 gas。（像 eth_estimateGas，这是一个估值，当交易实际上被挖的时候，这个列表可能会改变。）但，这并不代表 gas 消耗量会低于在没有访问列表情况下发送同一笔交易所消耗的！

我想我们会随着时间推移发现使用它的正确方法，但我猜的伪代码如下：

值得一提的是，访问列表的主要目的不在于使用 gas。如 EIP 所解释：

减轻由 EIP-2929 引入的合约断裂风险，因为交易可以提前指定交易计划访问的账户和存储 slot 并提前支付；最终在实际执行中，操作码 SLOAD 和 EXT*只消耗 100 gas：这个低 gas 消耗不仅可以防止由该 EIP 引起的断裂，还可以“松开”任何因 EIP-1884 而受限的合约。

这意味着如果一个合约对执行某事务的成本做了假设，gas 成本的增加就可能使它停止运作。例如，一个合约调用另一个合约，像这样someOtherContract.someFunction{gas: 34500}()，因为它假设someFunction 会准确消耗 34500 gas，这样它会出问题。但如果你添加了一个合理的访问列表，那么合约会再次运作。

如果你像自己去测试，复制这个代码库，里面由多个可以用 Hardhat 和 geth 执行的实例。在 README 查看说明。

参考文献

EIP-2929 和 EIP-2930 是与本文相关的两个柏林硬分叉 EIP。

EIP-2930 依赖于柏林硬分叉的另一部分： EIP-2718，它又叫类型交易。

EIP-2929 参考了很多 EIP-2200，因此如果你想深入了解 gas 成本，你可以从那里开始。

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