怎么實現(xiàn)區(qū)塊鏈中的JVM

這篇文章主要介紹了怎么實現(xiàn)區(qū)塊鏈中的JVM，具有一定借鑒價值，感興趣的朋友可以參考下，希望大家閱讀完這篇文章之后大有收獲，下面讓小編帶著大家一起了解一下。

虛擬機是區(qū)塊鏈中的一個關(guān)鍵組件，用來執(zhí)行智能合約，需要滿足安全性和一致性，所謂的安全性一般是指合約代碼需要在隔離的沙箱環(huán)境中運行，以免錯誤或惡意代碼造成對區(qū)塊鏈系統(tǒng)的損害。而一致性是指區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中任意誠實的節(jié)點執(zhí)行同一個合約，如果輸入?yún)?shù)一致，輸出結(jié)果都應(yīng)該是一致的。目前比較主流的虛擬機實現(xiàn)包括EVM、WASM，其他的實現(xiàn)還有如星云鏈的谷歌V8,Nervos的RISC-V，SOLANA的BPF等，設(shè)計如此眾多不同虛擬機的目的，主要是對區(qū)塊鏈系統(tǒng)互操作性、安全性、執(zhí)行性能、硬件兼容性等因素的考量。如EVM更注重的是安全性，雖然Solidity設(shè)計是圖靈完備的語言，但是通過自身限定的最小語法集，來保證合約的安全可控，而星云鏈采用V8，更多的一方面也是考慮智能合約的互操作性，使用javascript降低了合約的編寫門檻。盡管Solidity也是類javascript語言，并且入門門檻也不是很高，但是對于很多想入行區(qū)塊鏈的程序員來說，學(xué)習(xí)一門新的語言還是需要一些成本的。

JVM 為何在區(qū)塊鏈中使用的較少
JVM本身就是一種虛擬機，而且java語言又是最為流行的幾大語言之一，為什么區(qū)塊鏈中使用的較少呢？個人總結(jié)主要包含如下幾個原因：

1、語言的可控性，同c++/golang/rust等主流開發(fā)語言類似，java也是系統(tǒng)級語言，可以訪問嘉盛中文網(wǎng)http://www.jiasheng-chn.com操作系統(tǒng)的任意資源，例如讀寫文件、訪問網(wǎng)絡(luò)等
2、執(zhí)行性能,java是解釋性語言，jvm載入的class文件是一種中間語言，真正執(zhí)行的時候才會進一步解釋成機器碼執(zhí)行，所以主流的jvm都會引入JIT對熱點代碼進行及時編譯來提高執(zhí)行效率
3、語言的復(fù)雜性，java有很多復(fù)雜的語法，比如支持OOP的接口、多態(tài)、反射和多線程控制等，對于更注重過程化執(zhí)行的智能合約用處不大，而且容易影響合約執(zhí)行的一致性。
那如果能解決這些問題，針對jvm做一個自定義的最小集合裁剪，那對于很多java開發(fā)者來說，還是比較有吸引力的。

區(qū)塊鏈中的jvm方案應(yīng)如何實現(xiàn)？

如何傳遞參數(shù)
java是OOP的，如果編寫合約，需要先定義一個合約類，合約類中定義的類方法就是合約能夠執(zhí)行的方法。區(qū)塊鏈上合約執(zhí)行都是通過交易觸發(fā)的，而合約地址、輸入?yún)?shù)需要通過交易攜帶，首先要解決的問題就是如何傳遞這些信息給合約，對于基本類型處理比較簡單，可以都編碼成字符串進行傳遞，合約執(zhí)行的時候根據(jù)方法的參數(shù)類型解析成對應(yīng)的結(jié)果，而對于自定義類的對象如何處理呢？可以使用json、xml、proto等編碼方式對類對象進行逐字段編碼，如果字段也是個自定義類對象，那就遞歸進行編碼。這幾種編碼方式的有點是利于閱讀，但是缺點就是空間占用較大，對于區(qū)塊鏈這種冗余分布式存儲機制來講，占用空間越少越好，所以可以采用以太坊中使用的RLP（遞歸長度前綴）編碼方式。

如何載入java系統(tǒng)類

參考jvm.go代碼庫，可以在目標(biāo)節(jié)點上預(yù)安裝一個jdk環(huán)境，然后在節(jié)點應(yīng)用啟動時把需要用到的java系統(tǒng)類包預(yù)加載入內(nèi)存的一個map中。這里可以根據(jù)實際情況對導(dǎo)入進來的系統(tǒng)類包做一些選擇裁剪，同時過濾掉容易造成執(zhí)行結(jié)果不一致的包，比如隨機數(shù)、多線程，IO操作等。
如何模擬離線沙盒執(zhí)行環(huán)境
筆者采用的是如上裁剪系統(tǒng)類包的做法，限制了用戶合約直接引用網(wǎng)絡(luò)、讀寫、cmd等操作權(quán)限，同時不允許用戶合約直接引用第三方j(luò)ar包或native執(zhí)行第三方庫等，保證合約的安全性。這種方式比較簡單粗暴并不是特別好的方案，對于惡意代碼跳過系統(tǒng)包，自己實現(xiàn)類似的訪問資源的操作，就無法檢測出來，并不是一個好的方案，如果有好的方案可以一起討論。
如何屏蔽隨機數(shù)、多線程等容易造成執(zhí)行結(jié)果不一致的語法執(zhí)行
同上也是限制引入包的做法屏蔽，對于惡意代碼自己實現(xiàn)隨機數(shù)，這個也同樣無法檢測出來。

如何啟動合約執(zhí)行

jvm執(zhí)行是需要找到Main入口，而合約代碼可以不提供Main函數(shù)，我們可以在生成合約包的工具中自動生成相應(yīng)的Main函數(shù)，添加new合約對象，然后調(diào)用對應(yīng)方法的代碼。

如何讀寫合約狀態(tài)變量
java存取的指令碼主要是load和store系列指令。但是對于合約啟動執(zhí)行時，需要先從數(shù)據(jù)庫中讀取到歷史的狀態(tài)，比如合約中的余額變量，如上自動生成的Main函數(shù)中會先new一個合約對象，于是我們可以捕獲到合約對象的構(gòu)造函數(shù)，注入讀取數(shù)據(jù)庫代碼，并將合約對象的成員變量全部恢復(fù)。這里也可以參考solidity的方法，區(qū)分內(nèi)存和存儲變量，可以通過注解來實現(xiàn)。jvm可以解析變量的注解，如果注解是Storge，就存取數(shù)據(jù)庫，否則從當(dāng)前內(nèi)存獲取。

如何返回執(zhí)行結(jié)果

用戶合約代碼可能會執(zhí)行失敗，比如余額不足，權(quán)限不匹配等，我們可以將交易回執(zhí)的指針關(guān)聯(lián)到合約執(zhí)行的主Thread中，這樣在執(zhí)行失敗的地方，都可以隨時返回，并且自定義相關(guān)錯誤信息。

如何回退交易
可以參考以太坊的方案，利用MPT保存狀態(tài)變量的歷史值，狀態(tài)變量的修改是實時修改本地存儲，如果交易失敗回滾，直接修改為上一個歷史狀態(tài)即可。

如何提升執(zhí)行性能
我們可以用native實現(xiàn)類似以太坊的系統(tǒng)合約的功能或替換掉java中比較耗時的操作，比如hashmap。參考jvm.go的實現(xiàn)，我們可以定制很多native方法來提升執(zhí)行效率，例如合約中執(zhí)行sha256，如果用java自帶的方法，會增加幾千條指令。我們也可以利用native方法來完成自定義的一些功能，比如零知識證明、同態(tài)加密庫等。

如何解決停機問題

參考以太坊的gas機制，按照指令粒度統(tǒng)計燃燒的gas，對于涉及到存儲的指令，根據(jù)存儲的數(shù)據(jù)大小增加gas比例。這樣實現(xiàn)的好處是gas統(tǒng)計比較精確，但是java指令較多，代碼實現(xiàn)繁瑣，執(zhí)行性能也會影響。另外看到業(yè)內(nèi)使用WASM的主流方案都是統(tǒng)計指令注入到了編譯生成的機器碼中，這個方案也可以嘗試，但需要自己實現(xiàn)javac。

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