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WTF Opcodes 极简入门: 6. 位级指令

我最近在重新学以太坊 opcodes，也写一个“WTF EVM Opcodes 极简入门”，供小白们使用。

推特：@0xAA_Science

社区：Discord｜微信群｜官网 wtf.academy

所有代码和教程开源在 github: github.com/WTFAcademy/WTF-Opcodes

这一讲，我们将介绍 EVM 中用于位级运算的 8 个指令，包括AND（与），OR（或），和XOR（异或）。并且，我们将在用 Python 写的极简版 EVM 中添加对他们的支持。

AND (与)

AND指令从堆栈中弹出两个元素，对它们进行位与运算，并将结果推入堆栈。操作码是0x16，gas 消耗为3。

我们将AND指令的实现添加到我们的 EVM 模拟器中：

def and_op(self):
    if len(self.stack) < 2:
        raise Exception('Stack underflow')
    a = self.stack.pop()
    b = self.stack.pop()
    self.stack.append(a & b)

我们在run()函数中添加对AND指令的处理：

def run(self):
    while self.pc < len(self.code):
        op = self.next_instruction()

        # ... 其他指令的处理 ...

        elif op == AND:  # 处理AND指令
            self.and_op()

现在，我们可以尝试运行一个包含AND指令的字节码：0x6002600316（PUSH1 2 PUSH1 3 AND）。这个字节码将2（0000 0010）和3（0000 0011）推入堆栈，然后进行位级与运算，结果应该为2（0000 0010）。

code = b"\x60\x02\x60\x03\x16"
evm = EVM(code)
evm.run()
print(evm.stack)
# output: [2]

OR (或)

OR指令与AND指令类似，但执行的是位或运算。操作码是0x17，gas 消耗为3。

我们将OR指令的实现添加到 EVM 模拟器：

def or_op(self):
    if len(self.stack) < 2:
        raise Exception('Stack underflow')
    a = self.stack.pop()
    b = self.stack.pop()
    self.stack.append(a | b)

我们在run()函数中添加对OR指令的处理：

def run(self):
    while self.pc < len(self.code):
        op = self.next_instruction()

        # ... 其他指令的处理 ...

        elif op == OR:  # 处理OR指令
            self.or_op()

现在，我们可以尝试运行一个包含OR指令的字节码：0x6002600317（PUSH1 2 PUSH1 3 OR）。这个字节码将2（0000 0010）和3（0000 0011）推入堆栈，然后进行位级与运算，结果应该为3（0000 0011）。

code = b"\x60\x02\x60\x03\x17"
evm = EVM(code)
evm.run()
print(evm.stack)
# output: [3]

XOR (异或)

XOR指令与AND和OR指令类似，但执行的是异或运算。操作码是0x18，gas 消耗为3。

我们将XOR指令的实现添加到 EVM 模拟器：

def xor_op(self):
    if len(self.stack) < 2:
        raise Exception('Stack underflow')
    a = self.stack.pop()
    b = self.stack.pop()
    self.stack.append(a ^ b)

我们在run()函数中添加对XOR指令的处理：

def run(self):
    while self.pc < len(self.code):
        op = self.next_instruction()

        # ... 其他指令的处理 ...

        elif op == XOR:  # 处理XOR指令
            self.xor_op()

现在，我们可以尝试运行一个包含XOR指令的字节码：0x6002600318（PUSH1 2 PUSH1 3 XOR）。这个字节码将2（0000 0010）和3（0000 0011）推入堆栈，然后进行位级与运算，结果应该为1（0000 0001）。

code = b"\x60\x02\x60\x03\x18"
evm = EVM(code)
evm.run()
print(evm.stack)
# output: [1]

NOT

NOT 指令执行按位非操作，取栈顶元素的补码，然后将结果推回栈顶。它的操作码是0x19，gas 消耗为3。

我们将NOT指令的实现添加到 EVM 模拟器：

def not_op(self):
    if len(self.stack) < 1:
        raise Exception('Stack underflow')
    a = self.stack.pop()
    self.stack.append(~a % (2**256)) # 按位非操作的结果需要模2^256，防止溢出

在run()函数中添加对NOT指令的处理：

elif op == NOT: # 处理NOT指令
    self.not_op()

现在，我们可以尝试运行一个包含NOT指令的字节码：0x600219（PUSH1 2 NOT）。这个字节码将2（0000 0010）推入堆栈，然后进行位级非运算，结果应该为很大的数（0xfffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffd）。

# NOT
code = b"\x60\x02\x19"
evm = EVM(code)
evm.run()
print(evm.stack)
# output: [很大的数] (fffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffd)

SHL

SHL指令执行左移位操作，从堆栈中弹出两个元素，将第二个元素左移第一个元素位数，然后将结果推回栈顶。它的操作码是0x1B，gas 消耗为3。

我们将SHL指令的实现添加到 EVM 模拟器：

def shl(self):
    if len(self.stack) < 2:
        raise Exception('Stack underflow')
    a = self.stack.pop()
    b = self.stack.pop()
    self.stack.append((b << a) % (2**256)) # 左移位操作的结果需要模2^256

在run()函数中添加对SHL指令的处理：

elif op == SHL: # 处理SHL指令
    self.shl()

现在，我们可以尝试运行一个包含XOR指令的字节码：0x600260031B（PUSH1 2 PUSH1 3 SHL）。这个字节码将2（0000 0010）和3（0000 0011）推入堆栈，然后将2左移3位，结果应该为16（0001 0000）。

code = b"\x60\x02\x60\x03\x1B"
evm = EVM(code)
evm.run()
print(evm.stack)
# output: [16] (0x000000010 << 3 => 0x00010000)

SHR

SHR指令执行右移位操作，从堆栈中弹出两个元素，将第二个元素右移第一个元素位数，然后将结果推回栈顶。它的操作码是0x1C，gas 消耗为3。

我们将SHR指令的实现添加到 EVM 模拟器：

def shr(self):
    if len(self.stack) < 2:
        raise Exception('Stack underflow')
    a = self.stack.pop()
    b = self.stack.pop()
    self.stack.append(b >> a) # 右移位操作

在run()函数中添加对SHR指令的处理：

elif op == SHR: # 处理SHR指令
    self.shr()

现在，我们可以尝试运行一个包含XOR指令的字节码：0x601060031C（PUSH1 16 PUSH1 3 SHL）。这个字节码将16（0001 0000）和3（0000 0011）推入堆栈，然后将16右移3位，结果应该为2（0000 0010）。

code = b"\x60\x10\x60\x03\x1C"
evm = EVM(code)
evm.run()
print(evm.stack)
# output: [2] (0x00010000 >> 3 => 0x000000010)

其他位级指令

  1. BYTE: BYTE指令从堆栈中弹出两个元素（a和b），将第二个元素（b）看作一个32字节的数组，不够位数补 0，并返回该字节数组中从高位开始的第a个索引的字节，即（b[31-a]），并压入堆栈。如果索引a大于或等于 32，返回0，否则返回b[31-a]。 操作码是0x1a，gas 消耗为3。

    def byte_op(self):
    if len(self.stack) < 2:
        raise Exception('Stack underflow')
    position = self.stack.pop()
    value = self.stack.pop()
    if position >= 32:
        res = 0
    else:
        res = (value // pow(256, 31 - position)) & 0xFF
    self.stack.append(res)

  2. SAR: SAR指令执行算术右移位操作，与SHR类似，但考虑符号位：如果我们对一个负数进行算术右移，那么在右移的过程中，最左侧（符号位）会被填充F以保持数字的负值。它从堆栈中弹出两个元素，将第二个元素以符号位填充的方式右移第一个元素位数，然后将结果推回栈顶。它的操作码是0x1D，gas 消耗为3。由于 Python 的>>操作符已经是算术右移，我们可以直接复用shr函数的代码。

    def sar(self):
    if len(self.stack) < 2:
        raise Exception('Stack underflow')
    a = self.stack.pop()
    b = self.stack.pop()
    self.stack.append(b >> a) # 右移位操作

总结

这一讲，我们介绍了 EVM 中的 8 个位级指令，并在极简版 EVM 中添加了对他们的支持。课后习题: 写出0x6002600160011B1B对应的指令形式，并给出运行后的堆栈状态。