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如何优雅地编写智能合约

张龙 FISCO BCOS开源社区 2024-02-03





写在开头


众所周知,智能合约的出现,使得区块链不仅能够处理简单的转账功能,还能实现复杂的业务逻辑处理,其核心在于账户模型。


目前在众多区块链平台中,大多数集成了以太坊虚拟机,并使用Solidity作为智能合约的开发语言。Solidity语言不仅支持基础/复杂数据类型操作、逻辑操作,同时提供高级语言的相关特性,比如继承、重载等。


除此之外,Solidity语言还内置很多常用方法,比如成套的加密算法接口,使得数据加解密非常简单;提供事件Event,便于跟踪交易的执行状态,为业务的逻辑处理、监控和运维提供便利。


然而,我们在编写智能合约代码的时候,还是会碰到各种问题,这些问题包括:代码bug、可扩展性、可维护性、业务互操作的友好性等。同时,Solidity语言还不完善、需要执行在EVM上、语言本身及执行环境也会给我们带来一些坑。


基于此,我们结合之前的项目和经验进行梳理,希望将之前碰到的问题总结下来,为后续的开发提供借鉴依据。


⊙ 注:智能合约安全不在本篇文章讨论范畴,文中智能合约代码为0.4版本写法。





Solidity常见问题



   EVM栈溢出


EVM的栈深度为1024,但是EVM指令集最多访问深度为16,这给智能合约的编写带来很多限制,常见的报错为:stack overflows。


这个报错出现在智能合约编译阶段。我们知道EVM的栈用于存储临时变量或者局部变量,比如函数的参数或者函数内部的变量。优化一般也是从这两个方面出发。


下述代码片段可能存在栈溢出问题:


//如果课程超过14个,那么参数超过16个,则溢出function addStudentScores( bytes32 studentId, bytes32 studentName, uint8 chineseScore; uint8 englishScore; ... uint8 mathScore) public returns (bool){ //TODO}

函数参数和局部变量不能超过16个,一般建议不超过10个。参数过多会出现的问题:


  1. 容易栈溢出;

  2. 编写代码费劲容易出错;

  3. 不利于业务理解和维护;

  4. 不便于扩展。


常规做法是尽量减少函数参数,碰到实在无法减少的情况,建议采用数组。局部变量和函数参数类似,定义过多也会导致栈溢出,可以通过拼接数组,减少变量个数,一般会和数组入参结合使用,上述代码片段优化后如下所示:


function addStudentScores( bytes32[] studentInfo, uint8[] scores) public returns (bool){ //TODO}



   BINARY字段超长


智能合约通过JAVA编译器编译后会生成对应的JAVA合约,在JAVA合约中有一个重要的常量字段BINARY,该字段为智能合约的编码,即合约代码。合约代码用于合约部署时签名,每一次合约的变更对应的BINARY都会不一样。


在编写智能合约时,如果单个智能合约代码很长,经过编译后的BINARY字段会很大。在JAVA合约中,BINARY字段用String类型存储,String类型的最大长度为65534,如果智能合约代码过多,会导致BINARY字段的长度超过String类型的最大长度,导致String类型溢出,从而报错。


解决方案也非常简单:


  1. 尽可能复用代码,比如某些判断在不同的方法中多次出现,可以抽取出来,这样也便于后续的维护;


  2. 合约拆分,将一个合约拆分成为多个合约,一般出现String越界,基本上可以说明合约设计不合理。



   慎用string类型


string类型是一个比较特殊的动态字节数组,无法直接和定长数组进行转化,其解析和数组转化也非常复杂。


除此之外,string类型浪费空间、非常昂贵(消耗大量gas),且不能进行合约间传递(新的实验性ABI编译器除外),所以建议用bytes代替,特殊场景例外,比如未知长度字节数组或预留字段。


⊙ 备注:string类型可以通过在合约中添加新的实验性ABI编译器(如下代码)进行合约间传递。


pragma experimental ABIEncoderV2;





智能合约编写



   分层设计


网上多数智能合约的例子,比如著名的ERC20等,通常做法是写在一个智能合约文件中,这种写法本身没有什么问题,但面临复杂的业务,这种写法无可避免地会出现:


  1. 代码全部写在一个文件中,这个文件就非常大,不便于查看和理解,修改容易出错;


  2. 不便于多人协作和维护,尤其是业务发生变动或代码出现漏洞时,需要重新升级部署合约,导致之前的合约作废,相关业务数据或资产也就没有了。


那么,有没有一种方法可以使得智能合约升级又不影响原有账户(地址)?


先给答案:没有!(基于底层的分布式存储的CRUD除外,目前FISCO BCOS 2.0支持分布式存储,可直接通过CRUD操作数据库进行合约升级。)


但是!没有并不意味着不能升级,智能合约升级之后最大的问题是数据,所以只要保证数据完整就可以了。


举个例子:我们需要对学生信息上链,常规写法如下所示:


contract Students { struct StudentInfo { uint32 _studentId; bytes32 _studentName; } mapping (uint32 => StudentInfo) private _studentMapping; function addStudent(uint32 studentId, bytes32 studentName) public returns(bool){ //TODO: }}


这种写法,代码全部在一个智能合约中,如果现有的智能合约已经不能满足业务诉求,比如类型为uint32字段需升级为为uint64,或者合约中添加一个新的字段,比如sex,那这个智能合约就没有用了,需要重新部署。但因为重新部署,合约地址变了,无法访问到之前的数据。


一种做法是对合约进行分层,将业务逻辑和数据分离,如下所示:


contract StudentController { mapping (uint32 => address) private _studentMapping; function addStudent(uint32 studentId, bytes32 studentName) public returns(bool){ //TODO: }}contract Student { uint32 _studentId; bytes32 _studentName; //uint8 sex;}


这种写法使得逻辑和数据分离,当需要新增一个性别sex字段时,原始数据可以编写两个StudentController合约,通过版本区分,新的Student采用新的逻辑,需要业务层面做兼容性处理,其最大的问题是对于原有数据的交互性操作,需要跨合约完成,非常不方便,比如查询所有学生信息。


我们再次进行分层,多出一个map层,专门用于合约数据管理,即使业务逻辑层和数据层都出现问题,也没有关系,只需要重新编写业务逻辑层和数据层,并对原有数据进行特殊处理就可以做到兼容。不过,这种做法需要提前在数据合约中做好版本控制(version),针对不同的数据,采用不同的逻辑。


这种做法最大的好处是数据全部保存在StudentMap中,数据合约和逻辑合约的变更都不会影响到数据,且在后续的升级中,可以通过一个controller合约做到对新老数据的兼容,如下所示:


contract StudentController { mapping (uint32 => address) private _studentMapping; constructor(address studentMapping) public { _studentMapping = studentMapping; } function addStudent(uint version, uint32 studentId, bytes32 studentName, uint8 sex) public returns(bool){ if(version == 1){ //TODO }else if(version == 2){ //TODO } }}contract StudentMap { mapping (uint32 => address) private _studentMapping; function getStudentMap() public constant returns(address){ return _studentMapping; }}contract Student { uint8 version; uint32 _studentId; bytes32 _studentName; //uint8 sex;}



   统一接口


智能合约尽管具备很多高级语言的特性,但是本身还是存在很多限制。对于业务的精准处理,需要采用Event事件进行跟踪,对于不同的合约和方法,可以编写不同的Event事件,如下:


PS:你也可以采用require的方式进行处理,不过require方式不支持动态变量,每个require处理后需要填入特定的报错内容,在SDK层面耦合性太重,且不便于扩展。


contract StudentController { //other code event addStudentSuccessEvent(...); //省略参数,下同 event addStudentFailEvent(...); function addStudent(bytes32 studentId, bytes32 studentName) public returns(bool){ if(add success){ addStudentSuccessEvent(...); return true; }else { addStudentFailEvent(...); return false; } }}


这种做法也没有问题,不过我们需要编写大量的Event事件,增加了智能合约的复杂性。如果每次新增加一个方法或者处理逻辑,我们都需要编写一个专门的事件进行追踪,代码侵入性太强,容易出错。


除此之外,基于智能合约的SDK开发,对于每一个交易(方法)由于Event事件不同,需要编写大量的不可复用的代码,解析Event事件。这种写法,对于代码的理解和维护性都是非常差的。要解决这个问题,我们只需要编写一个基合约CommonLib,如下所示:


contract CommonLib { //tx code bytes32 constant public ADD_STUDENT = "1"; bytes32 constant public MODIFY_STUDENT_NAME = "2"; //return code bytes32 constant public STUDENT_EXIST = "1001"; bytes32 constant public STUDENT_NOT_EXIST = "1002"; bytes32 constant public TX_SUCCESS = "0000"; event commonEvent(bytes id, bytes32 txCode, bytes32 rtnCode);}
contract StudentController is CommonLib { function addStudent(bytes32 studentId, bytes32 studenntName) public returns(bool) { //process add student if(add success){ commonEvent(studentId, ADD_STUDENT, TX_SUCCESS); return true; }else { commonEvent(studentId, ADD_STUDENT, STUDENT_EXIST); return false; } } function modifyStudentName(bytes32 studentId, bytes32 studentName) public returns(bool){ //TODO: }}

当新增一个modifyStudentName方法或其他合约时,原有的做法是根据方法可能出现的情况定义多个Event事件,然后在SDK中针对不同的Event编写解析方法,工作量很大。现在只需要在CommonLib中定义一对常量即可,SDK的代码可以完全复用,几乎没有任何新增的工作。


⊙ 注:在上述例子中,commonEvent包含三个参数,其中txCode为交易类型,即调用的哪个交易方法,rtnCode为返回代码,表示在执行txCode所代表的交易方法时出现什么情况,这两个参数是必须的。在commonEvent中还有一个Id字段,用于关联业务字段studentId,在具体的项目中,关联的业务字段可以自行定义和调整。



   代码细节


代码细节能体验一个coder的能力和职业操守。在业务比较赶的情况下,经常会忽略代码细节,同时代码细节(风格)因人而异。对于一个多人协作的项目,统一的代码风格、代码规范,能极大提升研发效率、降低研发及维护成本、降低代码错误率。


命名规范


智能合约命名并没有一个标准,不过团队内部可以按照一个行业共识的规范执行。经过实战,推荐以下风格(不强制),如下代码块。


  1. 合约命名:采用驼峰命名、首字母大写、且能表达对应的业务含义;


  2. 方法命名:采用驼峰命名、首字母小写、且能表达对应的业务含义;


  3. 事件命名:采用驼峰命名、首字母小写、且能表达对应的业务含义,以Event结尾;


  4. 合约变量:采用驼峰命名、以_开头,首字母小写、且能表达对应的业务含义;


  5. 方法入参:采用驼峰命名、首字母小写、且能表达对应的业务含义;


  6. 方法出参:建议只写出参类型,无需命名,特殊情况例外;


  7. 事件参数:同方法入参;


  8. 局部变量:同方法入参。


contract Student { bytes32 _studentId; bytes32 _studentName; event setStudentNameEvent(bytes32 studentId, bytes32 studentName); function setStudentName(bytes32 studentName) public returns(bool){} //other code}


条件判断


在智能合约中,可以通过逻辑控制进行条件判断,比如if语句,也可以采用solidity语言提供的内置方法,比如require等。


两者在执行时存在一些差异,一般情况下,使用require没有问题,但是require不支持传参,如果业务需要在异常情况下给出明确的异常提示,则推荐使用if语句结合Event使用,如下。


event commonEvent(bytes id, bytes32 txCode, bytes32 rtnCode);//require(!_studentMapping.studentExist(studentId),"student does not exist");if(_studentMapping.studentExist(studentId)){ commonEvent(studentId, ADD_STUDENT, STUDENT_EXIST); return false;}


常量及注释


在智能合约中,常量和其他编程语言一样,需要采用大写加下划线方式命名,且命名需具备业务含义,同时需要采用constant关键词修饰,建议放置在合约开头。


常量也需要区分,对外接口常量采用public修饰,放置在基合约中。业务相关常量采用private修饰,放置在具体的业务逻辑合约中。如下所示:


contract CommonLib { //tx code bytes32 constant public ADD_STUDENT = "1"; bytes32 constant public MODIFY_STUDENT_NAME = "2"; ...}
contract StudentController is CommonLib { /** student status */ bytes32 constant private STUDENT_REGISTED = "A"; bytes32 constant private STUDENT_CANCELED = "C"; //other code}

智能合约的注释同大部分编程语言,没有很严格的要求。对于一些特殊字段、常量、数组中的每个变量及特定逻辑,需进行说明,方法及Event可以使用/** comments */,特定字段及逻辑说明可采用//。如下所示:


/*** stundent controller*/contract StudentController { /** add student */ function addStudent( //[0]-seqNo;[1]-studentId;[2]-studentName; bytes32[3] studentInfos) public returns(bool){ //TODO: }}



   兜底方案


在智能合约设计过程中,谁都无法保证自己的代码一定满足业务诉求,因为业务的变动是绝对的。同时,谁也无法保证业务及操作人员一定不会犯错,比如业务对某些字段未做校验导致链上出现非法数据,或者因为业务操作人员手误、恶意操作等,导致链上出现错误数据。


区块链系统不像其他传统系统,可以通过手动修改库或文件对数据进行修正,区块链必须通过交易对数据进行修正。


针对业务变更,在编写智能合约时可以适当增加一些保留字段,用于后续可能存在的业务变更。一般定义为一个通用化的数据类型比较合适,比如string,一方面string类型存储容量大,另一方面几乎啥都可以存。


我们可以在SDK层面通过数据处理将扩展数据存入string字段,在使用时提供相应的数据处理反向操作解析数据,比如在Student合约中,新增reserved字段,如下所示。当前阶段,reserved没有任何作用,在智能合约中为空。


contract Student { //other code string _reserved; function getReserved() constant public returns(string){ return _reserved; }
function setReserved(string reserved) onlyOwner public returns(bool){ _reserved = reserved; return true; }}


针对手误或者非法操作导致的数据错误,务必预留相关的接口,以便在紧急情况下可以不修改合约,而通过更新SDK对链上数据进行修复(SDK中可以先不实现)。比如针对Student合约中的owner字段,添加set操作。


contract Student { //other code; address _owner; function setOwner(address owner) onlyOwner public returns(bool){ _owner = owner; return true; }}

需要特别注意的是,对于预留字段和预留方法,必须确保其操作权限,防止引入更多问题。同时预留字段和预留方法都是一种非正常情况下的设计,具备超前意识,但一定要避免过度设计,这样会导致智能合约的存储空间非常浪费,同时预留方法使用不当会给业务的安全性带来隐患。






写在最后


区块链应用的开发涉及很多方面,智能合约是核心,本篇给出了开发智能合约过程中的一些建议和优化方法,但并不是完整和完美的,且本质上无法杜绝bug的出现,但通过优化方法,可以让代码变得更加健壮和易维护,从这点上来讲,已具备业界的基本良心要求了。







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https://github.com/FISCO-BCOS/FISCO-BCOS



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