你有没有想过，为什么以太坊的功能远不止简单的交易？从全球金融平台到数字艺术市场、去中心化组织，甚至 以太坊支付以太坊网络实现了无需银行或中介机构即可运行的系统。实现这一目标的不仅仅是区块链，还有将以太坊转变为可编程网络的底层机制。在本文中，我们将探讨以太坊虚拟机 (EVM) 的工作原理、它的重要性以及它对去中心化应用未来的意义。本文将探讨以太坊虚拟机 (EVM) 的工作原理、它的重要性以及它对去中心化应用的未来意义。
什么是以太坊虚拟机（EVM）？
以太坊虚拟机（EVM）的核心是一个运行在每个以太坊节点上的软件环境。它就像一台全球性的去中心化计算机，程序（智能合约）完全按照编写的程序运行。
- 每个以太坊节点都运行 EVM 的相同副本。
- 它确保智能合约和交易在任何地方都能产生相同的结果。
- 这是 图灵完备，这意味着理论上只要有足够的资源它就可以执行任何计算。
👉 可以将 EVM 视为以太坊的操作系统。就像 Windows 或 macOS 在您的计算机上运行软件一样，EVM 在以太坊区块链上运行智能合约。
技术说明：EVM 的核心架构
- EVM状态模型: EVM 分离 世界国家—跟踪所有帐户及其在特定时间的存储量—从 交易状态，它是临时的，在执行过程中会发生变化。这确保了整个网络的一致性。
- 基于堆栈的设计： EVM 不使用寄存器，而是使用 256 位字的堆栈。每个 操作码（ADD、MUL、SSTORE 等） 推送或弹出值，在所有节点上创建一个简单、统一的执行模型。
- 账户和存储状态： 每个账户都有一个余额， 随机数 （交易计数器）、合约代码和 持久存储相比之下，内存是临时的，每次运行后都会被清除，因此成本较低但不是永久性的。
👉 这些特性保证了确定性的执行：相同的输入在整个网络范围内总是产生相同的结果。
EVM 如何工作？
以太坊虚拟机（EVM）并不存在于一台机器上——它同时运行在数千台 以太坊节点其主要工作是在整个网络中一致地处理交易和智能合约。
执行如何运作：
- 用户发送交易（例如，部署或与合约交互）。
- 交易包含代码（EVM字节码）和 汽油费.
- EVM 逐步执行代码，消耗 gas。
- 区块链状态更新（余额、存储、合约数据）。
👉 Gas 就像以太坊的电费单，没有 Gas，任何交易或合约都无法运行。
技术说明：Gas、内存和存储
- 燃气费: 每个 EVM 操作都会消耗 gas。简单的算术（例如， 添加) 很便宜，而存储操作则很昂贵。例如， SSTORE（写入存储） 可能会花费数千美元的汽油，而 SLOAD（从存储读取） 更便宜但仍然很重要。
- 退款机制： 如果合约清除存储（例如，将变量重置为零），则会退还部分 Gas。这可以激励开发者清理未使用的数据。
- 内存与存储： 内存是临时的，每次交易后都会重置，而且使用成本更低。存储是永久的，会写入区块链状态，但成本要高得多。高效的智能合约设计通常意味着最大限度地减少对存储的写入。
示例：存储与内存 Gas 使用情况
// SPDX-License-Identifier: MIT pragma solidity ^0.8.0; contract GasExample { uint256 public storedNumber; // 存储在存储中（昂贵） function useStorage(uint256 x) public { storedNumber = x; // 花费数千 gas (SSTORE) } function useMemory(uint256 x) public pure returns (uint256) { uint256 temp = x; // 仅存储在内存中（便宜） return temp + 1; } }
在此示例中：
使用存储（）将值写入合约存储。这会触发昂贵的商店操作可能会花费 20,000 gas 或更多.使用内存（）仅在执行期间将变量保存在临时内存中，这更便宜，并且在函数调用后重置。
👉开发人员通常通过最小化存储写入并尽可能使用内存来优化合约。
为什么 EVM 很重要？
以太坊虚拟机（EVM）之所以重要，有三个原因：
- 非集中化 – 没有单一机构控制执行；执行由 共识.
- 安全 – 每笔交易都经过数千个节点的验证，因此欺诈几乎不可能发生。
- 可编程性 – 开发人员可以在以太坊之上构建从 DeFi 协议到 NFT 的一切。
👉 EVM 的可靠性确保合约和自动化流程完全按照预期运行——无论是金融交易、去中心化组织还是大型应用程序。
⚙️ 技术说明
在 EVM 中执行 确定性的给定相同的合约代码、输入和状态，网络中的每个节点都将获得完全相同的结果。这确保了一致性，避免了争议，并构成了以太坊去信任化设计的基础。
智能合约和 EVM
智能合约是存储在区块链上的程序。EVM 是执行这些程序的机器。
用例示例：
👉 智能合约就像一台自动售货机：您投入钱，按下按钮，它就会交付产品 - 无需收银员。
技术说明：操作码和低级执行
- 从字节码到操作码： 当智能合约被编译时（例如，从 Solidity)，它变成 EVM字节码EVM 将此字节码读取为一系列操作码——低级指令，例如 ADD、SSTORE 或 称呼.
- 逐步执行： 每个操作码都会与 EVM 的 256 位堆栈、内存和存储进行交互。例如，ADD 会从堆栈中弹出两个值并将结果压回，而 SSTORE 则会将一个值永久写入合约存储。
- 使用 REVERT 进行错误处理： "(《世界人权宣言》) REVERT 操作码 允许事务安全地失败。它不是部分应用更改，而是将所有状态修改回滚到执行开始之前的状态，从而确保原子性和安全性。
👉 通过分析操作码，开发人员可以优化合约以降低 gas 成本并建立更强大的防范漏洞的措施。
EVM兼容区块链
以太坊虚拟机 (EVM) 的最大优势之一是它不局限于以太坊本身。多年来，许多其他区块链都已采用 EVM 兼容性，这意味着为以太坊编写的智能合约通常无需修改即可部署在这些网络上。
对于开发人员来说，这意味着他们可以使用相同的工具——MetaMask, Remix IDE, 安全帽, 松露——跨多个生态系统。对于企业和最终用户而言，这意味着可以获得更多选择、更快的确认速度和更低的费用，而无需学习全新的系统。
EVM 兼容区块链（按类别）
| 区块链 | 安全模型 | 描述 |
|---|---|---|
| 以太坊主网 | L1 – 以太坊原生安全 | 最安全且应用最广泛的网络，但通常费用较高。 |
| BNB链 | L1——独立链 | 快速且价格低廉，广泛应用于 DeFi 和消费者应用。 |
| 雪崩（C链） | L1——独立链 | 专为高吞吐量和快速终结性而构建，具有强大的 DeFi 活动。 |
| 幻影 | L1——独立链 | 超快且低成本，非常适合实时应用。 |
| 多边形（PoS）) | 侧链——部分依赖于以太坊 | 一种流行的扩展解决方案，费用非常低，生态系统采用率高。 |
| 仲裁 & 乐观 | L2 – 由以太坊保障的乐观汇总 | 以太坊第 2 层汇总可降低费用，同时保持以太坊级别的安全性。 |
| 根据 （Coinbase 供稿） | L2 – 由以太坊保障的 optimistic rollup | 由 Coinbase 支持构建的 Layer 2，为数百万交易所用户带来轻松访问。 |
| zkSync 时代 & StarkNet | L2 – 由以太坊保护的 zk-rollups | zk-Rollup 解决方案提供低成本和强大的安全保障。 |
| 莱尼亚 （作者：ConsenSys） | L2 – 由以太坊保护的 zkEVM | 由 MetaMask 和 Infura 背后的团队支持的 zkEVM。 |
| 塞洛 | L1——独立链 | 针对小额支付和金融包容性进行优化的移动优先区块链。 |
| 灵知链 (x戴) | L1——独立链 | 最早为实际应用而设计的低成本链条之一。 |
| 克洛诺斯 （Crypto.com） | L1——独立链 | 专注于 DeFi、NFT 和消费者集成的 EVM 兼容链。 |
| 月光 （波尔卡圆点） | 平行链 – 由 Polkadot 中继链保护 | 将 EVM 功能桥接到 Polkadot 生态系统。 |
| Kava 以太坊虚拟机 | L1——独立链 | 将 DeFi 协议与完整的 EVM 兼容性相结合。 |
| 和谐 | L1——分片区块链 | 提供低费用和高速度的分片区块链。 |
👉 重点介绍：
EVM 兼容性使开发人员能够“一次编写，随处部署”，从而使单个智能合约能够跨数十个网络运行。这种互操作性和工具复用性是 EVM 成为区块链开发主导标准的最大原因之一。
主要 EVM 兼容区块链的比较
虽然安全模型和架构类别定义了这些区块链的运行方式，但企业和开发者也关心实际性能。速度、交易费用和网络权衡通常决定了哪条链最适合特定的应用。下表比较了主流兼容 EVM 的区块链在最终确定性、典型成本以及它们的主要优势和局限性方面的差异。
| 区块链 | 平均速度（最终性） | 典型费用 | 主要优势 | 权衡 |
| 以太坊主网 | 约 3-5 分钟（12 次确认） | $3–$20（高负载） | 最强的安全性、最去中心化、最广泛的应用 | 费用高，吞吐量慢 |
| 多边形（PoS） | 30–60秒 | <$0.10 | 快速、便宜、生态系统庞大，非常适合微交易 | 部分依赖于以太坊的安全性 |
| BNB链 | 约 3-5 秒 | $0.05–$0.20 | 速度非常快，费用低，零售和 DeFi 采用率高 | 更加集中的验证器集 |
| 雪崩（C链） | 约 1-2 秒 | <$0.50 | 高吞吐量、DeFi 和 NFT 增长 | 去中心化程度低于以太坊 |
| 幻影 | 约 1-2 秒 | <$0.01 | 超快，非常适合游戏和零售 | 生态系统规模较小，流动性较低 |
| 仲裁（L2） | 约 1-2 分钟 | $0.10–$0.50 | 以太坊级别的安全性，大规模采用 | 采用汇总设计的提款延迟 |
| 乐观（L2） | 约 1-2 分钟 | $0.10–$0.50 | 与以太坊相同的安全性，不断发展的 DeFi | 有限的生态系统与以太坊主网 |
| 基地（L2） | 约 15 至 30 秒 | <$0.10 | 由 Coinbase 支持，方便用户访问 | 仍处于早期阶段，流动性较小 |
| zkSync 时代 | 约 1-2 分钟（zk-rollup） | <$0.10 | 安全性强，zk技术，成本低 | 生态系统成熟度有限 |
| Linea（zkEVM） | 约 1-2 分钟 | <$0.10 | 由 ConsenSys 构建，与 MetaMask 集成 | 早期生态系统，不断发展的工具 |
| 克洛诺斯 | 约 5-6 秒 | <$0.50 | 以消费者为中心，NFT 和 DeFi 的采用 | 更加集中，开发基础更小 |
EVM 的局限性
尽管以太坊虚拟机（EVM）具有诸多优势，但它也存在局限性：
- 可扩展性 – 每秒交易量有限。
- 燃气费 – 交通拥堵时成本可能会飙升。
- 复杂 – 编写安全合同很困难；错误可能会导致巨大损失。
技术说明：超越 EVM – eWASM
以太坊研究人员正在研究 eWASM （以太坊风味 WebAssembly)，最终可能会取代 EVM。
- 支持更多编程语言。
- 提供更高的效率。
- 可以扩展以太坊来处理更大的工作负载。
目前，EVM 仍然是以太坊及其生态系统的支柱。
EVM 与其他虚拟机的比较
虽然以太坊虚拟机 (EVM) 主导着当今的智能合约领域，但它并非唯一支撑区块链生态系统的虚拟机。其他一些替代方案在速度、可扩展性和编程灵活性方面各有优劣。
- Solana 的 Sealevel VM（SVM）: 并行执行数千笔交易，实现极高的吞吐量。非常适合交易等高频应用。 权衡： 需要强大的硬件并使用较小的验证器集运行，与以太坊相比降低了去中心化程度。
- Cosmos WASM（CosmWasm）: 基于 WebAssembly (WASM) 构建，允许开发人员使用以下语言编写合约： 锈. 高度模块化，并可在 Cosmos 生态系统内互操作。 权衡： 与以太坊相比，流动性分散，采用率较低。
- 移动虚拟机（阿普托斯 & 隋): 围绕 Move 语言设计，强调资源安全和并行执行。 权衡： 与 EVM 相比，新生态系统的工具有限。
- 近虚拟机: 基于 WebAssembly 的 VM，旨在通过分片实现可扩展性，支持多种语言。 权衡： 与以太坊相比，DeFi 和 NFT 生态系统规模较小。
- 奇偶校验基板 / 墨水！ （波尔卡圆点）： 一个灵活的框架，允许开发人员构建自定义区块链和智能合约。 权衡： 跨链采用的碎片化和复杂性。
- 卡尔达诺普卢托斯核心: 基于 Haskell 原则构建 扩展的UTXO模型 用于智能合约。提供形式化验证，确保高可靠性。 权衡： 编程更加复杂，生态系统增长更慢。
👉 每种替代方案都强调了一种权衡：虽然 EVM 倾向于可靠性和一致性，但其他替代方案则优先考虑速度、并行化或灵活性——通常以简单性或采用为代价。
EVM 的实际应用
- DeFi： 数十亿美元的日常交易依靠 EVM 合约进行借贷和去中心化交易。
- NFT 市场： 类似平台 OpenSea 取决于 ERC 标准（ERC-20、ERC-721、ERC-1155） 由 EVM 一致执行。
- 跨境支付: 智能合约无需中介即可实现无信任、无边界的交易自动化。
- 企业解决方案： 供应链、身份验证和数字协议使用 EVM 实现透明度和自动化。
⚙️ 技术说明
EVM 的事件和日志系统对于链下应用至关重要。合约执行期间发出的日志允许钱包、 探险家和 去中心化应用 跟踪活动而不会使区块链状态超载。
结论
以太坊虚拟机 (EVM) 代表了区块链历史上的一个转折点，证明了去中心化网络可以超越简单的交易，支持复杂的应用。其设计兼顾了安全性、全局共识和可编程性，为当今的去中心化经济奠定了基础，并为超越以太坊本身的创新打开了大门。
