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WTF Opcodes极简入门: 20. Staticcall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，我们介绍EVM中的STATICCALL指令，它和CALL指令类似，允许合约执行其他合约的代码，但是不能改变合约状态。它是Solidity中pure和view关键字的基础。

STATICCALL 指令

STATICCALL指令会创建一个子环境来执行其他合约的部分代码，并返回数据。返回数据可以使用RETURNDATASIZE和RETURNDATACOPY获取。若执行成功，会将1压入堆栈；否则，则压入0。如果目标合约没有代码，仍将1压入堆栈（视为成功）。

和CALL指令的不同，STATICCALL不能发送ETH，也不能改变合约的状态。它不允许子环境执行的代码中包含以下指令：

  • CREATE, CREATE2, SELFDESTRUCT
  • LOG0 - LOG4
  • SSTORE
  • value不为0的CALL

它从堆栈中弹出6个参数，依次为：

  • gas：为这次调用分配的gas量。
  • to：被调用合约的地址。
  • mem_in_start：输入数据（calldata）在内存的起始位置。
  • mem_in_size：输入数据的长度。
  • mem_out_start：返回数据（returnData）在内存的起始位置。
  • mem_out_size：返回数据的长度。

它的操作码为0xFA，gas消耗为：内存扩展成本+地址操作成本。

下面，我们在极简evm中实现STATICCALL指令。首先，我们需要检查子环境的代码是否包含STATICCALL不支持的指令：

def is_state_changing_opcode(self, opcode): # 检查static call不能包含的opcodes
    state_changing_opcodes = [
        0xF0, # CREATE
        0xF5, # CREATE2
        0xFF, # SELFDESTRUCT
        0xA0, # LOG0
        0xA1, # LOG1
        0xA2, # LOG2
        0xA3, # LOG3
        0xA4, # LOG4
        0x55  # SSTORE
    ]
    return opcode in state_changing_opcodes

然后在init()函数中初始化一个is_static状态，当它为true时，意味着执行的是STATICCALL，需要检查不支持的指令：

class EVM:
    def __init__(self, code, is_static=False):
        # ... 其他初始化 ...
        self.is_static = is_static

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

            if self.is_static and self.is_state_changing_opcode(op):
                self.success = False
                raise Exception("State changing operation detected during STATICCALL!")

此外，对于不为0的value的CALL，我们需要稍作修改：

def call(self):

    if self.is_static and value != 0:
        self.success = False
        raise Exception("State changing operation detected during STATICCALL!")

    # ... 其他代码 ...

最后，我们可以加入staticcall函数：

def staticcall(self):
    if len(self.stack) < 6:
        raise Exception('Stack underflow')
        
    gas = self.stack.pop()
    to_addr = self.stack.pop()
    mem_in_start = self.stack.pop()
    mem_in_size = self.stack.pop()
    mem_out_start = self.stack.pop()
    mem_out_size = self.stack.pop()
    
    # 拓展内存
    if len(self.memory) < mem_in_start + mem_in_size:
        self.memory.extend([0] * (mem_in_start + mem_in_size - len(self.memory)))

    # 从内存中获取输入数据
    data = self.memory[mem_in_start: mem_in_start + mem_in_size]

    account_target = account_db[hex(to_addr)]
    
    # 使用txn构建上下文
    ctx = Transaction(to=hex(to_addr), 
                        data=data,
                        value=0,
                        caller=self.txn.thisAddr, 
                        origin=self.txn.origin, 
                        thisAddr=hex(to_addr), 
                        gasPrice=self.txn.gasPrice, 
                        gasLimit=self.txn.gasLimit, 
                        )
    
    # 创建evm子环境
    evm_staticcall = EVM(account_target['code'], ctx, is_static=True)
    # 运行代码
    evm_staticcall.run()
    
    # 拓展内存
    if len(self.memory) < mem_out_start + mem_out_size:
        self.memory.extend([0] * (mem_out_start + mem_out_size - len(self.memory)))
    
    self.memory[mem_out_start: mem_out_start + mem_out_size] = evm_staticcall.returnData
    
    if evm_staticcall.success:
        self.stack.append(1)  
    else:
        self.stack.append(0)

测试

在测试中，我们会使用第一个地址（0x9bbf起始）调用第二个地址（0x1000起始），运行上面的代码（PUSH1 0x42 PUSH1 0 MSTORE PUSH1 1 PUSH1 31 RETURN），成功的话会返回0x42。

测试字节码为6001601f5f5f731000000000000000000000000000000000000c425ffA5f51（PUSH1 1 PUSH1 31 PUSH0 PUSH0 PUSH20 1000000000000000000000000000000000000c42 PUSH0 STATICCALL PUSH0 MLOAD），它会调用第二个地址上的代码，然后将内存中的返回值0x42压入堆栈。

# Staticcall
code = b"\x60\x01\x60\x1f\x5f\x5f\x73\x10\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x0c\x42\x5f\xfA\x5f\x51"
evm = EVM(code, txn)
evm.run()
print(hex(evm.stack[-2]))
# output: 0x1 (success)
print(hex(evm.stack[-1]))
# output: 0x42

总结

这一讲，我们探讨了STATICCALL指令，它提供了一种安全的方法来执行其他合约的代码，而不修改合约状态，是Solidity中pure和view关键字的基础。目前，我们已经学习了144个操作码中的140个（97%）！