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04. 内存布局 |
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《WTF Solidity内部标准》教程将介绍Solidity智能合约中的存储布局，内存布局，以及ABI编码规则，帮助大家理解Solidity的内部规则。
所有代码和教程开源在github: github.com/AmazingAng/WTF-Solidity-Internals
这一讲，我们将介绍Solidity中的变量是如何在内存中保存的。
EVM使用内存来支持交易执行期间的数据存储和读取。EVM的内存是一个线性寻址存储器，你可以把它理解为一个动态字节数组，可以根据需要动态扩展。它支持以8或256 bit写入（MSTORE8/MSTORE），但只支持以256 bit读取（MLOAD）。
需要注意的是，EVM的内存是“易失性”的：交易开始时，所有内存位置的值均为0；交易执行期间，值被更新；交易结束时，内存中的所有数据都会被清除，不会被持久化。如果需要永久保存数据，就需要使用EVM的存储。
相比于存储，在内存上写入和读取数据要便宜的多，因此我们不需要像使用存储那样节省，可以豪横一点。这主要体现在我们不会将多个变量压缩保存在同一个内存槽中。
在内存中读写数据便宜的原因有两个：一是数据分别放在各自的内存槽中，而不是尽量压缩在一个槽中。如果是后者，那EVM每次使用数据时就会多一步操作，从槽中截取出真正自己要使用的数据，也就有了更多的gas消耗。二是内存空间是临时的，使用完就会释放，并不像Storage存储那样永久占用链上空间。因此，数据各自占用一个槽位，不仅带来了计算时的便利，又不会真正占用存储空间，gas费自然就低。
Solidity保留了前4个内存插槽，每个插槽32字节，用于特殊目的：
0x00-0x3f（64字节）：用于哈希方法的临时空间，比如读取mapping里的数据时，要用到key的hash值，key的hash结果就暂存在这里。0x40-0x5f（32字节）：当前分配的内存大小，又称空闲内存指针（Free Memory Pointer），指向当前空闲的内存位置。Solidity 总会把新对象保存在空闲内存指针的位置，并更新它的值到下一个空闲位置。0x60-0x7f（32字节）： 32字节的0值插槽，用于需要零值的地方，比如动态长度数据的初始长度值。
每个值变量会占用一个内存插槽。
function testUint() public pure returns (uint){
uint a = 3;
return a;
}可以看到，上面testUint()函数中的a变量的值被存在内存槽0x80中：
对于内存布局，字符串/字节数组不论长短规则都是一样的。字符串/字节数组长度保存在单独的一个内存槽中，接着是内容，一个内存槽不够的话会顺序保存到后面的内存槽中。
function testShortString() public pure returns (string memory){
string memory x = "WTF";
return x;
}上面的字符串变量x的长度为3，保存在内存槽0x80；内容为WTF，保存在内存槽0xa0
function testLongBytes() public pure returns (bytes memory){
bytes memory x = hex"365f5f375f5f365f73bebebebebebebebebebebebebebebebebebebebe5af43d5f5f3e5f3d91602a57fd5bf3";
return x;
}上面的字节数组变量x的长度为44（0x2c），保存在内存槽0x80；内容保存在内存槽0xa0-0xc0中。
静态数组的每一个元素会占用一个单独的内存槽。
function testStaticArray() public pure returns (uint8[3] memory){
uint8[3] memory b = [1,2,3];
return b;
}可以看到，上面testStaticArray()函数中的b变量的元素被顺序的存在内存槽0xe0-0x120中，虽然每个元素为uint8类型，但仍然占用一个单独的内存槽：
动态数组的长度以及每一个元素会占用一个单独的内存槽。
function testDynamicArray() public pure returns (uint[] memory){
uint[] memory x = new uint[](3);
x[0] = 1;
x[2] = 4;
return x;
}可以看到，上面testDynamicArray()函数中的x变量的长度和元素被顺序的存在内存槽0x80-0xe0中：
当数组里存的是可变长度的数据或其他数组时，对应元素的内存槽存的是变长数据在内存中的指针也就是起始地址。
function testMultiDimensionalArray(string memory info, uint16 length) public pure returns (string[] memory){
string[] memory x = new string[](length);
x[0] = info;
x[1] = "HELLO";
x[length - 1] = "WTF";
return x;
}可以看到, testMultiDimensionalArray("123456789", 5)函数中，参数info的长度和数据存在内存槽0x80 - 0xa0中，参数length因为被编译器优化没有被存在接下来的内存槽中，内存槽0xc0存的是x变量的长度，内存槽0xe0 - 0x160存的是对应元素的string数据在内存中的起始地址, x[0]中存的是0x80，x[1]中存的是0x180也就是string("HELLO")在内存中的起始位置，x[2]、x[3]都存的是0x60，内存槽0x60中是恒定的32字节0，在这里就表示长度为0的string，x[4]中存的是0x1c0也就是string("WTF")在内存中的起始位置，0x200后的数据都是abi.encode过的返回数据。
这一讲，我们介绍了Solidity合约的内存布局。内存布局与存储布局大致类似，但是由于内存操作消耗的gas很低，我们不需要像存储布局那样将多个变量保存在同一个内存槽中。