以太坊主網的Gas費用一直是老大難問題，尤其是在網絡擁堵時更為顯著。在高峰期，用戶往往需要支付極高的交易費用。因此，在智能合約開發階段進行 Gas 費用優化尤為重要。優化 Gas 消耗不僅能有效降低交易成本，還能提升交易效率，為用戶帶來更加經濟、高效的區塊鏈使用體驗。

本文將概述以太坊虛擬機（EVM）的Gas費機制、Gas費優化的相關核心概念，以及開發智能合約時進行Gas費優化的最佳實踐。希望通過這些內容，能為開發者提供啟發和實用幫助，同時也助力普通用戶更好地理解EVM的Gas費用運作方式，共同應對區塊鏈生態中的挑戰。

EVM的Gas費機制簡介

在兼容EVM的網絡中，“Gas”是指用於測量執行特定操作所需計算能力的單位。

下圖說明了EVM的結構佈局。圖中，Gas消耗分為三個部分：操作執行、外部消息調用以及內存和存儲的讀寫。

來源：以太坊官網[1]

由於每筆交易的執行都需要計算資源，因此會收取一定費用以防止無限循環和拒絕服務（DoS）攻擊。完成一筆交易所需的費用被稱為“Gas費”。

自 EIP-1559（倫敦硬分叉）生效以來，Gas費通過以下公式計算：

Gas fee = units of gas used * (base fee + priority fee)

基礎費會被銷燬，優先費用則作為激勵，鼓勵驗證者將交易添加到區塊鏈中。在發送交易時設置更高的優先費用，可以提高交易被包含在下一個區塊中的可能性。這類似於用戶向驗證者支付的一種“小費”。

1. 理解EVM中的Gas優化

當用Solidity編譯智能合約時，合約會被轉換為一系列“操作碼”，即opcodes。

任何一段操作碼（例如創建合約、進行消息調用、訪問賬戶存儲以及在虛擬機上執行操作）都有一個公認的Gas消耗成本，這些成本記錄在以太坊黃皮書[2]中。

經過多次EIP的修改，其中一些操作碼的Gas成本已被調整，可能與黃皮書中有所偏差。有關操作碼最新成本的詳細信息，請參考此處[3]。

2. Gas優化的基本概念

Gas優化的核心理念是在EVM區塊鏈上優先選擇成本效率高的操作，避免Gas成本昂貴的操作。

在EVM中，以下操作成本較低：

• 讀寫內存變量
• 讀取常量和不可變變量
• 讀寫本地變量
• 讀取calldata變量，例如calldata數組和結構體
• 內部函數調用

成本較高的操作包括：

• 讀寫存儲在合約存儲中的狀態變量
• 外部函數調用
• 循環操作

EVM Gas費用優化最佳實踐

基於上述基本概念，我們為開發者社區整理了一份Gas費優化最佳實踐清單。通過遵循這些實踐，開發者可以降低智能合約的Gas費消耗，降低交易成本，並打造更高效且用戶友好的應用程序。

1. 儘量減少存儲的使用

在Solidity中，Storage（存儲）是一種有限資源，其Gas消耗遠高於Memory（內存）。每次智能合約從存儲中讀取或寫入數據時，都會產生高額的Gas成本。

根據以太坊黃皮書的定義，存儲操作的成本比內存操作高出100倍以上。比如，OPcodes mload和mstore指令僅消耗3個Gas單位，而存儲操作如sload和sstore即使在最理想的情況下，成本也至少需要100個單位。

限制存儲使用的方法包括：

• 將非永久性數據存儲在內存中
• 減少存儲修改次數：通過將中間結果保存在內存中，待所有計算完成後，再將結果分配給存儲變量。

2. 變量打包

智能合約中使用的Storage slot（存儲槽）的數量以及開發者表示數據的方式會極大影響Gas費的消耗。

Solidity編譯器會在編譯過程中將連續的存儲變量打包，並以32字節的存儲槽作為變量存儲的基本單位。變量打包是指通過合理安排變量，使多個變量能夠適配到單個存儲槽中。

左側是一個效率較低的實現方式，將消耗3個存儲槽；右側是一個更高效的實現方式。

通過這一細節的調整，開發者可以節省20,000個Gas單位（存儲一個未使用過的存儲槽需要消耗20,000Gas），但現在僅需要兩個存儲槽。

由於每個存儲槽都會消耗Gas，變量打包通過減少所需存儲槽的數量來優化Gas的使用。

3. 優化數據類型

一個變量可以用多種數據類型表示，但不同的數據類型對應的操作成本也不同。選擇合適的數據類型有助於優化Gas的使用。

例如，在Solidity中，整數可以細分為不同的大小：uint8、uint16、uint32等。由於EVM是以256位為單位執行操作，使用uint8意味著EVM必須先將其轉換為uint256，而這種轉換會額外消耗Gas。

我們可以通過圖中的代碼比較uint8和uint256的Gas成本。UseUint()函數消耗120,382 Gas單位，而UseUInt8()函數消耗166,111 Gas單位。

單獨來看，這裡使用uint256比uint8更便宜。然而，若使用我們之前建議的變量打包優化就不同了。如果開發者能夠將四個uint8變量打包到一個存儲槽中，那麼迭代它們的總成本將比四個uint256變量更低。這樣，智能合約就可以讀寫一次存儲槽，並在一次操作中將四個uint8變量放入內存/存儲中。

4. 使用固定大小變量替代動態變量

如果數據可以控制在32字節內，建議使用bytes32數據類型替代bytes或strings。一般來說，固定大小的變量比可變大小的變量消耗的Gas更少。如果字節長度可以限制，儘量選擇從bytes1到bytes32的最小長度。

5. 映射與數組

Solidity的數據列表可以用兩種數據類型表示：數組（Arrays）和映射（Mappings），但它們的語法和結構截然不同。

映射在大多數情況下效率更高而成本更低，但數組具有可迭代性且支持數據類型打包。因此，建議在管理數據列表時優先使用映射，除非需要迭代或可以通過數據類型打包優化Gas消耗。

6. 使用calldata代替memory

函數參數中聲明的變量可以存儲在calldata或memory中。兩者的主要區別在於，memory可以被函數修改，而calldata是不可變的。

記住這個原則：如果函數參數是隻讀的，應優先使用calldata而非memory。這樣可以避免從函數calldata到memory的不必要複製操作。

示例 1：使用memory

使用memory關鍵字時，數組的值會在ABI解碼過程中從編碼的calldata複製到memory。這段代碼塊的執行成本為3,694個Gas單位。

示例 2：使用calldata

當直接從calldata讀取值時，跳過中間的memory操作。這種優化方式使執行成本降至僅2,413個Gas單位，Gas效率提升了35%。

7. 儘可能使用Constant/Immutable關鍵字

Constant/Immutable變量不會存儲在合約的存儲中。這些變量會在編譯時計算，並存儲在合約的字節碼中。因此，與存儲相比，它們的訪問成本要低得多，建議儘可能使用Constant或Immutable關鍵字。

8. 在確保不會發生溢出/下溢時使用Unchecked

當開發者能夠確定算術操作不會導致溢出或下溢時，可以使用Solidity v0.8.0引入的unchecked關鍵字，避免多餘的溢出或下溢檢查，從而節省Gas成本。

在下圖中，受條件約束i<length的限制，變量i永遠不可能溢出。在這裡，length被定義為uint256，這意味著i的最大值為max(uint)-1。因此，在未檢查代碼塊中遞增i進行被認為是安全的，並更節省Gas。

此外，0.8.0及以上版本的編譯器已不再需要使用SafeMath庫，因為編譯器本身已內置了溢出和下溢保護功能。

9. 優化修改器

修改器的代碼被嵌入到被修改過的函數中，每次使用修改器時，其代碼都會被複制。這會增加字節碼的大小並提高Gas消耗。以下是一種優化修改器Gas成本的方法：


優化前：

優化後：

在本例中，通過將邏輯重構為內部函數_checkOwner()，允許在修改器中重複使用該內部函數，可減少字節碼大小並降低Gas成本。

10. 短路優化

對於||和&&運算符，邏輯運算會發生短路評估，即如果第一個條件已經能夠確定邏輯表達式的結果，則不會評估第二個條件。

為了優化Gas消耗，應將計算成本低廉的條件放在前面，這樣可以有可能跳過成本高昂的計算。

附加一般性建議

1. 刪除無用代碼

如果合約中存在未使用的函數或變量，建議將其刪除。這是減少合約部署成本並保持合約體積小最直接的方法。

以下是一些實用建議：

• 使用最高效的算法進行計算。如果合約中直接使用某些計算的結果，那麼就應該去除這些冗餘計算過程。本質上，任何未使用的計算都應該被刪除。
• 在以太坊中，開發者通過釋放存儲空間可以獲得Gas獎勵。如果不再需要某個變量時，應使用delete關鍵字刪除它，或將其設置為默認值。
• 循環優化：避免高成本的循環操作，儘可能合併循環，並將重複計算移出循環體。

2. 使用預編譯合約

預編譯合約提供複雜的庫函數，例如加密和散列操作。由於代碼不是在EVM上運行，而是在客戶端節點本地運行，因此需要的Gas更少。使用預編譯合約可以通過減少執行智能合約所需的計算工作量來節省Gas。

預編譯合約的示例包括橢圓曲線數字簽名算法（ECDSA）和SHA2-256哈希算法。通過在智能合約中使用這些預編譯合約，開發者可以降低Gas成本，並提高應用程序的運行效率。

關於以太坊網絡支持的預編譯合約的完整列表，請參閱此處[4]。

3. 使用內聯彙編代碼

內聯彙編（in-line assembly）允許開發者編寫可由EVM直接執行的低級卻高效的代碼，而無須使用昂貴的Solidity操作碼。內聯彙編還允許更精確地控制內存和存儲的使用，從而進一步減少Gas費。此外，內聯彙編可以執行一些僅使用Solidity難以實現的複雜操作，為優化Gas消耗提供更多靈活性。

以下是使用內聯彙編節省Gas的代碼示例：

從上圖可以看到，與標準用例相比，使用了內聯彙編技術的第二種用例擁有著更高的Gas效率。

然而，使用內聯彙編也可能帶來風險並容易出錯。因此，應謹慎使用，僅限經驗豐富的開發者操作。

4. 使用Layer 2解決方案

使用Layer 2解決方案可以減少需要在以太坊主網上存儲和計算的數據量。

像rollups、側鏈和狀態通道等Layer 2解決方案能夠將交易處理從主以太坊鏈上卸載，從而實現更快和更便宜的交易。通過將大量交易捆綁在一起，這些解決方案減少了鏈上交易的數量，從而降低了Gas費用。使用Layer 2解決方案還可以提高以太坊的可擴展性，使更多用戶和應用能夠參與網絡，而不會導致網絡超載引起擁堵。

5. 使用優化工具和庫

有多個優化工具可供使用，例如solc優化器、Truffle的構建優化器和Remix的Solidity編譯器。

這些工具可以幫助最小化字節碼的大小、刪除無用代碼，並減少執行智能合約所需的操作次數。結合其他Gas優化庫，如 “solmate”，開發者可以有效地降低Gas成本並提高智能合約的效率。

結論

優化Gas消耗是開發者的重要步驟，既可以最小化交易成本又能提高EVM兼容網絡上智能合約的效率。通過優先執行節省成本的操作、減少存儲使用、利用內聯彙編以及遵循本文討論的其他最佳實踐，開發者可以有效地降低合約的Gas消耗。

不過，必須注意的是，在優化過程中，開發者必須謹慎操作，以防引入安全漏洞。優化代碼和減少Gas消耗的過程中，永遠不應犧牲智能合約固有的安全性。

[1] : https://ethereum.org/en/developers/docs/gas/

[2] : https://ethereum.github.io/yellowpaper/paper.pdf

[3] : https://www.evm.codes/

[4] : https://www.evm.codes/precompiled