Виртуальная машина Ethereum (EVM) — это сердце сети, среда, в которой исполняются все смарт-контракты. В отличие от большинства современных процессоров, использующих регистровую архитектуру, EVM является стековой машиной. Представьте себе стопку тарелок: вы можете добавлять новую тарелку только сверху и брать тоже только верхнюю. Это и есть принцип стека: «последним пришел, первым вышел» (LIFO — Last-In, First-Out). Все операции в EVM, от простого сложения до сложных вычислений, работают с данными, расположенными на вершине этого стека.

Когда EVM нужно выполнить операцию, например, сложить два числа, она не ищет их в ячейках памяти по адресам. Вместо этого она берет два верхних элемента из стека, выполняет операцию и кладет результат обратно на вершину стека. Такой подход упрощает архитектуру самой виртуальной машины, делая ее более предсказуемой и безопасной для децентрализованной среды.

Взаимодействие со стеком происходит с помощью набора инструкций, называемых опкодами. Каждая инструкция — это простое действие. Главные из них — это PUSH и POP.

PUSH помещает элемент на вершину стека. Существуют разные версии этой команды, от PUSH1 до PUSH32, где число указывает на количество байт (от 1 до 32), которые нужно поместить в стек.

POP удаляет верхний элемент стека. Эта инструкция используется, когда результат операции больше не нужен и его следует убрать, чтобы освободить место.

Жизненный цикл исполнения байт-кода начинается, когда транзакция вызывает смарт-контракт. EVM загружает байт-код контракта и начинает его выполнять инструкция за инструкцией. За отслеживание текущей инструкции отвечает Программный счетчик (Program Counter, PC). Это, по сути, указатель, который хранит адрес следующей инструкции в байт-коде. После выполнения каждой инструкции PC автоматически увеличивается, чтобы перейти к следующей, если только текущая инструкция не является командой перехода, такой как JUMP.

EVM работает с 256-битными (32-байтными) словами. Такой размер был выбран неслучайно. Он идеально подходит для криптографических операций, которые лежат в основе Ethereum, например, для хеш-функции Keccak-256, которая генерирует 256-битный хеш. Это упрощает работу с адресами, ключами и другими криптографическими данными, так как они умещаются в одно слово EVM.

Однако работа со стеком имеет свои ограничения. Глубина стека в EVM ограничена 1024 элементами. Это сделано для предотвращения атак типа «отказ в обслуживании», когда злоумышленник мог бы бесконечно заполнять стек, расходуя ресурсы сети. Если контракт пытается поместить в стек 1025-й элемент, выполнение транзакции прерывается с ошибкой.

Поскольку операции могут брать аргументы только с вершины стека, для работы с элементами, находящимися глубже, нужны специальные инструкции. Для этого служат DUP и SWAP.

DUP (от duplicate) дублирует элемент стека. Например, DUP1 копирует самый верхний элемент, DUP2 копирует второй сверху элемент и кладет копию наверх.

SWAP меняет местами два элемента в стеке. SWAP1 меняет местами первый и второй элементы, SWAP2 — первый и третий, и так далее.

Этот пример, хотя и несколько искусственный, показывает, как с помощью DUP и SWAP можно манипулировать данными для выполнения сложных вычислений, не выходя за рамки стековой архитектуры. Понимание этих низкоуровневых операций — ключ к оптимизации смарт-контрактов и анализу их безопасности.

Теперь проверим, как вы усвоили ключевые идеи архитектуры EVM.

Понимание этих основ является фундаментом для дальнейшего изучения более сложных тем, таких как оптимизация газа и безопасность смарт-контрактов на низком уровне.