以太坊虚拟机介绍4-按位运算指令

 

 

 

以太坊虚拟机按位运算指令

EVM定义了8条按位运算指令，见下表：

下面是按位运算指令的操作码分布图： 

AND、OR、XOR、NOT

AND、OR、XOR指令从栈顶弹出两个元素，进行按位运算，然后把结果推入栈顶。以AND指令为例，下面是它的操作示意图： 

NOT指令将栈元素按位取反，下面是它的操作示意图：

这四条指令分别与Solidity语言里的&、|、^和~运算符直接对应，下面的Solidity代码演示了这四条指令的具体应用（读者可以运行solc --asm --opcodes bitwise_demo1.sol命令观察编译器生成的字节码）：

// bitwise_demo1.sol
pragma solidity ^0.4.24;

contract C {

function test() public pure {
int s1; int s2; int s3;
uint u1; uint u2; uint u3;

s3 = s1 & s2; // ADD
s3 = s1 | s2; // OR
s3 = s1 ^ s2; // XOR
s3 = ~ s1; // NOT

u3 = u1 & u2; // ADD
u3 = u1 | u2; // OR
u3 = u1 ^ u2; // XOR
u3 = ~ u1; // NOT
}

}
BYTE
BYTE指令先后从栈顶弹出n和x，取x的第n个字节并推入栈顶。由于EVM的字长是32个字节，所以n在[0, 31]区间内才有意义，否则BYTE的运算结果就是0。另外，字节是从左到右数的，因此第0个字节占据字的最高位8个比特。以n=1为例，下面是BYTE指令操作示意图：

读者可以通过下面的Solidity代码观察BYTE指令的用法：

// byte_demo2.sol
pragma solidity ^0.4.24;

contract C {

function test() public pure {
bytes32 a;
bytes1 b = a[31]; // ... BYTE ...
}

}

SHL、SHR、SAR

这三条位移指令是由EIP-145引入的，从Constantinople虚拟机开始支持。这三条指令都是先后从栈顶弹出两个数n和x，其中x是要进行位移操作顶数，n是位移比特数，然后把结果推入栈顶。以左移指令SHL为例，下面是它的操作示意图： 

SHR和SAR的区别在于，前者执行逻辑右移（空缺补0），后者执行算术右移（空缺补符号位）。下表总结了这三条位移指令对于操作数的解释，以及计算结果（这里^表示指数运算）：

Solidity语言提供了<<和>>运算符，下表总结了这两个运算符的含义（这里**表示指数运算）：

在Constantinople之前，位移运算符使用EXP、MUL、DIV、SDIV等指令实现；从Constantinople开始，位移运算符可以使用位移指令实现。不过请读者注意，<<运算符可以直接编译成SHL指令，但是由于取整方式不同，所以>>运算符并不能直接编译成SAR指令，详见EIP-145和Solidity文档。读者可以通过下面的Solidity代码观察位移指令的用法（可以通过--evm-version选项告诉Solidity编译器目标EVM版本，例如solc --asm --opcodes --evm-version constantinople bitwise_demo2.sol，如不指定，默认是byzantium）：

// bitwise_demo2.sol
pragma solidity ^0.4.24;

contract C {

function test() public pure {
int s1; int s2;
uint u1; uint u2;
uint n;

u2 = u1 << n; // SHL
s2 = s1 << n; // SHL
u2 = u1 >> n; // SHR
s2 = s1 >> n; // EXP、SDIV
//s2 = s1 >>> n; // SHR?
}

}

总结

本文介绍了EVM按位运算指令，下一篇文章将介绍EVM比较操作指令。