3. XVM虚拟机¶
3.1. 背景¶
XVM为合约提供一个稳定的沙盒运行环境,有如下目标:
隔离性,合约运行环境和xchain运行环境互不影响,合约的崩溃不影响xchain。
确定性,合约可以访问链上资源,但不能访问宿主机资源,保证在确定的输入下有确定的输出
可停止性,设置资源quota,合约对资源的使用超quota自动停止
可以统计合约的资源使用情况,如CPU,内存等
运行速度尽量快
3.2. WASM简介¶
WASM是WebAssembly的缩写,是一种运行在浏览器上的字节码,用于解决js在浏览器上的性能不足的问题。 WASM的指令跟机器码很相似,因此很多高级语言如C,C++,Go,rust等都可以编译成WASM字节码从而可以运行在浏览器上。 很多性能相关的模块可以通过用C/C++来编写,再编译成WASM来提高性能,如视频解码器,运行在网页的游戏引擎,React的虚拟Dom渲染算法等。
WASM本身只是一个指令集,并没有限定运行环境,因此只要实现相应的解释器,WASM也可以运行在非浏览器环境。 xchain的WASM合约正是这样的应用场景,通过用C++,go等高级语言来编写智能合约,再编译成WASM字节码,最后由XVM虚拟机来运行。 XVM虚拟机在这里就提供了一个WASM的运行环境。
3.3. WASM字节码编译加载流程¶
WASM字节码的运行有两种方式,一种是解释执行,一种是编译成本地指令后再运行。 前者针对每条指令挨个解释执行,后者通过把WASM指令映射到本地指令如(x86)来执行,解释执行优点是启动快,缺点是运行慢,编译执行由于有一个预先编译的过程因此启动速度比较慢,但运行速度很快。
XVM选用的是编译执行模式。
3.3.1. 字节码编译¶
用户通过c++编写智能合约,通过emcc编译器生成wasm字节码,xvm加载字节码,生成加入了指令资源统计的代码以及一些运行时库符号查找的机制,最后编译成本地指令来运行。
c++合约代码
1int add(int a, int b) {
2 return a + b;
3}
编译后的WASM文本表示
1(module
2(func $add (param i32 i32) (result i32)
3 local.get 0
4 local.get 1
5 i32.add)
6(export "_add" (func $add)))
XVM编译WASM到c,最后再生成动态链接库。
1static u32 _add(wasm_rt_handle_t* h, u32 p0, u32 p1) {
2 FUNC_PROLOGUE;
3 u32 i0, i1;
4 ADD_AND_CHECK_GAS(3);
5 i0 = p0;
6 i1 = p1;
7 i0 += i1;
8 FUNC_EPILOGUE;
9 return i0;
10}
11/* export: '_add' */
12u32 (*export__add)(wasm_rt_handle_t*, u32, u32);
13
14static void init_exports(wasm_rt_handle_t* h) {
15 /* export: '_add' */
16 export__add = (&_add);
17}
3.3.2. 加载运行¶
在了解如何加载运行之前先看下如何使用xvm来发起对合约的调用,首先生成Code对象,Code对象管理静态的指令代码以及合约所需要的符号解析器Resolver。 之后就可以通过实例化Context对象来发起一次合约调用,GasLimit等参数就是在这里传入的。Code和Context的关系类似Docker里面的镜像和容器的关系, 一个是静态的,一个是动态的。
1func run(modulePath string, method string, args []string) error {
2 code, err := exec.NewCode(modulePath, emscripten.NewResolver())
3 if err != nil {
4 return err
5 }
6 defer code.Release()
7
8 ctx, err := exec.NewContext(code, exec.DefaultContextConfig())
9 if err != nil {
10 return err
11 }
12 ret, err := ctx.Exec(method, []int64{int64(argc), int64(argv)})
13 fmt.Println(ret)
14 return err
15}
转换后的c代码最终会编译成一个动态链接库来给XVM运行时来使用,在每个生成的动态链接库里面都有如下初始化函数。 这个初始化函数会自动对wasm里面的各个模块进行初始化,包括全局变量、内存、table、外部符号解析等。
1typedef struct {
2 void* user_ctx;
3 wasm_rt_gas_t gas;
4 u32 g0;
5 uint32_t call_stack_depth;
6}wasm_rt_handle_t;
7
8
9void* new_handle(void* user_ctx) {
10 wasm_rt_handle_t* h = (*g_rt_ops.wasm_rt_malloc)(user_ctx, sizeof(wasm_rt_handle_t));
11 (h->user_ctx) = user_ctx;
12 init_globals(h);
13 init_memory(h);
14 init_table(h);
15 return h;
16}
3.4. 语言运行环境¶
3.4.1. c++运行环境¶
c++因为没有runtime,因此运行环境相对比较简单,只需要设置基础的堆栈分布以及一些系统函数还有emscripten的运行时函数即可。
c++合约的内存分布
普通调用如何在xvm解释
3.4.2. go运行环境¶
3.5. XuperBridge对接¶
XVM跟XuperBridge对接主要靠两个函数
call_method,这个函数向Bridge传递需要调用的方法和参数
fetch_response,这个函数向Bridge获取上次调用的结果
1extern "C" uint32_t call_method(const char* method, uint32_t method_len,
2 const char* request, uint32_t request_len);
3extern "C" uint32_t fetch_response(char* response, uint32_t response_len);
4
5static bool syscall_raw(const std::string& method, const std::string& request,
6 std::string* response) {
7 uint32_t response_len;
8 response_len = call_method(method.data(), uint32_t(method.size()),
9 request.data(), uint32_t(request.size()));
10 if (response_len <= 0) {
11 return true;
12 }
13 response->resize(response_len + 1, 0);
14 uint32_t success;
15 success = fetch_response(&(*response)[0u], response_len);
16 return success == 1;
17}
3.6. 资源消耗统计¶
考虑到大部分指令都是顺序执行的,因此不需要在每个指令后面加上gas统计指令, 只需要在control block最开头加上gas统计指令,所谓control block指的是loop, if等会引起跳转的指令。
c++代码
1extern int get(void);
2extern void print(int);
3
4int main() {
5 int i = get();
6 int n = get();
7 if (i < n) {
8 i += 1;
9 print(i);
10 }
11 print(n);
12}
编译后生成的wast代码
1(func (;2;) (type 1) (result i32)
2 (local i32 i32)
3 call 1
4 local.tee 0
5 call 1
6 local.tee 1
7 i32.lt_s
8 if ;; label = @1
9 local.get 0
10 i32.const 1
11 i32.add
12 call 0
13 end
14 local.get 1
15 call 0
16 i32.const 0)
生成的带统计指令的c代码
1static u32 wasm__main(wasm_rt_handle_t* h) {
2 u32 l0 = 0, l1 = 0;
3 FUNC_PROLOGUE;
4 u32 i0, i1;
5 ADD_AND_CHECK_GAS(11);
6 i0 = wasm_env__get(h);
7 l0 = i0;
8 i1 = wasm_env__get(h);
9 l1 = i1;
10 i0 = (u32)((s32)i0 < (s32)i1);
11 if (i0) {
12 ADD_AND_CHECK_GAS(6);
13 i0 = l0;
14 i1 = 1u;
15 i0 += i1;
16 wasm_env__print(h, i0);
17 }
18 ADD_AND_CHECK_GAS(5);
19 i0 = l1;
20 wasm_env__print(h, i0);
21 i0 = 0u;
22 FUNC_EPILOGUE;
23 return i0;
24}