以太坊Gas省钱秘籍：智能合约优化速成指南！

以太坊合约如何优化

Gas 优化的重要性

以太坊区块链上的智能合约的执行需要消耗 Gas，Gas 是以太坊虚拟机 (EVM) 执行操作的燃料。Gas 计量并限制了智能合约在以太坊网络上执行操作所需的计算资源，其单位为 Gwei，是 Ether 的极小面额。优化合约 Gas 消耗不仅能显著降低用户的交易成本，也能极大地提升合约的可扩展性和整体性能。交易成本的降低直接关系到用户的使用意愿和参与度。

高效的 Gas 使用意味着在相同的 Gas 限制下，合约可以处理更多的交易，从而提高区块链的吞吐量。 这意味着更少的交易拥堵，更快的确认速度，以及更高效的网络资源利用率。通过优化Gas消耗，可以减少每个操作所需的计算资源，进而允许在单个区块中处理更多的交易。 Gas 优化还有助于降低智能合约遭受拒绝服务 (DoS) 攻击的风险，因为攻击者通常依赖于大量 Gas 消耗的操作来阻塞网络。

编写更高效的智能合约代码

优化智能合约的第一步是编写在 Gas 消耗上更高效的代码。 这涉及多个方面，包括谨慎选择数据类型、精简循环和条件判断、以及优先采用 Gas 友好的操作方式。 在以太坊等区块链平台上，每一个操作都需要消耗 Gas，因此优化代码可以显著降低交易成本，提高合约的整体性能。

• 数据类型优化: 在 Solidity 中，数据类型的大小直接影响 Gas 消耗。 务必选择能够容纳目标数值范围的最小数据类型。 例如，如果一个变量的取值范围始终在 0 到 255 之间，那么使用 uint8 比使用 uint256 可以节省大量的存储空间和 Gas 费用。 相似地，如果只需要存储布尔值，可以使用 bool 类型。合理的数据类型选择是 Gas 优化的基础。
• 循环与条件判断优化: 循环和条件判断语句会增加代码的复杂性，从而导致更高的 Gas 消耗。 在可能的情况下，尽量避免在智能合约中使用大量的循环和条件判断。 可以考虑使用数学运算、预计算、查找表（mapping）或其他算法技巧来替代这些结构。 例如，可以使用数学公式直接计算结果，而不是通过循环迭代。 预先计算好结果并存储在 mapping 中，可以避免重复计算，从而节省 Gas。
• Gas 友好的操作选择: 在 EVM（以太坊虚拟机）中，不同的操作具有不同的 Gas 成本。 了解各种操作的 Gas 成本对于编写高效的智能合约至关重要。 例如，从存储 ( sload ) 中读取数据比从内存 ( memory ) 中读取数据更昂贵。 类似的，写入存储 ( sstore ) 的成本通常高于读取。 因此，在编写代码时，应该优先考虑使用更经济的操作。 例如，如果一个变量只需要在函数内部使用，可以将其存储在内存中，而不是存储在链上。 使用 calldata 来传递函数参数也可以减少 Gas 消耗，因为 calldata 是只读的，不需要写入存储。

优化存储使用

在以太坊区块链中，永久性存储（即合约的存储）是最昂贵的资源之一。 Gas 费用的主要构成部分与存储操作密切相关。 因此，优化智能合约的存储使用对于降低 Gas 消耗和提高合约的整体效率至关重要。

• 最大限度地避免写入存储: 写入存储是 Gas 消耗的主要来源。 因此，尽可能避免不必要的存储写入操作。 考虑在函数内部使用 memory 变量或 calldata 参数来代替存储变量。 memory 变量仅在函数执行期间存在，而 calldata 用于接收外部调用数据，两者都比存储更经济。
• 优先使用 mapping 而非数组: 在大多数情况下， mapping 数据结构通常比数组更能节省 Gas，尤其是在需要随机访问元素时。 这是因为 mapping 使用哈希表来实现，可以在常数时间内查找元素，而数组则需要线性搜索。 但需要注意的是，mapping无法迭代，所以需要根据具体需求选择数据结构。
• 变量打包：紧凑地利用存储槽: 以太坊的存储是以 32 字节（256 位）的存储槽为单位分配的。 如果变量的大小小于 32 字节，则可以将其与其他小变量打包到同一个存储槽中，从而减少存储槽的使用量。 例如，可以将多个 uint8 变量（每个变量 1 字节）打包到一个 uint256 变量中。 使用自定义结构体 (struct) 可以方便地实现变量打包，进而降低 Gas 消耗。 必须注意变量的声明顺序，避免不必要的填充(padding)影响Gas优化效果。
• 使用 immutable 和 constant 变量优化： 将在合约生命周期内不会改变的变量声明为 immutable 或 constant 。 immutable 变量在合约部署时初始化，其值在部署后不可更改。 constant 变量在编译时确定，并且其值在运行时不会存储在区块链上。 这两种变量都比普通的存储变量更便宜，因为它们不需要在每次使用时都从存储中读取数据。 constant 变量在编译时会被直接替换，而 immutable 变量则在合约部署时写入一次，后续直接从合约代码中读取。
• 释放存储：删除不再需要的存储变量: 使用 delete 关键字清除不再需要的存储变量，可以将该存储槽的值重置为零，从而释放 Gas 并降低存储成本。 释放存储可以获得 Gas 退款，但这只有在特定条件下才有效。 理解以太坊的 Gas 退款机制对于有效地利用 delete 关键字至关重要。 需要注意的是，只有将存储从非零值修改为零值，才能获得Gas退款。

外部函数调用优化

与合约内部函数调用相比，外部函数调用由于需要跨合约执行，涉及更多的Gas成本，因此效率较低。

• 减少外部函数调用: 频繁的外部函数调用会显著增加交易成本。优化策略包括将多个相关操作整合到一个单一的外部函数调用中，通过传递数组或结构体等复杂数据类型来批量处理数据，从而减少交易次数。可以考虑将部分计算逻辑迁移到合约内部执行，避免不必要的跨合约交互。
• 使用 call 、 delegatecall 和 staticcall : 理解并恰当运用这三种外部调用方式对于优化Gas消耗至关重要。
  • call : 这是最常用的外部调用方式，它会创建一个新的消息调用，携带指定的Gas、目标地址以及数据。 call 会传递所有剩余Gas给被调用的合约，并允许被调用合约修改状态。
  • delegatecall : delegatecall 与 call 类似，但它在**调用合约的上下文中**执行被调用合约的代码。这意味着被调用合约可以修改调用合约的状态，并且使用调用合约的存储和余额。这对于实现类似库合约的功能非常有用，但需要谨慎使用，因为恶意库合约可能危及调用合约的安全。
  • staticcall : staticcall 是一个只读调用，它保证被调用合约不会修改任何状态变量。因此， staticcall 的Gas消耗最低，适用于查询合约状态或执行纯计算等不需要修改状态的操作。如果在 staticcall 中尝试修改状态，交易将会回滚。
  选择正确的调用方式，例如在只需要读取数据时使用 staticcall ，可以有效降低Gas费用。

合约设计优化

合约的设计是影响 Gas 消耗的关键因素。一个精心设计的智能合约不仅可以提高效率，还能显著降低交易成本。Gas 是以太坊虚拟机 (EVM) 执行合约代码所消耗的计算资源单位，因此优化合约设计对于降低 Gas 费用至关重要。

• 避免复杂的逻辑: 复杂的逻辑会导致 EVM 需要执行更多的操作码，从而消耗更多的 Gas。尽量保持合约逻辑简洁明了，减少不必要的计算和循环。例如，尽量避免深度嵌套的循环和复杂的条件判断。考虑使用查找表或者预计算来避免运行时计算。
• 模块化设计: 将合约分解成更小的、可重用的模块，并通过函数调用连接起来。这种模块化设计不仅能提高代码的可读性和可维护性，还能减少 Gas 消耗。通过将通用功能提取到独立的库合约中，可以在多个合约中重复使用，避免代码冗余。这样做可以显著减少部署成本，因为库合约只需部署一次，多个合约可以共享使用。模块化还有助于代码审查和测试，从而提高合约的安全性。
• 事件的使用: 使用事件 (Events) 来记录合约的状态变化，是一种高效且经济的方式，可以让外部客户端监听并采取相应的行动，而无需在链上查询存储。事件是 EVM 提供的一种日志机制，它允许合约发出通知，外部应用可以通过监听这些事件来了解合约的状态变化。与直接读取合约存储相比，事件的 Gas 成本更低。事件尤其适用于记录交易历史、用户行为或其他需要链下分析的数据。例如，可以触发事件来通知用户交易成功、代币转移或合约状态变更。

使用库 (Libraries)

库是一种特殊的合约，主要用于在多个智能合约之间共享代码逻辑。与常规合约不同，库的设计初衷并非独立部署和执行，而是作为代码复用单元，为其他合约提供服务。通过有效地利用库，可以显著减少代码冗余，同时降低Gas成本，提升链上效率。

• 部署一次，多次使用: 将常用的、具有普适性的函数封装到库中，这些函数可以包括数学计算、数据校验、字符串处理等。合约可以通过 delegatecall 调用库中的函数。 delegatecall 机制的关键在于，被调用库的代码将在调用合约的上下文中执行，这意味着库函数可以访问和修改调用合约的状态变量，就像它是合约自身的一部分一样。这避免了在每个合约中重复部署相同的功能代码，大幅度节省了存储和部署Gas费用。
• Gas 优化: 库通常在Gas效率方面表现更佳，原因在于它们的代码只需部署一次，所有使用该库的合约共享同一份代码。相较于将相同代码嵌入到多个合约中，使用库能够避免多次部署造成的Gas浪费。由于库的设计更为精简，Solidity编译器有机会进行更有效的优化，进一步降低Gas消耗。但是需要注意的是， delegatecall 本身也会消耗一定的Gas，需要在设计时权衡使用库带来的Gas节省和 delegatecall 的开销。

优化器 (Optimizer) 的使用

Solidity 编译器内置一个优化器组件，其主要目标是改进智能合约代码的执行效率，具体表现为减少部署成本和运行时 Gas 消耗。通过对字节码进行分析和转换，优化器试图在不改变合约逻辑的前提下，精简操作指令，从而降低交易成本。

• 启用优化器: 在编译 Solidity 合约时，启用优化器是至关重要的一步。 启用方式通常通过命令行参数或配置文件进行。 Solidity 编译器的 --optimize 标志是启用优化器的常用方法。 runs 参数允许开发者根据合约的预期使用频率调整优化强度。 runs 代表合约的生命周期内预计会被执行的次数。 如果合约预计会被部署后长期、频繁地调用，例如 ERC-20 代币合约，那么将 runs 设置为一个较大的值（如 200 或更高）会更有效。 较大的 runs 值会促使优化器花费更多的时间进行优化，以期在多次执行中节省更多的 Gas。 相反，如果合约只会被部署和执行少数几次，例如一次性使用的合约，则可以将 runs 设置为较低的值（如 1）。 在 Remix IDE 中， runs 参数可以在编译器设置中找到。
• 理解优化器的工作原理: 深入理解 Solidity 优化器的工作原理，能有效提升代码编写水平，使其更易于优化器处理。 优化器主要通过以下几种技术来减少 Gas 消耗：
  • 常量折叠 (Constant Folding): 在编译时计算常量表达式的值，避免在运行时重复计算。
  • 死代码消除 (Dead Code Elimination): 移除永远不会被执行的代码段，减少不必要的字节码。
  • 公共子表达式消除 (Common Subexpression Elimination): 识别并消除重复的子表达式，用单个计算结果代替多次计算。
  • 跳转优化 (Jump Optimization): 优化跳转指令，减少跳转次数，提高执行效率。
  • 存储访问优化 (Storage Access Optimization): 减少对存储变量的访问次数，因为存储访问是 Gas 消耗的主要来源之一。
  • 内联 (Inlining): 将短小的函数代码直接插入到调用处，避免函数调用的开销。
  编写易于优化的代码的最佳实践包括：
  • 避免复杂的控制流，尽量使用简单的逻辑结构。
  • 尽量使用局部变量，减少对存储变量的直接访问。
  • 将常用的计算结果缓存起来，避免重复计算。
  • 使用合适的变量类型，避免溢出和类型转换。

合约升级的 Gas 优化

合约升级是区块链项目演进中不可避免的环节，通常涉及部署新的合约代码并将其状态数据从旧合约迁移到新合约。 然而，合约部署和数据迁移操作往往会消耗大量的 Gas，尤其是在数据规模庞大时。 因此，在设计合约升级方案时，必须充分考虑 Gas 优化策略，以降低升级成本并确保顺利过渡。

• 使用代理模式实现合约无缝升级: 代理模式是一种常见的合约升级方案，它将合约的逻辑功能与存储分离。 该模式通常由一个代理合约和一个或多个逻辑合约组成。 代理合约负责接收外部调用，并将调用转发给当前指向的逻辑合约来执行。 当需要升级合约时，开发者无需重新部署整个合约，只需更新代理合约中逻辑合约的地址即可。 通过这种方式，可以最大限度地减少升级过程中的 Gas 消耗，并实现合约的无缝升级。 常见的代理模式实现包括 Transparent Proxy Pattern， UUPS (Universal Upgradeable Proxy Standard) 等，选择哪种模式取决于项目的具体需求和安全考量。 除了升级之外，代理模式还提供了额外的灵活性，例如可以在不改变合约地址的情况下更改合约逻辑。
• 数据迁移优化策略: 数据迁移是合约升级过程中 Gas 消耗的主要来源之一。 为了降低数据迁移的 Gas 成本，可以采用多种优化策略。 批量迁移： 将多个数据项打包成一个交易进行迁移，可以显著减少交易数量和 Gas 消耗。 延迟迁移（Lazy Migration）： 只在需要时才迁移数据，而不是一次性迁移所有数据。 这种方式可以避免不必要的数据迁移，并降低升级过程中的 Gas 峰值。 可以设计一个数据访问机制，当访问尚未迁移的数据时，触发迁移过程。 增量迁移： 只迁移发生变化的数据，而不是迁移所有数据。 这需要对数据进行跟踪和标记，以确定哪些数据需要迁移。 数据压缩： 在迁移之前对数据进行压缩，可以减少数据的大小，从而降低 Gas 消耗。 使用事件（Events）： 对于一些非关键数据，可以通过 emit 事件的方式来记录其变化，而不是直接写入存储。 在新的合约中，可以根据事件重建数据。 这种方式可以极大地降低 Gas 消耗，但需要权衡数据的可用性和一致性。 选择合适的数据迁移策略需要根据合约的数据结构、数据量、访问模式以及 Gas 成本等因素进行综合考虑。

安全注意事项

在优化 Gas 消耗的过程中，务必将安全性置于首位。过度追求 Gas 优化而不充分考虑安全风险，可能导致合约遭受攻击，造成不可挽回的损失。因此，在代码设计和实现阶段，必须对潜在的安全漏洞进行全面评估和防范。

• 避免重入攻击: 重入攻击是智能合约中最常见的安全威胁之一。它利用合约在外部函数调用完成前状态更新不一致的漏洞，允许攻击者递归调用合约函数，窃取资金或其他资源。为了有效防御重入攻击，可以采用以下策略：
  • 再入锁 (Reentrancy Guard): 使用互斥锁 (mutex) 阻止合约在执行过程中被重复调用。OpenZeppelin 提供了一个名为 ReentrancyGuard 的合约，可以轻松地集成到你的合约中。
  • 检查-生效-交互模式 (Checks-Effects-Interactions Pattern): 确保在调用任何外部函数 *之前*，合约的状态已经更新完毕。这可以防止攻击者在状态更新完成前利用漏洞。
  • 限制外部调用: 尽可能减少合约与外部合约的交互，或者使用更安全的调用方式，例如 call 函数的 gas 限制。
• 防止溢出和下溢: Solidity 早期版本存在整数溢出和下溢的风险。当一个整数变量的值超过其最大值或低于其最小值时，会导致数值回绕，从而可能破坏合约的逻辑。
  • SafeMath 库: 使用 SafeMath 库可以有效地防止整数溢出和下溢。SafeMath 库中的函数会在加法、减法、乘法和除法运算前检查是否会发生溢出或下溢，并在发生时抛出异常，阻止恶意操作。从Solidity 0.8.0开始，默认会进行溢出/下溢检查，SafeMath库的使用必要性降低，但仍建议在低版本中使用。
  • Solidity 0.8.0 及更高版本: Solidity 0.8.0 引入了内置的溢出和下溢检查。如果发生溢出或下溢，交易将自动回滚。但是，仍然需要仔细审查代码，以确保逻辑的正确性。
• 代码审计: 代码审计是确保智能合约安全性的关键步骤。在将合约部署到主网之前，应该进行彻底的代码审计，由专业的安全审计人员或团队进行审查。
  • 内部审计: 开发团队首先应该进行内部审计，审查代码的逻辑、潜在的安全漏洞和代码质量。
  • 外部审计: 聘请独立的第三方安全审计公司进行审计。他们会使用各种工具和技术来识别潜在的安全问题，并提供改进建议。
  • 形式化验证: 对于关键的合约，可以考虑使用形式化验证工具来验证合约的正确性。形式化验证是一种数学方法，可以证明合约是否满足特定的安全属性。
  • Bug Bounty 计划: 在合约部署后，可以设置 Bug Bounty 计划，鼓励安全研究人员寻找和报告合约中的漏洞。

具体优化示例

以下是一些具体的 Gas 优化示例，旨在降低智能合约执行的成本，提高效率：

• 使用 ++i 而不是 i++ : 在循环结构中，前置递增运算符 ++i 通常比后置递增运算符 i++ 消耗更少的 Gas。 这是因为 i++ 需要创建一个临时变量来存储 i 的原始值，以便在递增后返回原始值。 ++i 则直接递增变量并返回递增后的值，避免了临时变量的创建和存储开销，从而节省 Gas。
• 使用 x += y 而不是 x = x + y : 复合赋值运算符 x += y 通常比标准赋值运算符 x = x + y 在 Gas 消耗上更具优势。 编译器通常可以更有效地处理复合赋值运算，减少操作码的数量，从而降低 Gas 成本。虽然差异可能很小，但在频繁执行的操作中，这种优化可以累积成可观的 Gas 节省。
• 避免在循环中直接访问存储 (Storage): 存储 (Storage) 是智能合约中 Gas 消耗最高的区域。如果在循环中需要频繁访问存储变量，应尽可能将该存储变量的值复制到 memory 变量中。 memory 变量的读写成本远低于 storage 。 在循环中对 memory 变量进行操作，然后在循环结束后将 memory 变量的值写回 storage ，可以显著降低 Gas 消耗。
• 使用位运算代替乘除法: 位运算 (Bitwise Operations) 在 Gas 消耗方面通常优于乘法和除法运算。 例如，可以使用左移运算符 x << 1 代替 x * 2 ，使用右移运算符 x >> 1 代替 x / 2 。 位运算直接操作数据的二进制表示，避免了复杂的算术运算，从而节省 Gas。需要注意的是，位运算只适用于乘以或除以 2 的幂的情况。

工具和资源

优化智能合约的 Gas 消耗对于降低交易成本和提高效率至关重要。幸运的是，开发者可以利用丰富的工具和资源来辅助Gas优化过程。

• Remix IDE: Remix 是一个功能强大的在线 Solidity 集成开发环境 (IDE)。它允许你直接在浏览器中编写、编译、部署和调试智能合约。其内置的 Gas 估计器可以提供合约执行 Gas 消耗的实时反馈，帮助你识别潜在的 Gas 瓶颈。通过实验不同的代码结构和算法，你可以立即看到对 Gas 消耗的影响。
• Truffle Suite: Truffle 是一个全面的智能合约开发框架，为开发者提供了一整套工具，用于构建、测试和部署智能合约。除了合约管理和自动化测试，Truffle 还提供 Gas 报告功能。在测试运行期间，Truffle 可以生成详细的 Gas 报告，展示每个函数和操作的 Gas 消耗量。这使得你可以深入了解合约的 Gas 使用情况，并确定优化的关键领域。
• Slither: Slither 是一个领先的静态分析工具，专门用于检测智能合约中的各种问题，包括漏洞和 Gas 优化机会。Slither 会自动分析你的 Solidity 代码，并识别潜在的 Gas 浪费模式，例如低效的循环、冗余的计算和未优化的数据存储。通过利用 Slither 的分析结果，你可以避免常见的 Gas 陷阱，并编写更优化的代码。
• Etherscan 区块链浏览器: Etherscan 是一个流行的以太坊区块链浏览器，提供有关以太坊网络上交易、区块和合约的详细信息。对于 Gas 优化，Etherscan 提供了一个有价值的功能，即能够查看特定交易的 Gas 消耗。通过检查已部署合约的交易详情，你可以了解合约在实际使用中的 Gas 成本，并识别潜在的优化机会。
• Solidity 官方文档: Solidity 官方文档是关于 Solidity 编程语言的权威资源。它包含了关于 Gas 优化的详细信息，包括语言特性、最佳实践和常见陷阱。通过仔细阅读 Solidity 文档，你可以深入了解 Gas 的工作原理，并学习如何编写更高效的代码。文档还包括有关特定 Solidity 功能的 Gas 成本信息，例如不同的数据类型和操作。

通过透彻理解 Gas 的工作原理，积极遵循最佳实践，并熟练运用合适的工具和资源，开发者可以有效地编写出更高效、更经济的智能合约，从而降低用户的交易成本，并提升区块链应用的可扩展性。