BSP:柏林硬分叉对 Gas 影响几何？

柏林硬分叉已于 4 月 14 日在主网上线，引入了四份 EIP 。其中的两份 (EIP-2929 和 EIP-2930)对交易的 gas 成本有影响。本文将解释部分 gas 成本在柏林前是如何计算的，加入了 EIP-2929 后会如何变化，以及如何使用 EIP-2930 引入的访问列表。

这篇文章很长，这是它的概要：

柏林硬分叉改变一些操作码的 gas 成本。如果在一个 dapp 或一个智能合约里 gas 费的值是硬编码的，它们可能会中止运行。如果这种情况发生了，且智能合约是不可更新的，消费者将需要用 EIP-2930 的访问列表才能使用那部分的操作码。

访问列表可以用作减少少量的 gas 成本，但实际上它们在一些情况下是会增加总 gas 消耗量的。

geth 增加了一个叫 eth_createAccessList 的新 RPC方法，用以简化访问列表的创建。

EVM 执行的每个操作码都有一笔相关的 gas 成本。它们大多数的成本是固定的：PUSH1 总是消耗 3 个单位的 gas，MUL 消耗 5 个，等等。其他一些是会变化的：比如 SHA3 的操作码成本依赖于它的输入大小。

我们主要讨论操作码 SLOAD 和 SSTORE，因为它们是最受柏林硬分叉影响的。我们以后会讨论针对地址的操作码，比如所有的 EXT* 和 CALL* ，因为它们的 gas 成本也改变了。

柏林前 SLOAD 的 gas 成本

H&M在柏林测试基于区块链的服装租赁服务:10月23日消息，瑞典服装零售巨头H&M正与Lablaco及其循环时尚平台SPIN合作，在其柏林的一家门店尝试基于区块链的服装租赁服务。整个服装租赁过程相关的所有信息都通过Lablaco的SPIN存储在区块链上，顾客还可以用智能手机扫描租借衣服的护理标签，查看租借历史。（malaymail）[2021/10/23 20:51:06]

在没有 EIP-2929 之前，SLOAD 的 gas 消耗很简单：它总是消耗 800 gas。所以（目前）没有什么可说的。

柏林前 SSTORE 的 gas 成本

在 gas 消耗方面，SSTORE 可能是最复杂的操作码了，因为它的成本取决于像存储 slot 的当前值、新值、以及它是否之前被修改过。我们仅对一些情况进行分析以获得一个基本理解；如果你想了解更多，请阅读文末的 EIP 链接。

如果存储 slot 的值从0 变成 1 (或任何非 0 的值)，gas 消耗量是 20000。

如果存储 slot 的值从1 变成2 (或任何其他非 0 的值)，gas 消耗量是 5000。

如果存储 slot 的值从 1 (或任何非 0 的值) 变成 0，gas 消耗量也是 5000，但在交易的最后你会获得 1 笔 gas 费返还。本文不会讨论 gas 费返还，因为它们在柏林硬分叉中不受影响。

如果存储 slot 的值在之前相同的交易中被修改了，往后所有 SSTORE 的 gas 消耗量都是 800。

这部分的细节并不有趣，重要的是 SSTORE 很贵，而它的消耗取决于几个因素。

部分客户端在以太坊柏林硬分叉后出现问题，团队正紧急诊断和修复问题:4月15日消息，据社区以及以太坊客户端OpenEthereum的GitHub显示，该客户端在以太坊“柏林”硬分叉后节点出现共识问题，区块高度12244294后不同步。开发团队和以太坊核心团队已经意识到该问题，正在诊断和修复，在发布修复方案之前，以太坊上无法获取新的区块数据。[2021/4/15 20:24:23]

EIP-2929 对上述所有操作码的 gas 消耗都有影响。但在深入这些变化前，我们需要先谈谈这份 EIP 引入的一个重要概念：访问过的地址 (accessed addresses)与访问过的存储密钥 (accessed storage keys)。

如果一个地址或一个存储密钥在之前的交易中被“使用”过，那么它们就会被视为“访问过的”。例如，当你 CALL（调用）一个其他合约，该合约的地址就会被标为“ accessed (访问过的)”。同样地，当你 SLOAD（加载）或 SSTORE（存储）一些 slot 的时候，交易的其他部分也会被视为访问过的。哪个操作码执行它并不重要：如果一个 SLOAD 读取了一个 slot，接下来的 SLOAD 和SSTORE 都会被视为访问过的。

这里值得注意的是，存储密钥是“内置于“一些地址的。就如这份 EIP 所解释：

在执行交易时，维持一组 accessed_addresses: Set[Address] 和accessed_storage_keys: Set[Tuple[Address, Bytes32]]

以太坊客户端Geth1.10.1正式启用柏林硬分叉升级，主网将于4月14日升级:3月8日消息，以太坊客户端Geth发布1.10.1版本，作为1.10版本的首个小版本更新，仅仅是为了加入了柏林硬分叉升级的内容，所有测试网和主网节点都需要至少更新至该版本才可以进行柏林硬分叉升级。

其中，测试网Ropsten将于3月10日（区块高度9,812,189）开启柏林硬分叉，测试网Goerli将于3月17日（区块高度4,460,644）开启，测试网Rinkeby将于3月24日（区块高度8,290,928）开启，以太坊主网将于4月14日（区块高度12,244,000）开启。[2021/3/8 18:25:32]

也就是说，当我们说一个存储 slot 被访问了，我们实际上说的一对 (address, storageKey) 被访问了。

接下来谈谈新的 gas 消耗。

柏林后的 SLOAD

在柏林硬分叉之前，SLOAD固定消耗 800 gas。现在，它取决于该存储 slot 是否被访问过。如果它没有被访问过，gas 消耗是 2100；如果被访问过了，则是 100。因此，如果该 slot 是在访问过的存储密钥列表里的，SLOAD 的 gas 消耗会少于 2000。

柏林后的 SSTORE

让我们在 EIP-2929 语境下重温前面的 SSTORE 例子：

如果存储 slot 的值从0 变成 1 (或任何非 0 的值)，gas 消耗量是：

如果存储密钥没有被访问过，22100

如果被访问过了，20000

德国公司为柏林房地产项目推出证券代币产品:德国Black Manta资本为柏林价值超过1,200万美元的房地产推出了一项证券代币产品 (STO)。该项目是与德国房地产公司Tigris Immobilien合作完成的，代币持有者将通过证券化参与权分享20%的销售利润。该公司表示，这些代币将使普通投资者“能够参与一个通常为专业投资者保留的有利可图的房地产项目”。（Cointelegraph）[2020/4/15]

如果存储 slot 的值从1 变成2 (或任何其他非 0 的值)，gas 消耗量是：

如果存储密钥没有被访问过，5000

如果被访问过了，2900

如果存储 slot 的值从 1 (或任何非 0 的值) 变成 0，gas 消耗与上一种情况一样，再加上返还。

如果存储 slot 的值在之前相同的交易中被修改了，往后所有 SSTORE 的 gas 消耗量都是100。

如你所见，如果 SSTORE 正在修改的 slot 是之前被访问过的，第一个SSTORE 消耗少于 2100 gas。

下表对上述的值进行了比较：

请注意，在最后一行没有必要谈论 slot 是否已经被访问过，因为如果它之前就被写入，那它就被访问过了。

我们一开始提及的其他 EIP 就是 EIP-2930。这份 EIP 增加了一种新的交易类型，它可以在交易里加入一个访问列表。这意味着你可以在交易执行开始前，事先声明哪些地址和 slot 应被视为访问过的。例如，一个未被访问过的 slot 的一个 SLOAD 需要消耗 2100 gas，但如果该 slot 被加入到交易访问列表里，同一个操作码只需消耗 100 gas。

动态 | 德国电信旗下实验室与柏林州立大学就区块链技术展开合作:6月12日，德国电信宣布，其旗下和T-Labs创新实验室已开始与柏林州立CBOE应用科技大学合作，专注于区块链技术。[2019/6/14]

但如果已经被访问过的地址或存储密钥会消耗更少 gas，这是否意味着我们可以把所有东西都添加到交易访问列表来降低 gas 消耗了？棒！不用给 gas 费了！ 然而，不尽然是这样，因为你每次添加地址和存储密钥的时候还是需要支付 gas 费的。

我们来看一个例子。假如我们正在向合约 A 发送一笔交易，访问列表可能如下：

如果我们发送一笔附有这个访问列表的交易，使用 slot 0x0 的第一个操作码是SLOAD，它消耗的是 100 而不是 2100 gas。这减少了 2000 gas。但每次把存储密钥添加到交易的访问列表中都需要消耗 1900 gas。因此我们只省了100 gas。(如果访问该 slot 的第一个操作码是 SSTORE而不是 SLOAD，我们可以省 2100 gas，也就是说如果我们考虑的是存储密钥的消耗的话，我们总共节省 200 gas。 )

这是否代表只要我们使用交易访问列表就能节省 gas？不是的，因为我们还需要支付添加地址到访问列表 (即我们的例子中的 "<address of A>" ) 的 gas。

到目前为止，我们只讨论了操作码 SLOAD 和 SSTORE，但柏林升级后不是只有这些操作码有变化。例如，操作码 CALL 之前的固定消耗量是 700。但 EIP-2929 后，如果地址不在访问列表里，它的消耗量变成了 2600，如果在，则是 100。还有，像访问过的存储密钥，无论之前访问的是什么操作码 (例如，如果EXTCODESIZE 是第一次被调用，那么该操作码将消耗 2600 gas，而往后任何使用同一个地址的 EXTCODESIZE、 CALL 还是STATICCALL都只消耗 100 gas)。

这是如何影响有访问列表的交易的呢？例如，假如我们给合约 A 发送一笔交易，而该合约调用另一个合约 B，那么我们可以加入这样一个列表：

我们将需要支付 2400 gas 以把这个访问列表加入到交易里，但之后使用 B 地址的第一个操作码只消耗 100 gas，而不是2600。因此，我们通过这样做节省了 100 gas。如果 B 以某种方式使用它的存储，且我们知道使用的是哪个密钥，那么我们也可以把它们加入到访问列表里，这样可以为每个密钥节省 100~200 gas (取决于你的第一个操作码是 SLOAD 还是 SSTORE )。

但是为什么我们要谈论另一个合约？我们正在调用的合约呢？为什么不对这个合约进行这些操作？

我们可以这样做，但这样不划算，因为 EIP-2929 明确规定正在被调用的合约 (即tx.to) 地址会默认加入到 accessed_addresses 列表里。因此我们无须支付多余的 2400 gas。

让我们再对之前的例子进行分析：

除非我们要加入多几个存储密钥，否则这其实很浪费。如果我们预设 SLOAD 总是首先使用存储密钥，那么我们起码需要24 个存储密钥能保本。

你可以想象一下，做分析与手动创建一个访问列表并不那么有趣。幸运的是，其实有更好的方法。

Geth (从 1.10.2 版本开始 ) 加入了一个新的 eth_createAccessList RPC 方法，你可以用它来生成访问列表。它的使用与 eth_estimateGas 相似，但它返回的不是 gas 估值，而是像下面这样的结果：

也就是它给你该交易会用到的地址与存储密钥的列表，加上访问列表被加入情况下所消耗的 gas。（像 eth_estimateGas，这是一个估值，当交易实际上被挖的时候，这个列表可能会改变。）但，这并不代表 gas 消耗量会低于在没有访问列表情况下发送同一笔交易所消耗的！

我想我们会随着时间推移发现使用它的正确方法，但我猜的伪代码如下：

值得一提的是，访问列表的主要目的不在于使用 gas。如 EIP 所解释：

减轻由 EIP-2929 引入的合约断裂风险，因为交易可以提前指定交易计划访问的账户和存储 slot 并提前支付；最终在实际执行中，操作码 SLOAD 和 EXT*只消耗 100 gas：这个低 gas 消耗不仅可以防止由该 EIP 引起的断裂，还可以“松开”任何因 EIP-1884 而受限的合约。

这意味着如果一个合约对执行某事务的成本做了假设，gas 成本的增加就可能使它停止运作。例如，一个合约调用另一个合约，像这样someOtherContract.someFunction{gas: 34500}()，因为它假设someFunction 会准确消耗 34500 gas，这样它会出问题。但如果你添加了一个合理的访问列表，那么合约会再次运作。

如果你像自己去测试，复制这个代码库，里面由多个可以用 Hardhat 和 geth 执行的实例。在 README 查看说明。

参考文献

EIP-2929 和 EIP-2930 是与本文相关的两个柏林硬分叉 EIP。

EIP-2930 依赖于柏林硬分叉的另一部分： EIP-2718，它又叫类型交易。

EIP-2929 参考了很多 EIP-2200，因此如果你想深入了解 gas 成本，你可以从那里开始。

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