柏林硬分叉如何影响以太坊交易的 Gas 费开销？

原文标题：《干货 | 搞懂 “柏林” 之后的合约 Gas 开销》

撰文：Franco Victorio

翻译 & 校对：阿剑

“柏林” 硬分叉将在 4 月 15 日激活，该硬分叉所包含 EIP 中的两个（EIP-2929 和 EIP-2930）都会影响事务的 Gas 开销。本文会解释 “柏林” 激活之前，一些操作码的 Gas 消耗量是如何计算的，而 EIP-2929 对此有何影响，以及，2930 引入的访问清单（Access List）功能应如何使用。

摘要

这篇文章很长，你要是只想知道结论，看完这部分就可以把网页关掉了：

• 柏林硬分叉改变了某些操作码的 Gas 开销。如果你在自己的应用中硬编码了一些操作可使用的 Gas 数量，这些操作可能会卡死。如果真的出现了这种情况，而你的智能合约又是没法升级的，用户就需要使用 “访问清单” 功能来使用你的应用。
• 访问清单功能可略微减少 Gas 开销，但有些时候也可能会提高总的 Gas 消耗量。
• geth 客户端引入了一种新的 RPC 方法，叫做 eth_createAccessList 来简化访问清单的生成。

“柏林” 升级以前的 Gas 开销

EVM 所执行的每一个操作码都有一个对应的 Gas 消耗量。大部分操作码的消耗量都是固定的：PUSH1 总是消耗 3 gas，而 MUL 消耗 5 gas，等等。有一些操作码的消耗量是可变的：举个例子，SHA3 操作码的开销由输入值的长度决定。

我们先了解 SLOAD 和 SSTORE 操作码，因为这两个操作码受 “柏林” 影响最大。后面我们会再谈谈那些以地址为目标的操作，比如所有的 EXT* 类操作码和 CALL* 类操作码，因为它们的 Gas 开销也被改变了。

“柏林” 以前的 SLOAD

在 EIP-2929 实施前，SLOAD 开销的计算方式很简单：总是消耗 800 gas。所以，也没啥可展开的。

“柏林” 以前的 SSTORE

要讲到 Gas 消耗量的计算，SSTORE 操作码可能是最复杂的了。因为消耗多少取决于该存储项槽当前的值、要写入的新值、该存储项是否已经修改过。我们只会分析少数几种场景，了解个大概。如果你想了解更多，请阅读本文末尾所附的 EIP 链接。

• 如果存储项的值从 0 改为 1（或者任意非零的值），Gas 消耗量是 20000
• 如果存储项的值从 1 改为 2（或者任意非零的值），Gas 消耗量是 5000
• 如果存储项的值从 1（或任意非零的值） 改为 0，消耗量也是 5000，但你会在事务执行结束后获得 gas 补贴。我们这里也不讨论 gas 返还机制，因为它不会受到柏林的影响
• 在一笔事务中，如果存储项已不是第一次修改，则后续每一次 SSTORE 都消耗 800 gas

细节在这里并不重要，重要的是，SSTORE 是昂贵的，具体消耗多少 gas 则依赖于多个因素。

EIP-2929 之后的 Gas 消耗量

EIP-2929 改变了所有这些数值。但在展开之前，我们要先谈谈该 EIP 引入的一个重要概念： 被访问过的地址 和 被访问过的存储项的键（storage key） 。

当一个地址或者一个存储项的键，在一笔事务中被 “使用过” 之后，在该笔交易余下的执行过程中，这个地址（或者这个键）都会被当成 “已被访问过的”。举个例子，如果你在一笔事务中 CALL （调用）另一个合约，那么该合约的地址就会被标记为 “访问过的”。类似地，如果你 SLOAD 或者 SSTORE 过一些存储项槽 ，在该笔事务余下的执行过程里，这些槽也会被当成已经访问过的。到底用的哪个操作码是没有关系的，即使你只 SLOAD 过某个槽，接下来使用 SSTORE 时该槽也会被当成已访问过的。

注意：存储项的键是 “内在于” 某些地址中的，一如该 EIP 所解释的：

执行事务时，保持一个集合：accessed_addresses: Set[Address] 以及 accessed_storage_keys: Set[Tuple[Address, Bytes32]]

也就是说，当我们说某个存储槽已被访问过了，我们的实际意思是：(address, storageKey) 已被访问过了。

搞清楚了这个概念，我们来谈谈新的 Gas 消耗量计算模式。

“柏林” 以后的 SLOAD

升级前，SLOAD 的 Gas 消耗量是固定的 800。但升级后，Gas 消耗量要看这个存储槽是否已经被访问过。还没访问过的，消耗量就是 2100 gas；访问过的，就是 100 gas。所以，如果某个存储项槽已经在 “已访问过的存储项键` 的集合里了，就可以省掉 2000 gas。

“柏林” 以后的 SSTORE

我们逐个逐个对比下，在 EIP-2929 实施后，上面的几个例子会发生什么样的变化：

• 如果存储项的值从 0 改为 1（或者任意非零的值），Gas 消耗量是 20000
• 如果该存储项键还未访问过，消耗 22100 gas
• 若已访问过，消耗 20000 gas
• 如果存储项的值从 1 改为 2（或者任意非零的值），Gas 消耗量是 5000
• 如果该存储项键还未访问过，消耗 5000 gas
• 若已访问过，消耗 2900 gas
• 如果存储项的值从 1（或任意非零的值） 改为 0，消耗量保持不变，gas 返还机制也不变
• 在一笔事务中，如果存储项已不是第一次修改，则后续每一次 SSTORE 都消耗 100 gas

由此可见，如果某个槽此前已访问过，则对它的第一次 SSTORE 操作会节约 2100 gas（相比于从未访问过）。

汇总一下

上面的文字实在啰嗦，我们就直接做一张表，把上面提到的值都汇总一下：

注意看最后一行：此时已不再需要区分它到底有没有被访问过，因为，如果此前已写入，则必定已被访问过。

EIP-2930：可选 “访问清单” 的事务类型

另一个 “柏林” 升级包含的 EIP 是 2930。该 EIP 加入了一种新的类型的事务，可以在事务的负载中包含一个 “访问清单”，意思是，你可以在事务执行前就声明哪些地址和存储槽应被认为是 “访问过的”。举个例子，对一个未访问过的槽执行 SLOAD 需要耗费 2100 gas，但如果该存储槽被包含在了事务的 “访问清单” 中，则操作的消耗量机会降为 100 gas。

但如果只要地址和槽被当成 “已访问过的” 就可以降低操作的 Gas 消耗量；而访问清单可以把地址和槽标记为 “已访问过的”；那岂不是说我们可以把这些东西都放在访问清单中，来获得 Gas 消耗量的减免？真棒，天赐 Gas！

额，并不完全如此，因为你每添加一个地址或存储项键，都要支付额外的 Gas。

举个例子。假如我们要向合约 A 发送了一条事务。我们编写了一条这样的访问清单：

这是不是说，每次使用访问清单我们都能节省 gas 呢？很遗憾，也不是，因为在访问清单中填入地址也需要支付 gas。（也就是我们示例中的 “<address of A>”）

访问过的地址

迄今为止，我们只讨论了 SLOAD 和 SSTORE 操作码，但 “柏林” 升级还改变了别的操作码。举个例子，CALL 操作码原来的 Gas 消耗量为固定的 700，但 2929 实施后，如果所调用的地址不在访问清单中，消耗量将提高到 2600；如果在，则降低为 100。而且，就像访问过的存储键一样，到底哪个操作码访问过那个地址并不重要（比如，如果用户最先调用的是 EXTCODESIZE，这一个操作的消耗量是 2600，但后续的调用， 只要是对同一个地址的 ，无论是 EXTCODESIZE、CALL 还是 STATICCALL ，都只消耗 100 gas。

那个这个设计对带有访问清单的事务有何影响？假设我们向合约 A 发送一条交易，而合约 A 调用了合约 B，而我们在访问清单中写入这样的内容：

我们首先需要为在这条事务的访问清单中加入这个地址支付 2400 gas，但对 B 使用的第一个操作码就只需要消耗 100 gas 而不是 2600 gas，这就剩下了 100 gas。如果 B 也需要使用其存储项，我们又知道它将使用哪个键，我们也可以把这些键包含在访问列表中，然后为每个键的操作省下 100 或 200 gas（取决于第一个操作码是 SLOAD 还是 SSTORE）。

但为啥我们要加多一个合约来举例子？我们不是可以这样写吗？

你当然可以这样做，但不值得，因为 EIP-2929 指明了你一开始调用的合约（也即是 tx.to 的目的地）必定会被包含在 accessed_addresses 列表中，所以你就是额外花了 2400 gas，什么好处都没得到。

所以，回头看我们上面举的例子：

这样做其实是浪费，除非你在里面加多几个存储项键。如果我们假设所有的存储项键的第一个操作都是 SLOAD，那你要至少 24 个键，才能赚回来。

而且，如你所见，自己一五一十地分析这些因素、手动生成访问清单，显然是极其繁琐而令人崩溃的事。好在，还有更好的办法。

eth_createAccessList RPC 方法

Geth 客户端（从 1.10.2）开始将包含一个新的 eth_createAccessList RPC 方法，你可以用它来生成访问清单，就像使用 eth_estimateGas 一样，只不过返回的不是 Gas 消耗量估计，而是形如这样的数据：

我估计随着时间推移，我们会越来越知道怎么利用这个功能，但我个人估计，方法的伪代码形式会像这样

防止合约变砖

值得提醒，访问清单功能的主要目的不是节省 Gas。如该 EIP 自身所述：

缓解由 EIP-2929 带来的合约变砖风险，因为事务可以预先指定、预先支付自身尝试范文的账户和存储槽，因此，在实际的执行中，SLOAD 和 EXT* 操作码都只会消耗 100 gas：这个值低到既足以防止 2929 打破某些合约，也可以 “解封” 被 EIP-1884 封印的合约。

原本，只要一个合约预设了执行的 Gas 开销，操作码的 Gas 消耗量变动就有可能导致它变砖。比如，如果一个合约预设另一个合约的 someFunction 只会用到 34500 gas，因此总是用 someOtherContract.someFunction{gas: 34500}() 调用那个合约，这个合约就有可能变砖。但只要你在事务中添加合适的访问清单，这个合约就还能工作。

自己验证

如果你想自己测试一下，克隆这个仓库，这里面有很多例子，可以使用 Hardhat 和 Geth 客户端来运行。请仔细阅读 README。