【虛擬機專欄】一文了解ava智能合約- 鏈上JVM

趣链科技 QTech

特邀专栏作者

2021-08-30 03:53

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眾所周知，Java是一種被廣泛使用的、面向對象的編程語言，具有“一次編寫，處處執行”的跨平台特性。

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眾所周知，Java是一種被廣泛使用的、面向對象的編程語言，具有“一次編寫，處處執行”的跨平台特性。

—— 導讀——

前文，我們介紹了對虛擬機的歷史、特點、發展以及Solidity和EVM進行詳細介紹。 Solidity和EVM的出現為區塊鏈的應用場景打開了新的大門，但是合約開發者使用Solidity進行智能合約的開發，不可避免地存在著新語言的學習成本問題。

那麼，是否有這樣一位老朋友，能讓「合約開發者」和「區塊鏈」快速打成一片呢？

眾所周知，Java是一種被廣泛使用的、面向對象的編程語言，具有“一次編寫，處處執行”的跨平台特性。於是，我們將Java請到了我們的區塊鏈平台，自研了一套可以執行Java智能合約的執行引擎HVM。將Java智能合約引入區塊鏈，主要有以下目的：

*降低智能合約開發的成本，讓合約開發者能專注於合約邏輯本身而不是語法細節。

*為開發者提供熟悉的、適合區塊鏈場景的工具類和方法，避免重複“造輪子”。

正文

從合約開發者的角度來看，Java智能合約的使用流程通常包括以下三個步驟：合約開發、合約部署、合約調用。

▲Java合約開發

相比傳統智能合約，Java智能合約的開發和使用更為簡單方便，主要體現在：

1）項目搭建快：開發者只需要在本地IDE中新建Java項目，引入合約開發依賴包，便可以開發合約。完成編碼後，將代碼打包成合約Jar文件即可用於部署上鍊。

2）工具方法多：開發者可以使用JDK中的類和方法，避免重複”造輪子“的麻煩。

3）學習成本低：Java語言使用廣泛，大部分開發者只需要了解合約開發依賴包的接口，便能熟練使用Java智能合約。

▲Java合約部署

對於Java智能合約的部署，開發者通過一筆交易將合約Jar包上傳到鏈上，區塊鏈會對合約進行初始化，生成一個唯一的合約地址，並通過交易回執將合約地址給開發者。

▲Java合約調用

開發者可以通過指定合約地址，並輸入合約方法名和參數，構造並發送一筆合約調用交易。區塊鏈平台收到交易以後，獲取一個JVM實例，將合約地址對應的合約Jar中的類文件加載JVM中，創建一個合約類的實例並調用指定方法，得到執行結果並通過交易回執返回給開發者。

—— HVM 詳解——

▲JVM接入區塊鏈

要實現一個Java智能合約執行引擎，一定繞不開將JVM接入區塊鏈的問題。目前大部分區塊鏈系統使用Golang開發，而大部分開源的JVM通常是C++編寫。如果想要快速地將JVM接入到區塊鏈系統中，可以通過CGO將Golang和C++打通。但考慮到在區塊鏈系統中對JVM內部優化的需要，HVM選擇了通過Golang實現了JVM。雖然自己實現JVM會引入大量的開發成本，但是極大地方便了後續針對區塊鏈場景進行性能優化和功能拓展工作的開展。

“當區塊鏈中接入JVM後，還需要做些什麼讓JVM成為區塊鏈中的Java合約執行引擎呢？”

▲虛擬機安全適配

前文中提到，我們在區塊鏈的Java合約引擎中支持用戶使用JDK中的類和方法。考慮到區塊鏈上的合約執行引擎需要滿足執行環境的隔離以及執行結果的確定性，我們需要對JDK和JVM進行安全適配。其中包括以下幾點：

1）禁用”不安全”類和方法：在智能合約引擎中，可能引起執行結果不一致的方法是”不安全“的。比如Java中生成的隨機數方法，其執行結果是不確定的，區塊鏈中的Java合約引擎會禁用這些”不安全”的類和方法。

2）隔離合約的執行環境：區塊鏈平台中的Java智能合約需要一個隔離的執行環境，即Java智能合約無法像普通的Java程序使用線程、網絡、訪問系統時間等功能。此外，我們在JDK中實現了一部分與區塊鏈相關的方法，部分方法不允許被Java合約調用。因此，我們在HVM內部實現了方法調用過濾器，攔截不被允許的方法調用。

3）確定邏輯執行順序：同EVM一樣，我們在HVM內部實現了一套Gas機制，對合約執行進行代價計算。指令執行的不同，會引起不同節點計算的Gas值不同。在原始的JDK中，部分方法在兩次調用時，雖然其結果一致，其邏輯執行的代碼路徑不同。以使用單例模式的類為例，首次調用這個類的實例方法時，需要創建這個類的實例；之後調用其方法時，不再需要創建實例。這種邏輯的差異，會導致新啟動的節點與其他節點的執行的Gas值不一致。因此，我們需要對JDK中這類邏輯進行適配，保證邏輯執行順序始終一致。

▲賬本交互機制

將JVM接入區塊鏈，還需要保證合約與賬本數據交互的功能。 EVM中存在賬本交互的指令，但是在JVM規範中不存在用於賬本交互的指令，所以我們需要提供一套賬本數據交互機制，讓Java智能合約能夠操作區塊鏈上的賬本數據。

實現賬本交互機制可以有兩種方案：

1）在JVM中實現一套賬本交互的自定義指令集。同時提供一種Java合約的編譯器或插件，在合約字節碼中生成專用於區塊鏈中賬本交互的自定義指令。

2）在JDK中實現一套讀寫賬本數據的工具類和方法，在合約執行過程中，由合約執行引擎來調用這些方法，負責合約持久化字段的讀寫操作。

HVM在實現的過程中，選擇了第二種方案。在合約執行的過程中，如果使用到合約的持久化字段，合約執行引擎會調用賬本讀取的方法從賬本中獲取其數據。對於賬本寫入操作，執行引擎會先進行緩存，待合約執行結束後，掃描合約中有數據更新的持久化字段，將字段更新的數據統一刷入到賬本中。

相比指令的方法，使用Java方法來實現賬本數據交互的功能雖然會有更多的指令開銷，但是能夠為用戶提供更友好地方式操作持久化字段。以Map為例，我們在Java智能合約中為Map提供了除Get和Put以外的方法，允許用戶使用迭代器等方法方便地操作Map。考慮到讀寫Map的複雜場景，維護一個可靠的迭代器邏輯較為複雜。而以指令的方式操作賬本數據，那麼勢必要實現一套複雜的賬本交互指令集。顯然工具類和方法更適合完成這些複雜的邏輯操作，並更容易支持合約數據結構功能的拓展。

通過這種方案，用戶在編寫Java智能合約時，能夠選用功能強大的數據結構類操作賬本。這些數據結構類，將賬本交互的Java方法進行封裝，使用戶無法感知，並儘可能實現JDK中的接口。如HVMMap、HVMList等數據結構，分別實現了JDK中的Map和List接口，使用起來與JDK提供的其他Map、List幾乎一致。