Deep EVM #2：内存模型——栈、内存、存储和Calldata

数据可以存放的四个位置

EVM提供四个不同的数据位置，每个在成本、生命周期和访问模式上有着根本性差异。选择错误的位置是智能合约过度gas消耗的最常见原因。

位置	生命周期	读取成本	写入成本	大小
栈	当前操作码	0（DUP: 3）	0（PUSH: 3）	1024个字
内存	当前调用上下文	MLOAD: 3*	MSTORE: 3*	可扩展
存储	永久（区块链）	SLOAD: 2100/100	SSTORE: 20000/2900/100	2^256个槽
Calldata	当前调用上下文	CALLDATALOAD: 3	只读	交易输入

*内存每次操作消耗3 gas加上二次扩展成本。

栈：快速但小巧

栈是EVM的工作内存。每次算术、比较和逻辑操作都从栈中读写。它最多容纳1024个元素，每个32字节宽。

在实践中，你很少使用超过16个栈槽，因为DUP和SWAP操作码只能达到16个元素深度。

内存：便宜但短暂

内存是一个按字节寻址的数组，起始为空并按需扩展。它仅在当前调用上下文期间持续存在。

空闲内存指针

Solidity保留内存的前128字节用于特殊目的。0x40-0x5f处的空闲内存指针追踪下一个可用的内存地址。

内存扩展成本

内存的gas成本不仅是每次MLOAD/MSTORE的3 gas——当访问超出当前最高水位线的内存时，会收取二次扩展成本：

memory_cost = (memory_size_words^2 / 512) + (3 * memory_size_words)

存储：永久但昂贵

存储是EVM的持久化键值存储。每个合约有其独立的2^256个32字节槽的存储空间。

Solidity中的存储布局

Solidity按顺序将状态变量分配到存储槽，并在可能时将多个小变量打包到同一个槽中。

Calldata：只读且便宜

Calldata是交易或调用发送的输入数据。它是只读的，访问便宜（CALLDATALOAD消耗3 gas）。

瞬态存储（EIP-1153）

EIP-1153（Cancun升级，2024年3月）引入了TSTORE和TLOAD操作码。瞬态存储类似普通存储，但在交易结束时自动清除。每次TLOAD和TSTORE仅消耗100 gas。

总结

EVM的内存模型看似简单——四个有明确取舍的位置。但成本差异巨大：栈ADD消耗3 gas而SSTORE消耗20000 gas。深刻理解这些成本是区分gas高效合约与gas浪费合约的关键。