EVM 不是一台物理计算机，而是为去中心化共识设计的一套确定性指令集。它没有随机数生成器，没有文件系统，没有网络调用，也没有系统时钟——它的状态转换输出对同一输入（交易+上下文+状态）是 100% 确定性的。本节走进 EVM 的五个核心组件：程序计数器、内存、堆栈、存储和调用环境。

7.4.1 EVM 的五大运行时组件

每个 EVM 实例在执行交易时维护五个独立区域：

graph TD
    subgraph EVM 运行时
        A[PC<br>程序计数器] --> B[执行引擎]
        C[Stack<br>LIFO 1024槽] --> D[PUSH/POP/SWAP/DUP]
        E[Memory<br>线性字节数组] --> F[MLOAD/MSTORE]
        G[Storage<br>键值映射
        永久持久化] --> H[SLOAD/ SSTORE]
        I[环境上下文] --> J[区块/交易/ 调用元数据]
    end
    style C fill:#ffcccc
    style G fill:#ccffcc
    style E fill:#ffffcc

7.4.2 指令集：256 位栈式 RISC

EVM 定义了约 140+ 个操作码（opcode），每个都是单字节（0x00-0xFF）。核心分类：

关键约束：

• 溢出回绕：ADD/MUL 在超过 2²⁵⁶ 时自动截断（不像 CPU 抛异常），开发者需手动用防溢出库（如 Solidity 0.8 后自动溢出检查）；
• 栈深度限制：1024，超深则 CALL 回滚；
• 无跳转表：JUMP 的目标必须是字面量或栈顶值，且目标地址必须是 JUMPDEST 指令——防止跳转到数据段。

// evm-simple-vm.ts
// 纯内置：模拟极简 EVM 栈执行（ADD, PUSH, MUL）

class SimpleEVM {
  private stack: bigint[] = [];
  private pc = 0;
  private halted = false;
  private gas: bigint;

  constructor(gasLimit: bigint) { this.gas = gasLimit; }

  push(v: bigint) {
    if (this.stack.length >= 1024) throw new Error('Stack overflow');
    this.gas -= 3n;
    this.stack.push(v & ((1n << 256n) - 1n));
  }

  pop(): bigint {
    if (this.stack.length === 0) throw new Error('Stack underflow');
    this.gas -= 3n;
    return this.stack.pop()!;
  }

  add() {
    const a = this.pop();
    const b = this.pop();
    this.gas -= 3n;
    this.push((a + b) % (1n << 256n)); // 溢出回绕
  }

  mul() {
    const a = this.pop();
    const b = this.pop();
    this.gas -= 5n;
    this.push((a * b) % (1n << 256n));
  }

  run(bytecode: { op: 'PUSH' | 'ADD' | 'MUL'; val?: bigint }[]) {
    while (this.pc < bytecode.length && !this.halted && this.gas > 0n) {
      const inst = bytecode[this.pc++];
      if (inst.op === 'PUSH') this.push(inst.val!);
      else if (inst.op === 'ADD') this.add();
      else if (inst.op === 'MUL') this.mul();
    }
    return { stack: [...this.stack], gas: this.gas, pc: this.pc };
  }
}

// 执行: (3 + 4) * 5 = 35
const bytecode = [
  { op: 'PUSH' as const, val: 3n },
  { op: 'PUSH' as const, val: 4n },
  { op: 'ADD' as const },
  { op: 'PUSH' as const, val: 5n },
  { op: 'MUL' as const },
];
const evm = new SimpleEVM(100000n);
const result = evm.run(bytecode);
console.log(`栈顶: ${result.stack[0]} (期望 35)`);
console.log(`剩余 gas: ${result.gas}`);

7.4.3 跨合约调用：CALL, DELEGATECALL, STATICCALL

sequenceDiagram
    participant U as User
    participant A as 合约 A
    participant B as 合约 B
    
    U->>A: 调用 f()
    A->>B: CALL(发送 ETH, 调用 g())
    Note over A,B: B 的 msg.sender = A, msg.value = 发送量
    A->>B: STATICCALL(调用 h())
    Note over A,B: B 无法修改任何存储，否则回滚
    A->>B: DELEGATECALL(调用 g())
    Note over A,B: B 看到的是 U 作为 msg.sender<br>且修改的是 A 的存储!

DELEGATECALL 是代理合约模式（如 OpenZeppelin 的 TransparentProxy、ERC-1967）的基础：一个轻量代理合约持有所有 state，通过 DELEGATECALL 将执行转发到可升级的实现合约，但态始终保存在代理上。

7.4.4 执行环境：区块上下文与交易上下文

EVM 运行时可访问的环境变量：

关键安全提示：TIMESTAMP 和 BLOCKHASH 可被矿工轻微操纵，因此不应用于要求真随机性的场景。合约开发者通常使用 Chainlink VRF 或 commit-reveal 协议获取可信随机数。

关键认知三：EVM 的图灵完备不是赠与，而是约束。1024 栈深度、Gas 上限、不可访问外部世界——这些约束将停机问题转化为"资源耗尽即停"。理解 EVM 的确定性本质（同一输入必出同一输出），才能理解为何以太坊的状态转换可以在全网数万节点上并行执行后得到完全一致的结果——这是共识的前提。

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