從Reddio看并行EVM的優(yōu)化之路
作者：霧月，極客web3
眾所周知，EVM的定位是Ethereum的“執(zhí)行引擎”和“智能合約執(zhí)行環(huán)境”，可以說是Ethereum最重要的核心組件之一。公鏈?zhǔn)且粋(gè)包含成千上萬Node的開放性網(wǎng)絡(luò)，不同Node的硬件參數(shù)相差甚大，若想讓智能合約在多個(gè)Node上都跑出相同結(jié)果，滿足“一致性”，要設(shè)法在不同設(shè)備上都搭建出相同的環(huán)境，而虛擬機(jī)可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)效果。
Ethereum的虛擬機(jī)EVM能在不同操作系統(tǒng)（如Windows、Linux、macOS）和設(shè)備上以相同的方式來運(yùn)行智能合約，這種跨平臺兼容性確保每個(gè)Node運(yùn)行合約后，都能得到一致的結(jié)果。最典型的例子就是Java虛擬機(jī)JVM。
Sequencer作為Layer2的關(guān)鍵組件，以單個(gè)服務(wù)器的形式承接所有運(yùn)算任務(wù)，如果與Sequencer配合的外部模塊的效率都足夠高，則最終的瓶頸將取決于Sequencer本身的效率，此時(shí)串行執(zhí)行將成為巨大的阻礙。
opBNB團(tuán)隊(duì)曾通過對DA層和數(shù)據(jù)讀寫模塊進(jìn)行極致優(yōu)化，Sequencer每秒最多可執(zhí)行約2000多筆ERC-20轉(zhuǎn)賬。這個(gè)數(shù)字看起來很高，但如果要處理的交易比ERC-20轉(zhuǎn)賬復(fù)雜很多，TPS數(shù)值必然會(huì)大打折扣。所以說，交易處理的并行化將是未來的必然趨勢。
下面我們將從更具體的細(xì)節(jié)入手，為大家詳細(xì)解釋傳統(tǒng)EVM的局限性，以及并行EVM的優(yōu)勢。
Ethereum交易執(zhí)行的兩大核心組件
在代碼模塊層面，除EVM外，go-ethereum中與交易執(zhí)行相關(guān)的另一核心組件是stateDB，用于管理Ethereum中的賬戶狀態(tài)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。Ethereum采用名為MerklePatriciaTrie的樹狀結(jié)構(gòu)來充當(dāng)數(shù)據(jù)庫索引（目錄），EVM每一次交易執(zhí)行都會(huì)變更stateDB中存放的某些數(shù)據(jù)，這些變更最終會(huì)反映在MerklePatriciaTrie（后面簡稱全局狀態(tài)樹）中。
我們從代碼角度大致看下EVM和stateDB是如何協(xié)作執(zhí)行交易的：
1.processBlock()函數(shù)會(huì)調(diào)用Process()函數(shù)處理一個(gè)區(qū)塊中包含的交易；
processBlock()函數(shù)調(diào)用writeBlockWithState()函數(shù)，再調(diào)用statedb.Commit()函數(shù)，提交狀態(tài)變更結(jié)果。
1.多線程并行執(zhí)行交易：Reddio設(shè)置多個(gè)線程同時(shí)處理不同的交易，線程之間互不干擾。這可以幾倍速提升交易處理速度。
2.為每個(gè)線程分配臨時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)庫：Reddio為每個(gè)線程都分配一個(gè)獨(dú)立的臨時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)庫（pending-stateDB）。各個(gè)線程在執(zhí)行交易時(shí)，不會(huì)直接修改全局的stateDB，而是將狀態(tài)變化結(jié)果暫時(shí)記錄在pending-stateDB中。
3.同步狀態(tài)變更：在一個(gè)區(qū)塊內(nèi)的所有交易都執(zhí)行完畢后，EVM會(huì)將每個(gè)pending-stateDB中記錄的狀態(tài)變更結(jié)果依次同步到全局stateDB中。如果不同交易在執(zhí)行過程中沒有發(fā)生狀態(tài)沖突，就可以將pending-stateDB中的記錄順利合并到全局stateDB中。
Reddio對讀寫操作的處理方式進(jìn)行了優(yōu)化，以確保交易能夠正確訪問狀態(tài)數(shù)據(jù)并避免沖突。
·讀操作：當(dāng)一個(gè)交易需要讀取狀態(tài)時(shí)，EVM會(huì)首先檢查Pending-state的ReadSet。如果ReadSet顯示存在所需數(shù)據(jù)，EVM就直接從pending-stateDB中讀數(shù)據(jù)。如果ReadSet中沒有找到對應(yīng)的key-value（鍵值對），就從上一個(gè)區(qū)塊對應(yīng)的全局stateDB中讀取歷史狀態(tài)數(shù)據(jù)。
·沖突檢測：在交易執(zhí)行過程中，EVM會(huì)監(jiān)測不同交易的ReadSet和WriteSet。如果發(fā)現(xiàn)多個(gè)交易嘗試讀寫相同的狀態(tài)項(xiàng)，則視為發(fā)生沖突。
·沖突處理：當(dāng)檢測到?jīng)_突時(shí)，沖突交易將被標(biāo)記為需要重新執(zhí)行。
在所有交易都執(zhí)行完成后，多個(gè)pending-stateDB中的變更記錄會(huì)被合并到全局stateDB中。如果合并成功，EVM會(huì)將最終狀態(tài)提交到全局狀態(tài)樹中，并生成新的狀態(tài)根。
多線程并行優(yōu)化對性能的提升是顯而易見的，特別是應(yīng)對復(fù)雜智能合約交易時(shí)。
根據(jù)并行EVM的研究顯示，在低沖突工作負(fù)載（交易池中較少矛盾的或者占用相同資源的交易）中，基準(zhǔn)測試的TPS相比傳統(tǒng)的串行執(zhí)行，提升了3~5倍左右。在高沖突工作負(fù)載中，理論上如果將所有優(yōu)化手段都用上甚至可以達(dá)到60倍。
總結(jié)
Reddio的EVM多線程并行優(yōu)化方案，通過為每個(gè)交易分配臨時(shí)狀態(tài)庫，并在不同線程中并行執(zhí)行交易，顯著提高了EVM的交易處理能力。通過優(yōu)化讀寫操作和引入沖突檢測機(jī)制，EVM系公鏈能夠在保證狀態(tài)一致性的前提下，實(shí)現(xiàn)交易的大規(guī)模并行化，解決了傳統(tǒng)串行執(zhí)行模式帶來的性能瓶頸。這為EthereumRollup未來的發(fā)展奠定了重要基礎(chǔ)。
后續(xù)我們會(huì)進(jìn)一步深入分析Reddio的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，如如何進(jìn)一步從優(yōu)化存儲(chǔ)效率提升效率，沖突高發(fā)時(shí)的優(yōu)化方案，以及如何借助GPU做優(yōu)化等等內(nèi)容。