WTF Solidity极简入门: 34. ERC721
我最近在重新学 Solidity，巩固一下细节，也写一个“WTF Solidity极简入门”，供小白们使用（编程大佬可以另找教程），每周更新 1-3 讲。
所有代码和教程开源在 github: github.com/AmazingAng/WTF-Solidity
BTC和ETH这类代币都属于同质化代币，矿工挖出的第1枚BTC与第10000枚BTC并没有不同，是等价的。但世界中很多物品是不同质的，其中包括房产、古董、虚拟艺术品等等，这类物品无法用同质化代币抽象。因此，以太坊EIP721提出了ERC721标准，来抽象非同质化的物品。这一讲，我们将介绍ERC721标准，并基于它发行一款NFT。
EIP与ERC
这里有一个点需要理解，本节标题是ERC721，这里又提到了EIP721,这两个是什么关系呢？
EIP全称 Ethereum Improvement Proposals(以太坊改进建议), 是以太坊开发者社区提出的改进建议, 是一系列以编号排定的文件, 类似互联网上IETF的RFC。
EIP可以是 Ethereum 生态中任意领域的改进, 比如新特性、ERC、协议改进、编程工具等等。
ERC全称 Ethereum Request For Comment (以太坊意见征求稿), 用以记录以太坊上应用级的各种开发标准和协议。如典型的Token标准(ERC20, ERC721)、名字注册(ERC26, ERC13), URI范式(ERC67), Library/Package格式(EIP82), 钱包格式(EIP75,EIP85)。
ERC协议标准是影响以太坊发展的重要因素, 像ERC20, ERC223, ERC721, ERC777等, 都是对以太坊生态产生了很大影响。
所以最终结论：EIP包含ERC。
在这一节学习完成后，才能明白为什么上来讲ERC165而不是ERC721，想要看结论可直接移动到最下面
ERC165
通过ERC165标准，智能合约可以声明它支持的接口，供其他合约检查。简单的说，ERC165就是检查一个智能合约是不是支持了ERC721，ERC1155的接口。
IERC165接口合约只声明了一个supportsInterface函数，输入要查询的interfaceId接口id，若合约实现了该接口id，则返回true：
interface IERC165 {
/**
* @dev 如果合约实现了查询的`interfaceId`，则返回true
* 规则详见：https://eips.ethereum.org/EIPS/eip-165#how-interfaces-are-identified[EIP section]
*
*/
function supportsInterface(bytes4 interfaceId) external view returns (bool);
}
我们可以看下ERC721是如何实现supportsInterface()函数的：
function supportsInterface(bytes4 interfaceId) external pure override returns (bool)
{
return
interfaceId == type(IERC721).interfaceId ||
interfaceId == type(IERC165).interfaceId;
}
当查询的是IERC721或IERC165的接口id时，返回true；反之返回false。
IERC721
IERC721是ERC721标准的接口合约，规定了ERC721要实现的基本函数。它利用tokenId来表示特定的非同质化代币，授权或转账都要明确tokenId；而ERC20只需要明确转账的数额即可。
/**
* @dev ERC721标准接口.
*/
interface IERC721 is IERC165 {
event Transfer(address indexed from, address indexed to, uint256 indexed tokenId);
event Approval(address indexed owner, address indexed approved, uint256 indexed tokenId);
event ApprovalForAll(address indexed owner, address indexed operator, bool approved);
function balanceOf(address owner) external view returns (uint256 balance);
function ownerOf(uint256 tokenId) external view returns (address owner);
function safeTransferFrom(
address from,
address to,
uint256 tokenId,
bytes calldata data
) external;
function safeTransferFrom(
address from,
address to,
uint256 tokenId
) external;
function transferFrom(
address from,
address to,
uint256 tokenId
) external;
function approve(address to, uint256 tokenId) external;
function setApprovalForAll(address operator, bool _approved) external;
function getApproved(uint256 tokenId) external view returns (address operator);
function isApprovedForAll(address owner, address operator) external view returns (bool);
}
IERC721事件
IERC721包含3个事件，其中Transfer和Approval事件在ERC20中也有。
Transfer事件：在转账时被释放，记录代币的发出地址from，接收地址to和tokenid。Approval事件：在授权时释放，记录授权地址owner，被授权地址approved和tokenid。ApprovalForAll事件：在批量授权时释放，记录批量授权的发出地址owner，被授权地址operator和授权与否的approved。
IERC721函数
balanceOf：返回某地址的NFT持有量balance。ownerOf：返回某tokenId的主人owner。transferFrom：普通转账，参数为转出地址from，接收地址to和tokenId。safeTransferFrom：安全转账（如果接收方是合约地址，会要求实现ERC721Receiver接口）。参数为转出地址from，接收地址to和tokenId。approve：授权另一个地址使用你的NFT。参数为被授权地址approve和tokenId。getApproved：查询tokenId被批准给了哪个地址。setApprovalForAll：将自己持有的该系列NFT批量授权给某个地址operator。isApprovedForAll：查询某地址的NFT是否批量授权给了另一个operator地址。safeTransferFrom：安全转账的重载函数，参数里面包含了data。
IERC721Receiver
如果一个合约没有实现ERC721的相关函数，转入的NFT就进了黑洞，永远转不出来了。为了防止误转账，ERC721实现了safeTransferFrom()安全转账函数，目标合约必须实现了IERC721Receiver接口才能接收ERC721代币，不然会revert。IERC721Receiver接口只包含一个onERC721Received()函数。
// ERC721接收者接口：合约必须实现这个接口来通过安全转账接收ERC721
interface IERC721Receiver {
function onERC721Received(
address operator,
address from,
uint tokenId,
bytes calldata data
) external returns (bytes4);
}
我们看下ERC721利用_checkOnERC721Received来确保目标合约实现了onERC721Received()函数（返回onERC721Received的selector）：
function _checkOnERC721Received(
address operator,
address from,
address to,
uint256 tokenId,
bytes memory data
) internal {
if (to.code.length > 0) {
try IERC721Receiver(to).onERC721Received(operator, from, tokenId, data) returns (bytes4 retval) {
if (retval != IERC721Receiver.onERC721Received.selector) {
// Token rejected
revert IERC721Errors.ERC721InvalidReceiver(to);
}
} catch (bytes memory reason) {
if (reason.length == 0) {
// non-IERC721Receiver implementer
revert IERC721Errors.ERC721InvalidReceiver(to);
} else {
/// @solidity memory-safe-assembly
assembly {
revert(add(32, reason), mload(reason))
}
}
}
}
}
IERC721Metadata
IERC721Metadata是ERC721的拓展接口，实现了3个查询metadata元数据的常用函数：
name()：返回代币名称。symbol()：返回代币代号。tokenURI()：通过tokenId查询metadata的链接url，ERC721特有的函数。
interface IERC721Metadata is IERC721 {
function name() external view returns (string memory);
function symbol() external view returns (string memory);
function tokenURI(uint256 tokenId) external view returns (string memory);
}
ERC721主合约
ERC721主合约实现了IERC721，IERC165和IERC721Metadata定义的所有功能，包含4个状态变量和17个函数。实现都比较简单，每个函数的功能见代码注释：
// SPDX-License-Identifier: MIT
// by 0xAA
pragma solidity ^0.8.21;
import "./IERC165.sol";
import "./IERC721.sol";
import "./IERC721Receiver.sol";
import "./IERC721Metadata.sol";
import "./String.sol";
contract ERC721 is IERC721, IERC721Metadata{
using Strings for uint256; // 使用String库，
// Token名称
string public override name;
// Token代号
string public override symbol;
// tokenId 到 owner address 的持有人映射
mapping(uint => address) private _owners;
// address 到 持仓数量 的持仓量映射
mapping(address => uint) private _balances;
// tokenID 到 授权地址 的授权映射
mapping(uint => address) private _tokenApprovals;
// owner地址。到operator地址 的批量授权映射
mapping(address => mapping(address => bool)) private _operatorApprovals;
// 错误 无效的接收者
error ERC721InvalidReceiver(address receiver);
/**
* 构造函数，初始化`name` 和`symbol` .
*/
constructor(string memory name_, string memory symbol_) {
name = name_;
symbol = symbol_;
}
// 实现IERC165接口supportsInterface
function supportsInterface(bytes4 interfaceId)
external
pure
override
returns (bool)
{
return
interfaceId == type(IERC721).interfaceId ||
interfaceId == type(IERC165).interfaceId ||
interfaceId == type(IERC721Metadata).interfaceId;
}
// 实现IERC721的balanceOf，利用_balances变量查询owner地址的balance。
function balanceOf(address owner) external view override returns (uint) {
require(owner != address(0), "owner = zero address");
return _balances[owner];
}
// 实现IERC721的ownerOf，利用_owners变量查询tokenId的owner。
function ownerOf(uint tokenId) public view override returns (address owner) {
owner = _owners[tokenId];
require(owner != address(0), "token doesn't exist");
}
// 实现IERC721的isApprovedForAll，利用_operatorApprovals变量查询owner地址是否将所持NFT批量授权给了operator地址。
function isApprovedForAll(address owner, address operator)
external
view
override
returns (bool)
{
return _operatorApprovals[owner][operator];
}
// 实现IERC721的setApprovalForAll，将持有代币全部授权给operator地址。调用_setApprovalForAll函数。
function setApprovalForAll(address operator, bool approved) external override {
_operatorApprovals[msg.sender][operator] = approved;
emit ApprovalForAll(msg.sender, operator, approved);
}
// 实现IERC721的getApproved，利用_tokenApprovals变量查询tokenId的授权地址。
function getApproved(uint tokenId) external view override returns (address) {
require(_owners[tokenId] != address(0), "token doesn't exist");
return _tokenApprovals[tokenId];
}
// 授权函数。通过调整_tokenApprovals来，授权 to 地址操作 tokenId，同时释放Approval事件。
function _approve(
address owner,
address to,
uint tokenId
) private {
_tokenApprovals[tokenId] = to;
emit Approval(owner, to, tokenId);
}
// 实现IERC721的approve，将tokenId授权给 to 地址。条件：to不是owner，且msg.sender是owner或授权地址。调用_approve函数。
function approve(address to, uint tokenId) external override {
address owner = _owners[tokenId];
require(
msg.sender == owner || _operatorApprovals[owner][msg.sender],
"not owner nor approved for all"
);
_approve(owner, to, tokenId);
}
// 查询 spender地址是否可以使用tokenId（需要是owner或被授权地址）
function _isApprovedOrOwner(
address owner,
address spender,
uint tokenId
) private view returns (bool) {
return (spender == owner ||
_tokenApprovals[tokenId] == spender ||
_operatorApprovals[owner][spender]);
}
/*
* 转账函数。通过调整_balances和_owner变量将 tokenId 从 from 转账给 to，同时释放Transfer事件。
* 条件:
* 1. tokenId 被 from 拥有
* 2. to 不是0地址
*/
function _transfer(
address owner,
address from,
address to,
uint tokenId
) private {
require(from == owner, "not owner");
require(to != address(0), "transfer to the zero address");
_approve(owner, address(0), tokenId);
_balances[from] -= 1;
_balances[to] += 1;
_owners[tokenId] = to;
emit Transfer(from, to, tokenId);
}
// 实现IERC721的transferFrom，非安全转账，不建议使用。调用_transfer函数
function transferFrom(
address from,
address to,
uint tokenId
) external override {
address owner = ownerOf(tokenId);
require(
_isApprovedOrOwner(owner, msg.sender, tokenId),
"not owner nor approved"
);
_transfer(owner, from, to, tokenId);
}
/**
* 安全转账，安全地将 tokenId 代币从 from 转移到 to，会检查合约接收者是否了解 ERC721 协议，以防止代币被永久锁定。调用了_transfer函数和_checkOnERC721Received函数。条件：
* from 不能是0地址.
* to 不能是0地址.
* tokenId 代币必须存在，并且被 from拥有.
* 如果 to 是智能合约, 他必须支持 IERC721Receiver-onERC721Received.
*/
function _safeTransfer(
address owner,
address from,
address to,
uint tokenId,
bytes memory _data
) private {
_transfer(owner, from, to, tokenId);
_checkOnERC721Received(from, to, tokenId, _data);
}
/**
* 实现IERC721的safeTransferFrom，安全转账，调用了_safeTransfer函数。
*/
function safeTransferFrom(
address from,
address to,
uint tokenId,
bytes memory _data
) public override {
address owner = ownerOf(tokenId);
require(
_isApprovedOrOwner(owner, msg.sender, tokenId),
"not owner nor approved"
);
_safeTransfer(owner, from, to, tokenId, _data);
}
// safeTransferFrom重载函数
function safeTransferFrom(
address from,
address to,
uint tokenId
) external override {
safeTransferFrom(from, to, tokenId, "");
}
/**
* 铸造函数。通过调整_balances和_owners变量来铸造tokenId并转账给 to，同时释放Transfer事件。铸造函数。通过调整_balances和_owners变量来铸造tokenId并转账给 to，同时释放Transfer事件。
* 这个mint函数所有人都能调用，实际使用需要开发人员重写，加上一些条件。
* 条件:
* 1. tokenId尚不存在。
* 2. to不是0地址.
*/
function _mint(address to, uint tokenId) internal virtual {
require(to != address(0), "mint to zero address");
require(_owners[tokenId] == address(0), "token already minted");
_balances[to] += 1;
_owners[tokenId] = to;
emit Transfer(address(0), to, tokenId);
}
// 销毁函数，通过调整_balances和_owners变量来销毁tokenId，同时释放Transfer事件。条件：tokenId存在。
function _burn(uint tokenId) internal virtual {
address owner = ownerOf(tokenId);
require(msg.sender == owner, "not owner of token");
_approve(owner, address(0), tokenId);
_balances[owner] -= 1;
delete _owners[tokenId];
emit Transfer(owner, address(0), tokenId);
}
// _checkOnERC721Received：函数，用于在 to 为合约的时候调用IERC721Receiver-onERC721Received, 以防 tokenId 被不小心转入黑洞。
function _checkOnERC721Received(address from, address to, uint256 tokenId, bytes memory data) private {
if (to.code.length > 0) {
try IERC721Receiver(to).onERC721Received(msg.sender, from, tokenId, data) returns (bytes4 retval) {
if (retval != IERC721Receiver.onERC721Received.selector) {
revert ERC721InvalidReceiver(to);
}
} catch (bytes memory reason) {
if (reason.length == 0) {
revert ERC721InvalidReceiver(to);
} else {
/// @solidity memory-safe-assembly
assembly {
revert(add(32, reason), mload(reason))
}
}
}
}
}
/**
* 实现IERC721Metadata的tokenURI函数，查询metadata。
*/
function tokenURI(uint256 tokenId) public view virtual override returns (string memory) {
require(_owners[tokenId] != address(0), "Token Not Exist");
string memory baseURI = _baseURI();
return bytes(baseURI).length > 0 ? string(abi.encodePacked(baseURI, tokenId.toString())) : "";
}
/**
* 计算{tokenURI}的BaseURI，tokenURI就是把baseURI和tokenId拼接在一起，需要开发重写。
* BAYC的baseURI为ipfs://QmeSjSinHpPnmXmspMjwiXyN6zS4E9zccariGR3jxcaWtq/
*/
function _baseURI() internal view virtual returns (string memory) {
return "";
}
}
写一个免费铸造的APE
我们来利用ERC721来写一个免费铸造的WTF APE，总量设置为10000，只需要重写一下mint()和baseURI()函数即可。由于baseURI()设置的和BAYC一样，元数据会直接获取无聊猿的，类似RRBAYC：
// SPDX-License-Identifier: MIT
// by 0xAA
pragma solidity ^0.8.21;
import "./ERC721.sol";
contract WTFApe is ERC721{
uint public MAX_APES = 10000; // 总量
// 构造函数
constructor(string memory name_, string memory symbol_) ERC721(name_, symbol_){
}
//BAYC的baseURI为ipfs://QmeSjSinHpPnmXmspMjwiXyN6zS4E9zccariGR3jxcaWtq/
function _baseURI() internal pure override returns (string memory) {
return "ipfs://QmeSjSinHpPnmXmspMjwiXyN6zS4E9zccariGR3jxcaWtq/";
}
// 铸造函数
function mint(address to, uint tokenId) external {
require(tokenId >= 0 && tokenId < MAX_APES, "tokenId out of range");
_mint(to, tokenId);
}
}
发行ERC721NFT
有了ERC721标准后，在ETH链上发行NFT变得非常简单。现在，我们发行属于我们的NFT。
在Remix上编译好ERC721合约和WTFApe合约（按照顺序），在部署栏点击下按钮，输入构造函数的参数，name_和symbol_都设为WTF，然后点击transact键进行部署。
这样，我们就创建好了WTFNFT。我们需要运行mint()函数来给自己铸造一些代币。在mint函数那一栏点开右侧的下按钮输入账户地址，和tokenid，并点击mint按钮，为自己铸造0号WTFNFT。
可以点开右侧的Debug按钮，具体查看下面的logs。
里面包含四个关键信息：
- 事件
Transfer - 铸造地址
0x0000000000000000000000000000000000000000 - 接收地址
0x5B38Da6a701c568545dCfcB03FcB875f56beddC4 - tokenid
0
我们利用balanceOf()函数来查询账户余额。输入我们当前的账户，可以看到有一个NFT，铸造成功。
账户信息如图左侧，右侧标注为函数执行的具体信息。
我们也可以利用ownerOf()函数来查询NFT属于哪个账户。输入tokenid，可以我们的地址，查询无误。
ERC165与ERC721详解
上面说到,为了防止NFT被转到一个没有能力操作NFT的合约中去,目标必须正确实现ERC721TokenReceiver接口：
interface ERC721TokenReceiver {
function onERC721Received(address _operator, address _from, uint256 _tokenId, bytes _data) external returns(bytes4);
}
拓展到编程语言的世界中去，无论是Java的interface，还是Rust的Trait(当然solidity中和trait更像的是library)，只要是和接口沾边的，都在透露着一种这样的意味：接口是某些行为的集合(在solidity中更甚，接口完全等价于函数选择器的集合)，某个类型只要实现了某个接口，就表明该类型拥有这样的一种功能。因此，只要某个contract类型实现了上述的ERC721TokenReceiver接口(更具体而言就是实现了onERC721Received这个函数),该contract类型就对外表明了自己拥有管理NFT的能力。当然操作NFT的逻辑被实现在该合约其他的函数中。
ERC721标准在执行safeTransferFrom的时候会检查目标合约是否实现了onERC721Received函数,这是一种利用ERC165思想进行的操作。
那究竟什么是ERC165呢?
ERC165是一种对外表明自己实现了哪些接口的技术标准。就像上面所说的，实现了一个接口就表明合约拥有种特殊能力。有一些合约与其他合约交互时，期望目标合约拥有某些功能，那么合约之间就能够通过ERC165标准对对方进行查询以检查对方是否拥有相应的能力。
以ERC721合约为例，当外部对某个合约进行检查其是否是ERC721时，怎么做？ 。按照这个说法，检查步骤应该是首先检查该合约是否实现了ERC165, 再检查该合约实现的其他特定接口。此时该特定接口是IERC721. IERC721的是ERC721的基本接口(为什么说基本，是因为还有其他的诸如ERC721Metadata ERC721Enumerable 这样的拓展)：
/// 注意这个**0x80ac58cd**
/// **⚠⚠⚠ Note: the ERC-165 identifier for this interface is 0x80ac58cd. ⚠⚠⚠**
interface ERC721 /* is ERC165 */ {
event Transfer(address indexed _from, address indexed _to, uint256 indexed _tokenId);
event Approval(address indexed _owner, address indexed _approved, uint256 indexed _tokenId);
event ApprovalForAll(address indexed _owner, address indexed _operator, bool _approved);
function balanceOf(address _owner) external view returns (uint256);
function ownerOf(uint256 _tokenId) external view returns (address);
function safeTransferFrom(address _from, address _to, uint256 _tokenId, bytes data) external payable;
function safeTransferFrom(address _from, address _to, uint256 _tokenId) external payable;
function transferFrom(address _from, address _to, uint256 _tokenId) external payable;
function approve(address _approved, uint256 _tokenId) external payable;
function setApprovalForAll(address _operator, bool _approved) external;
function getApproved(uint256 _tokenId) external view returns (address);
function isApprovedForAll(address _owner, address _operator) external view returns (bool);
}
0x80ac58cd=
bytes4(keccak256(ERC721.Transfer.selector) ^ keccak256(ERC721.Approval.selector) ^ ··· ^keccak256(ERC721.isApprovedForAll.selector))，这是ERC165规定的计算方式。
那么，类似的，能够计算出ERC165本身的接口(它的接口里只有一个
function supportsInterface(bytes4 interfaceID) external view returns (bool); 函数，对其进行bytes4(keccak256(supportsInterface.selector)) 得到0x01ffc9a7。此外，ERC721还定义了一些拓展接口，比如ERC721Metadata ，长这样：
/// Note: the ERC-165 identifier for this interface is 0x5b5e139f.
interface ERC721Metadata /* is ERC721 */ {
function name() external view returns (string _name);
function symbol() external view returns (string _symbol);
function tokenURI(uint256 _tokenId) external view returns (string); // 这个很重要，前端展示的小图片的链接都是这个函数返回的
}
这个0x5b5e139f 的计算就是:
IERC721Metadata.name.selector ^ IERC721Metadata.symbol.selector ^ IERC721Metadata.tokenURI.selector
solamte实现的ERC721.sol是怎么完成这些ERC165要求的特性的呢？
function supportsInterface(bytes4 interfaceId) public view virtual returns (bool) {
return
interfaceId == 0x01ffc9a7 || // ERC165 Interface ID for ERC165
interfaceId == 0x80ac58cd || // ERC165 Interface ID for ERC721
interfaceId == 0x5b5e139f; // ERC165 Interface ID for ERC721Metadata
}
没错就这么简单。当外界按照link1 的步骤去做检查的时候，如果外界想检查这个合约是否实现了165,好说，就是supportsInterface函数在入参是0x01ffc9a7时必须返回true，在入参是0xffffffff时，返回值必须是false。上述实现完美达成要求。
当外界想检查这个合约是否是ERC721的时候，好说，入参是0x80ac58cd 的时候表明外界想做这个检查。返回true。
当外界想检查这个合约是否实现ERC721的拓展ERC721Metadata接口时，入参是0x5b5e139f。好说，返回了true。
并且由于该函数是virtual的。因此该合约的使用者可以继承该合约，然后继续实现ERC721Enumerable 接口。实现完里面的什么totalSupply 啊之类的函数之后，把继承的supportsInterface重实现为
function supportsInterface(bytes4 interfaceId) public view virtual returns (bool) {
return
interfaceId == 0x01ffc9a7 || // ERC165 Interface ID for ERC165
interfaceId == 0x80ac58cd || // ERC165 Interface ID for ERC721
interfaceId == 0x5b5e139f || // ERC165 Interface ID for ERC721Metadata
interfaceId == 0x780e9d63; // ERC165 Interface ID for ERC721Enumerable
}
优雅，简洁，可拓展性拉满。
总结
这一讲，我介绍了ERC721标准、接口及其实现，并在合约代码进行了中文注释。并且我们利用ERC721做了一个免费铸造的WTF APE NFT，元数据直接调用于BAYC。ERC721标准仍在不断发展中，目前比较流行的版本为ERC721Enumerable（提高NFT可访问性）和ERC721A（节约铸造gas）。