WTF Solidity极简入门: 46. 代理合约

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。

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这一讲，我们介绍代理合约（Proxy Contract）。教学代码由OpenZeppelin的Proxy合约简化而来。

代理模式

Solidity合约部署在链上之后，代码是不可变的（immutable）。这样既有优点，也有缺点：

优点：安全，用户知道会发生什么（大部分时候）。
坏处：就算合约中存在bug，也不能修改或升级，只能部署新合约。但是新合约的地址与旧的不一样，且合约的数据也需要花费大量gas进行迁移。

有没有办法在合约部署后进行修改或升级呢？答案是有的，那就是代理模式。

代理模式将合约数据和逻辑分开，分别保存在不同合约中。我们拿上图中简单的代理合约为例，数据（状态变量）存储在代理合约中，而逻辑（函数）保存在另一个逻辑合约中。代理合约（Proxy）通过delegatecall，将函数调用全权委托给逻辑合约（Implementation）执行，再把最终的结果返回给调用者（Caller）。

代理模式主要有两个好处：

可升级：当我们需要升级合约的逻辑时，只需要将代理合约指向新的逻辑合约。
省gas：如果多个合约复用一套逻辑，我们只需部署一个逻辑合约，然后再部署多个只保存数据的代理合约，指向逻辑合约。

提示：对delegatecall不熟悉的朋友可以看下本教程第23讲Delegatecall。

代理合约

下面我们介绍一个简单的代理合约，它由OpenZeppelin的Proxy合约简化而来。它有三个部分：代理合约Proxy，逻辑合约Logic，和一个调用示例Caller。它的逻辑并不复杂：

首先部署逻辑合约Logic。
创建代理合约Proxy，状态变量implementation记录Logic合约地址。
Proxy合约利用回调函数fallback，将所有调用委托给Logic合约
最后部署调用示例Caller合约，调用Proxy合约。
注意：Logic合约和Proxy合约的状态变量存储结构相同，不然delegatecall会产生意想不到的行为，有安全隐患。

代理合约`Proxy`

Proxy合约不长，但是用到了内联汇编，因此比较难理解。它只有一个状态变量，一个构造函数，和一个回调函数。状态变量implementation，在构造函数中初始化，用于保存Logic合约地址。

contract Proxy {
    address public implementation; // 逻辑合约地址。implementation合约同一个位置的状态变量类型必须和Proxy合约的相同，不然会报错。

    /**
     * @dev 初始化逻辑合约地址
     */
    constructor(address implementation_){
        implementation = implementation_;
    }

Proxy的回调函数将外部对本合约的调用委托给 Logic 合约。这个回调函数很别致，它利用内联汇编（inline assembly），让本来不能有返回值的回调函数有了返回值。其中用到的内联汇编操作码：

calldatacopy(t, f, s)：将calldata（输入数据）从位置f开始复制s字节到mem（内存）的位置t。
delegatecall(g, a, in, insize, out, outsize)：调用地址a的合约，输入为mem[in..(in+insize)) ，输出为mem[out..(out+outsize))，提供gwei的以太坊gas。这个操作码在错误时返回0，在成功时返回1。
returndatacopy(t, f, s)：将returndata（输出数据）从位置f开始复制s字节到mem（内存）的位置t。
switch：基础版if/else，不同的情况case返回不同值。可以有一个默认的default情况。
return(p, s)：终止函数执行, 返回数据mem[p..(p+s))。
revert(p, s)：终止函数执行, 回滚状态，返回数据mem[p..(p+s))。

/**
* @dev 回调函数，将本合约的调用委托给 `implementation` 合约
* 通过assembly，让回调函数也能有返回值
*/
fallback() external payable {
    address _implementation = implementation;
    assembly {
        // 将msg.data拷贝到内存里
        // calldatacopy操作码的参数: 内存起始位置，calldata起始位置，calldata长度
        calldatacopy(0, 0, calldatasize())

        // 利用delegatecall调用implementation合约
        // delegatecall操作码的参数：gas, 目标合约地址，input mem起始位置，input mem长度，output area mem起始位置，output area mem长度
        // output area起始位置和长度位置，所以设为0
        // delegatecall成功返回1，失败返回0
        let result := delegatecall(gas(), _implementation, 0, calldatasize(), 0, 0)

        // 将return data拷贝到内存
        // returndata操作码的参数：内存起始位置，returndata起始位置，returndata长度
        returndatacopy(0, 0, returndatasize())

        switch result
        // 如果delegate call失败，revert
        case 0 {
            revert(0, returndatasize())
        }
        // 如果delegate call成功，返回mem起始位置为0，长度为returndatasize()的数据（格式为bytes）
        default {
            return(0, returndatasize())
        }
    }
}

逻辑合约`Logic`

这是一个非常简单的逻辑合约，只是为了演示代理合约。它包含2个变量，1个事件，1个函数：

implementation：占位变量，与Proxy合约保持一致，防止插槽冲突。
x：uint变量，被设置为99。
CallSuccess事件：在调用成功时释放。
increment()函数：会被Proxy合约调用，释放CallSuccess事件，并返回一个uint，它的selector为0xd09de08a。如果直接调用increment()回返回100，但是通过Proxy调用它会返回1，大家可以想想为什么？

/**
 * @dev 逻辑合约，执行被委托的调用
 */
contract Logic {
    address public implementation; // 与Proxy保持一致，防止插槽冲突
    uint public x = 99; 
    event CallSuccess(); // 调用成功事件

    // 这个函数会释放CallSuccess事件并返回一个uint。
    // 函数selector: 0xd09de08a
    function increment() external returns(uint) {
        emit CallSuccess();
        return x + 1;
    }
}

调用者合约`Caller`

Caller合约会演示如何调用一个代理合约，它也非常简单。但是要理解它，你需要先学习本教程的第22讲 Call和第27讲 ABI编码。

它有1个变量，2个函数：

proxy：状态变量，记录代理合约地址。
构造函数：在部署合约时初始化proxy变量。
increase()：利用call来调用代理合约的increment()函数，并返回一个uint。在调用时，我们利用abi.encodeWithSignature()获取了increment()函数的selector。在返回时，利用abi.decode()将返回值解码为uint类型。

/**
 * @dev Caller合约，调用代理合约，并获取执行结果
 */
contract Caller{
    address public proxy; // 代理合约地址

    constructor(address proxy_){
        proxy = proxy_;
    }

    // 通过代理合约调用increment()函数
    function increment() external returns(uint) {
        ( , bytes memory data) = proxy.call(abi.encodeWithSignature("increment()"));
        return abi.decode(data,(uint));
    }
}

`Remix`演示

部署Logic合约。

调用Logic合约的increment()函数，返回100。

部署Proxy合约，初始化时填入Logic合约地址。

调用Proxy合约increment()函数，无返回值。
调用方法：在Remix部署面板中点Proxy合约，在最下面的Low level interaction中填入increment()函数的选择器0xd09de08a，并点击Transact。

部署Caller合约，初始化时填入Proxy合约地址。

调用Caller合约increment()函数，返回1。

总结

这一讲，我们介绍了代理模式和简单的代理合约。代理合约利用delegatecall将函数调用委托给了另一个逻辑合约，使得数据和逻辑分别由不同合约负责。并且，它利用内联汇编黑魔法，让没有返回值的回调函数也可以返回数据。前面留给大家的问题是：为什么通过Proxy调用increment()会返回1呢？按照我们在第23讲Delegatecall中所说的，当Caller合约通过Proxy合约来delegatecall Logic合约的时候，如果Logic合约函数改变或读取一些状态变量的时候都会在Proxy的对应变量上操作，而这里Proxy合约的x变量的值是0（因为从来没有设置过x这个变量，即Proxy合约的storage区域所对应位置值为0），所以通过Proxy调用increment()会返回1。

下一讲，我们会介绍可升级代理合约。

代理合约虽然很强大，但是它非常容易出bug，用的时候最好直接复制OpenZeppelin的模版合约。

WTF Solidity极简入门: 46. 代理合约

代理模式​

代理合约​

代理合约Proxy​

逻辑合约Logic​

调用者合约Caller​

Remix演示​

总结​