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以太坊虛擬機 (EVM)

頁面最後更新時間： 2026年2月25日

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以太坊虛擬機 (EVM) 是去中心化的虛擬環境，可以跨所有以太坊節點一致且安全地執行程式碼。 節點運行 EVM 來執行智能合約，使用「gas」來衡量運算所需的計算量，確保資源有效分配和網路安全。

先決條件

若要了解 EVM，必須對電腦科學中的常用術語，例如 bytesopens in a new tab、memoryopens in a new tab 和 stackopens in a new tab 等有基本認識。 熟悉哈希函數opens in a new tab和默克爾樹opens in a new tab等密碼學／區塊鏈概念也會很有幫助。

從帳本到狀態機

我們經常使用「分佈式帳本」這一比喻來描述比特幣一類的區塊鏈，區塊鏈透過使用一些基礎加密工具來支持去中心化貨幣。 帳本維護著活動記錄，並且必須遵守一套管控帳本修改相關操作的規則。 例如，比特幣地址無法花費超出其先前接受數量之比特幣。 此類規則構成比特幣及其他區塊鏈上所有交易的基礎。

雖然以太坊有自己的原生加密貨幣 (以太幣)，遵循著幾乎完全相同的直觀規則，但它也啟用了一項更強大的功能：智能合約。 對於此更為複雜的功能，需要一種更貼切之比喻來形容以太坊。 以太坊不是分散式帳本，而是分散式狀態機opens in a new tab。 以太坊的狀態是一個龐大的資料結構，不僅保存了所有帳戶和餘額，還保存了一個「機器狀態」。這個狀態可以根據預先定義的一組規則，在區塊之間變更，並且可以執行任意機器程式碼。 在區塊之間變更狀態的具體規則由以太坊虛擬機定義。

一張顯示 EVM 構成的圖表 圖表改編自 Ethereum EVM illustratedopens in a new tab

以太坊狀態轉換函數

以太坊虛擬機的運行類似於數學函式：提供一個輸入，就會生成確定的輸出。 因此，將以太坊更正式地描述為具有狀態轉換函數會很有幫助：

1Y(S, T)= S'

給定一個舊的有效狀態 (S) 和一組新的有效交易 (T)，以太坊狀態轉換函數 Y(S, T) 會產生一個新的有效輸出狀態 S'。

狀態

在以太坊的脈絡中，狀態是一個龐大的資料結構，稱為改良式 Merkle Patricia 樹，它將所有帳戶以哈希連結，並可歸納為儲存在區塊鏈上的單一根哈希。

交易

交易是帳戶發出的帶密碼學簽章的指令。 交易主要有兩種類型：一種交易發起訊息調用，一種啟動合約建立。

創建合約會產生一個新的合約帳戶，其中包含已編譯的智能合約位元組碼。 當其他帳戶對該合約進行訊息調用時，將執行該合約的位元組碼。

EVM 指令

EVM 作為堆疊機opens in a new tab執行，深度為 1024 個項目。 每個專案均為 256 位元的字，選擇它是為了方便用於 256 位元加密（例如，Keccak-256 雜湊或 secp256k1 簽章）。

在執行期間，EVM 會維護一個暫時性的「記憶體」（一個字組定址的位元組陣列），此記憶體在不同交易之間不會留存。

暫時性儲存

暫時性儲存是每個交易的鍵值儲存庫，可透過 TSTORE 和 TLOAD 操作碼存取。 它會在同個交易內的所有內部呼叫中持續存在，但在交易結束時會被清除。 與記憶體不同，暫時性儲存被塑模為 EVM 狀態的一部分，而非執行框架，但它不會被提交到全域狀態。 暫時性儲存可以在交易期間，讓內部呼叫以符合 gas 效益的方式共享暫時狀態。

儲存

合約包含一個 Merkle Patricia _儲存_樹（一個字組定址的字組陣列），與相關帳戶關聯，並且是全域狀態的一部分。 這種永久性儲存與暫時性儲存不同，暫時性儲存僅在單一交易期間可用，且不構成帳戶永久性儲存樹的一部分。

作業碼

已編譯的智能合約位元組碼會以多個 EVM 操作碼的形式執行，這些操作碼會執行標準的堆疊操作，例如 XOR、AND、ADD、SUB 等。 EVM 也實作了一些區塊鏈專用的堆疊操作，例如 ADDRESS、BALANCE、BLOCKHASH 等。 操作碼集還包括 TSTORE 和 TLOAD，可用來存取暫時性儲存。

顯示 EVM 操作中何處需要 gas 的圖表 圖表改編自 Ethereum EVM illustratedopens in a new tab

EVM 實作

所有以太坊虛擬機實作均須遵照以太坊黃皮書中規定的相關規範。

在以太坊十年的歷史中，EVM 經歷了數次修訂，並且有以各種程式語言撰寫的數種 EVM 實作版本。

以太坊執行用戶端包含一個 EVM 實作。 此外，還有一些獨立的實作，包括：

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