CN110543407A - 一种Solidity智能合约性能静态分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种Solidity智能合约性能静态分析方法。该方法具体为：通过对需要进行性能分析的函数进行分片、建立符号计算模型、计算出GAS消耗公式，并进一步优化，能够自动地计算包含多项式循环的程序执行所消耗的GAS值，或者通过极少的人工辅助计算包含非线性循环的程序执行所消耗的GAS值，从而反映出其性能。本发明通过静态分析的方式准确计算Solidity智能合约的GAS消耗值，使开发者不需要准备繁杂的测试用例来运行智能合约就可以准确的得到GAS消耗的计算公式，从而能够对智能合约的性能进行定量判断，有助于判断Solidity智能合约在何种情况下达到GAS上限，对于评估执行成本与收益起到显著的效果。

Description

一种Solidity智能合约性能静态分析方法
技术领域
本发明涉及Solidity智能合约、编译原理、符号计算的技术领域，具体地涉及一种Solidity智能合约性能静态分析方法。
背景技术
智能合约是区块链中可执行的可信计算机代码，Solidity是一种编写智能合约的计算机高级语言。Solidity智能合约在EVM虚拟机上执行，部署在以太坊平台上，其特殊的执行机制使得开发者除了关注代码功能性和安全性之外，每一笔调用Solidity智能合约的交易，都要根据复杂度消耗一定的GAS费用，因此Solidity智能合约复杂度越高，需要的花费的代价也越高。如何开发出即满足需求又便宜的Solidity智能合约是开发者们需要面对的问题。事实上，Solidity智能合约复杂度分析其实就是性能分析。目前的主要方法是根据经验判断或者动态执行查看实际GAS消耗这两种，对于静态的性能分析方法尚不成熟，难点在于循环不变量和终止条件的判定。领域内缺乏能够准确地计算Solidity智能合约GAS消耗值的成熟的静态分析方法。
发明内容
针对现有的Solidity智能合约性能分析方法存在的不足，本发明公开了一种Solidity智能合约性能静态分析方法，该方法能够对大部分情形下的包含循环程序的Solidity智能合约进行静态分析，得到GAS消耗计算式。
本发明是通过以下技术方案实现的：一种Solidity智能合约性能静态分析方法，所述分析方法具体包括如下步骤：
(1)输入Solidity智能合约，对所述Solidity智能合约性能分析的函数进行分片，提取出完整的程序片段。
(2)根据步骤(1)所述完整的程序片段，建立符号计算模型。
(3)根据步骤(2)所述符号计算模型，计算出GAS消耗公式，并输出化简后的GAS公式。
进一步地，步骤(1)具体过程为：
(1)对输入的Solidity智能合约进行语法分析，建立语法树；
(2)根据所述语法树，建立Solidity系统依赖图；
(3)使用分片算法对所述Solidity系统依赖图进行分片，提取出完整的程序片段。
进一步地，步骤(2)包括以下子步骤：
(1)根据Solidity编译器的编译原理，将所述完整的程序片段转化为EVM虚拟机的执行码(或称汇编指令)程序；
(2)根据所述执行码程序所消耗的GAS大小对照表，将所述执行码程序转化为GAS累加的符号计算表达式，生成循环不变式。对于所述执行码程序中包含多项式循环的情形，自动生成循环不变式；对于所述执行码程序中包含非线性循环的情形，人工辅助添加循环不变式。
进一步地，步骤(3)具体为：
(1)对于所述执行码程序中包含循环的情形，将循环赋值语句表示为程序变量关于循环次数的一阶常系数差分方程组，求出差分方程组的闭形式解，然后将所述闭形式解代入循环条件，得到与循环次数相关的循环GAS消耗计算表达式；对于所述执行码程序中包含逻辑控制的情形，将逻辑控制语句转化为含相关变量符号的齐次多项式，作为GAS消耗计算表达式。
(2)根据符号计算方法，依次累计所述切片中所有GAS消耗计算公式，得到最终的GAS消耗计算公式，化简输出GAS公式。
进一步地，所述符号计算方法具体为：
(1)输入多项式循环程序P、程序变量个数m、多项式不变式的次数上界U。
(2)初始化LoopInv为空。
(3)将所述多项式循环程序P用多项式变迁系统T表示，其中T由V、L、Y、l0、O组成，V表示变量集合，L表示有限位置集合，Y表示状态变迁集合，l0表示初始位置，O表示初始条件。
(4)根据步骤3的所述多项式循环程序P得到样本点集合S。
(5)通过BM算法，在分次字典序下，计算出所述样本点集合S消去理想的Grobner基I(S)＝<p1,p2,…ps>，并计算出I(S)中所有多项式p1,p2,…,ps的最低次数，将pi＝0作为所述多项式循环程序P的候选不变式，其中i＝1,2,…s。
(6)验证所述候选不变式：如果pi(V)|pi(V’)成立，则将LoopInv赋值为LoopInv^pi。
(7)重复步骤6直至i>s，生成所述多项式循环程序P的循环不变式。
本发明的有益效果如下：本发明所提供的一种Solidity智能合约性能静态分析方法，能够自动计算包含多项式循环的程序执行所消耗的GAS值，或者通过极少的人工辅助计算包含非线性循环的程序执行所消耗的GAS值，从而反映出Solidity智能合约的性能。本方法计算所得的GAS消耗值一般情况下是一个含有符号变量的公式，这些符号变量关联于Solidity智能合约中的入参、局部变量、循环次数。本发明使开发者不需要准备繁杂的测试用例来运行智能合约，就可以准确的得到GAS消耗的计算公式，从而能够对智能合约的性能进行定量判断，有助于判断Solidity智能合约在何种情况下达到GAS上限，有利于开发者对Solidity智能合约进行精准的性能优化，也有利于项目相关方对该合约的经济性进行准确的判定，对于评估执行成本与收益起到显著的效果。另外，本发明涉及的处理循环程序的符号计算方法对该领域具有一定的参考和借鉴意义。
附图说明
图1是基于本发明对Solidity智能合约进行性能静态分析的流程图；
图2是基于本发明处理Solidity智能合约循环程序的核心算法图。
具体实施方式
下面结合附图对Solidity智能合约性能静态分析方法作进一步说明。
如图1所示，基于本发明对Solidity智能合约进行性能静态分析的流程如下：
(1)开发者输入Solidity智能合约，该智能合约如果包含非线性循环过程，则需要人工添加循环不变式。所述循环不变式语法结构由循环不变式标签和不变式组成，其中不变式就是循环迭代过程中成立的等式。对所述Solidity智能合约性能分析的函数进行分片，分片时，首先对输入的Solidity智能合约进行语法分析，建立语法树，然后在建立Solidity系统依赖图，最后根据分片算法对所述Solidity系统依赖图进行分片，提取出完整的程序片段。
(2)对Solidity智能合约的分片结果进行建模。建模时，首先根据Solidity编译器原理将所述完整的程序片段转化为EVM虚拟机的执行码程序(或称汇编指令)；然后根据Solidity执行码程序所消耗的GAS大小对照表，将所述执行码程序转化为GAS累加的符号计算表达式，生成循环不变式。对于所述执行码程序中包含多项式循环的情形，自动生成循环不变式；对于所述执行码程序中包含非线性循环的情形，人工辅助添加循环不变式。
(3)对Solidity智能合约的静态分析模型进行计算。对于所述执行码程序中包含循环的情形，将循环赋值语句表示为程序变量关于循环次数的一阶常系数差分方程组，求出差分方程组的闭形式解，然后将所述闭形式解代入循环条件，得到与循环次数相关的循环GAS消耗计算表达式；对于所述执行码程序中包含逻辑控制的情形，将逻辑控制语句转化为含相关变量符号的齐次多项式，作为GAS消耗计算表达式。根据符号计算方法，依次累计所述切片中所有GAS消耗计算公式，得到最终的GAS消耗计算公式，得到化简后的Solidity智能合约GAS消耗表达式，一般情况下这是一个含有符号变量的公式，这些符号变量关联于Solidity智能合约中的入参、局部变量、循环次数。开发者根据该表达式可以分析出影响性能的关键参数，从而通过控制这些参数或者改变算法等形式来优化性能。
根据本发明公开的Solidity智能合约性能静态分析方法，所述循环程序的符号计算方法是循环不变式的自动生成，其方法流程如图2所示。该符号计算方法基于BM算法，针对多项式变迁系统，计算出多项式等式作为其循环不变式。对于给定含有m个变量的程序P，只需给定预期生成不变式的次数上界U，根据程序P得到含有至多(d+m，m)个样本点的集合S，然后计算出样本点集S的消去理想的Grobner基I(S)作为程序的候选不变式，同时得到I(S)中所有多项式的最低次数，利用多项式整除性质验证候选不变式，最后生成多项式作为循环不变式。所述符号计算方法具体流程如下：
(1)输入多项式循环程序P、程序变量个数m、多项式不变式的次数上界U。
(2)初始化LoopInv为空。
(3)将所述多项式循环程序P用多项式变迁系统T表示，其中T由V、L、Y、l0、O组成，V表示变量集合，L表示有限位置集合，Y表示状态变迁集合，l0表示初始位置，O表示初始条件。
(4)根据步骤3的所述多项式循环程序P得到样本点集合S。
(5)通过BM算法，在分次字典序下，计算出所述样本点集合S消去理想的Grobner基I(S)＝<p1,p2,…ps>，并计算出I(S)中所有多项式p1,p2,…,ps的最低次数，将pi＝0作为所述多项式循环程序P的候选不变式，其中i＝1,2,…s。
(6)验证所述候选不变式：如果pi(V)|pi(V’)成立，则将LoopInv赋值为LoopInv^pi。
(7)重复步骤6直至i>s，生成所述多项式循环程序P的循环不变式。
上述算法要求给定预期得到多项式不变式的次数上界U，并没有预设不变式模板。因为在应用模板方法时，对于预设变元个数为m，次数为d的多项式模板，将产生(d+m,m)个未知参数，这样的约束求解问题是困难的。算法中要求计算出至多(d+m,m)个样本点，实际上就是模板方法中未知参数的个数，但在算法的实际运用中，并不需要如此多的样本点。而且基于多项式时间复杂度的BM算法计算候选不变式，对比模板方法应用量词消去、多项式理想的Grobner基以及参系数半代数系统等双指数时间复杂度的方法求解约束问题，本算法具有更高的效率。

Claims (5)

1.一种Solidity智能合约性能静态分析方法，其特征在于，所述分析方法具体包括如下步骤：
(1)输入Solidity智能合约，对所述Solidity智能合约性能分析的函数进行分片，提取出完整的程序片段。
(2)根据步骤(1)所述完整的程序片段，建立符号计算模型。
(3)根据步骤(2)所述符号计算模型，计算出GAS消耗公式，并输出化简后的GAS公式。
2.根据权利要求1所述Solidity智能合约性能静态分析方法，其特征在于，步骤(1)还包括以下子步骤：
(1)对输入的Solidity智能合约进行语法分析，建立语法树；
(2)根据所述语法树，建立Solidity系统依赖图；
(3)使用分片算法对所述Solidity系统依赖图进行分片，提取出完整的程序片段。
3.根据权利要求1所述Solidity智能合约性能静态分析方法，其特征在于，步骤(2)具体为：
(1)根据Solidity编译器的编译原理，将所述完整的程序片段转化为EVM虚拟机的执行码(或称汇编指令)程序；
(2)根据所述执行码程序所消耗的GAS大小对照表，将所述执行码程序转化为GAS累加的符号计算表达式，生成循环不变式。对于所述执行码程序中包含多项式循环的情形，自动生成循环不变式；对于所述执行码程序中包含非线性循环的情形，人工辅助添加循环不变式。
4.根据权利要求1所述Solidity智能合约性能静态分析方法，其特征在于，步骤(3)具体为：
(1)对于所述执行码程序中包含循环的情形，将循环赋值语句表示为程序变量关于循环次数的一阶常系数差分方程组，求出差分方程组的闭形式解，然后将所述闭形式解代入循环条件，得到与循环次数相关的循环GAS消耗计算表达式；对于所述执行码程序中包含逻辑控制的情形，将逻辑控制语句转化为含相关变量符号的齐次多项式，作为GAS消耗计算表达式。
(2)根据符号计算方法，依次累计所述切片中所有GAS消耗计算公式，得到最终的GAS消耗计算公式，化简输出GAS公式。
5.根据权利要求4所述Solidity智能合约性能静态分析方法，其特征在于，所述符号计算方法具体为：
(1)输入多项式循环程序P、程序变量个数m、多项式不变式的次数上界U。
(2)初始化LoopInv为空。
(3)将所述多项式循环程序P用多项式变迁系统T表示，其中T由V、L、Y、l0、O组成，V表示变量集合，L表示有限位置集合，Y表示状态变迁集合，l0表示初始位置，O表示初始条件。
(4)根据步骤3的所述多项式循环程序P得到样本点集合S。
(5)通过BM算法，在分次字典序下，计算出所述样本点集合S消去理想的Grobner基I(S)＝<p1,p2,…ps>，并计算出I(S)中所有多项式p1,p2,…,ps的最低次数，将pi＝0作为所述多项式循环程序P的候选不变式，其中i＝1,2,…s。
(6)验证所述候选不变式：如果pi(V)|pi(V’)成立，则将LoopInv赋值为LoopInv^pi。
(7)重复步骤6直至i>s，生成所述多项式循环程序P的循环不变式。
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