WTF Opcodes极简入门: 6. 位级指令
我最近在重新学以太坊opcodes，也写一个“WTF EVM Opcodes极简入门”，供小白们使用。
所有代码和教程开源在github: github.com/WTFAcademy/WTF-Opcodes
这一讲，我们将介绍EVM中用于位级运算的8个指令，包括AND（与），OR（或），和XOR（异或）。并且，我们将在用Python写的极简版EVM中添加对他们的支持。
AND (与)
AND指令从堆栈中弹出两个元素，对它们进行位与运算，并将结果推入堆栈。操作码是0x16，gas消耗为3。
我们将AND指令的实现添加到我们的EVM模拟器中：
def and_op(self):
if len(self.stack) < 2:
raise Exception('Stack underflow')
a = self.stack.pop()
b = self.stack.pop()
self.stack.append(a & b)
我们在run()函数中添加对AND指令的处理：
def run(self):
while self.pc < len(self.code):
op = self.next_instruction()
# ... 其他指令的处理 ...
elif op == AND: # 处理AND指令
self.and_op()
现在，我们可以尝试运行一个包含AND指令的字节码：0x6002600316（PUSH1 2 PUSH1 3 AND）。这个字节码将2（0000 0010）和3（0000 0011）推入堆栈，然后进行位级与运算，结果应该为2（0000 0010）。
code = b"\x60\x02\x60\x03\x16"
evm = EVM(code)
evm.run()
print(evm.stack)
# output: [2]
OR (或)
OR指令与AND指令类似，但执行的是位或运算。操作码是0x17，gas消耗为3。
我们将OR指令的实现添加到EVM模拟器：
def or_op(self):
if len(self.stack) < 2:
raise Exception('Stack underflow')
a = self.stack.pop()
b = self.stack.pop()
self.stack.append(a | b)
我们在run()函数中添加对OR指令的处理：
def run(self):
while self.pc < len(self.code):
op = self.next_instruction()
# ... 其他指令的处理 ...
elif op == OR: # 处理OR指令
self.or_op()
现在，我们可以尝试运行一个包含OR指令的字节码：0x6002600317（PUSH1 2 PUSH1 3 OR）。这个字节码将2（0000 0010）和3（0000 0011）推入堆栈，然后进行位级与运算，结果应该为3（0000 0011）。
code = b"\x60\x02\x60\x03\x17"
evm = EVM(code)
evm.run()
print(evm.stack)
# output: [3]
XOR (异或)
XOR指令与AND和OR指令类似，但执行的是异或运算。操作码是0x18，gas消耗为3。
我们将XOR指令的实现添加到EVM模拟器：
def xor_op(self):
if len(self.stack) < 2:
raise Exception('Stack underflow')
a = self.stack.pop()
b = self.stack.pop()
self.stack.append(a ^ b)
我们在run()函数中添加对XOR指令的处理：
def run(self):
while self.pc < len(self.code):
op = self.next_instruction()
# ... 其他指令的处理 ...
elif op == XOR: # 处理XOR指令
self.xor_op()
现在，我们可以尝试运行一个包含XOR指令的字节码：0x6002600318（PUSH1 2 PUSH1 3 XOR）。这个字节码将2（0000 0010）和3（0000 0011）推入堆栈，然后进行位级与运算，结果应该为1（0000 0001）。
code = b"\x60\x02\x60\x03\x18"
evm = EVM(code)
evm.run()
print(evm.stack)
# output: [1]
NOT
NOT 指令执行按位非操作，取栈顶元素的补码，然后将结果推回栈顶。它的操作码是0x19，gas消耗为3。
我们将NOT指令的实现添加到EVM模拟器：
def not_op(self):
if len(self.stack) < 1:
raise Exception('Stack underflow')
a = self.stack.pop()
self.stack.append(~a % (2**256)) # 按位非操作的结果需要模2^256，防止溢出
在run()函数中添加对NOT指令的处理：
elif op == NOT: # 处理NOT指令
self.not_op()
现在，我们可以尝试运行一个包含NOT指令的字节码：0x600219（PUSH1 2 NOT）。这个字节码将2（0000 0010）推入堆栈，然后进行位级非运算，结果应该为很大的数（0xfffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffd）。
# NOT
code = b"\x60\x02\x19"
evm = EVM(code)
evm.run()
print(evm.stack)
# output: [很大的数] (fffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffd)
SHL
SHL指令执行左移位操作，从堆栈中弹出两个元素，将第二个元素左移第一个元素位数，然后将结果推回栈顶。它的操作码是0x1B，gas消耗为3。
我们将SHL指令的实现添加到EVM模拟器：
def shl(self):
if len(self.stack) < 2:
raise Exception('Stack underflow')
a = self.stack.pop()
b = self.stack.pop()
self.stack.append((b << a) % (2**256)) # 左移位操作的结果需要模2^256
在run()函数中添加对SHL指令的处理：
elif op == SHL: # 处理SHL指令
self.shl()
现在，我们可以尝试运行一个包含XOR指令的字节码：0x600260031B（PUSH1 2 PUSH1 3 SHL）。这个字节码将2（0000 0010）和3（0000 0011）推入堆栈，然后将2左移3位，结果应该为16（0001 0000）。
code = b"\x60\x02\x60\x03\x1B"
evm = EVM(code)
evm.run()
print(evm.stack)
# output: [16] (0x000000010 << 3 => 0x00010000)
SHR
SHR指令执行右移位操作，从堆栈中弹出两个元素，将第二个元素右移第一个元素位数，然后将结果推回栈顶。它的操作码是0x1C，gas消耗为3。
我们将SHR指令的实现添加到EVM模拟器：
def shr(self):
if len(self.stack) < 2:
raise Exception('Stack underflow')
a = self.stack.pop()
b = self.stack.pop()
self.stack.append(b >> a) # 右移位操作
在run()函数中添加对SHR指令的处理：
elif op == SHR: # 处理SHR指令
self.shr()
现在，我们可以尝试运行一个包含XOR指令的字节码：0x601060031C（PUSH1 16 PUSH1 3 SHL）。这个字节码将16（0001 0000）和3（0000 0011）推入堆栈，然后将16右移3位，结果应该为2（0000 0010）。
code = b"\x60\x10\x60\x03\x1C"
evm = EVM(code)
evm.run()
print(evm.stack)
# output: [2] (0x00010000 >> 3 => 0x000000010)
其他位级指令
BYTE:
BYTE指令从堆栈中弹出两个元素（a和b），将第二个元素（b）看作一个字节数组，并返回该字节数组中第一个元素指定索引的字节（b[a]），并压入堆栈。如果索引大于或等于字节数组的长度，则返回0。操作码是0x1a，gas消耗为3。def byte_op(self):
if len(self.stack) < 2:
raise Exception('Stack underflow')
position = self.stack.pop()
value = self.stack.pop()
if position >= 32:
res = 0
else:
res = (value // pow(256, 31 - position)) & 0xFF
self.stack.append(res)
SAR:
SAR指令执行算术右移位操作，与SHR类似，但考虑符号位：如果我们对一个负数进行算术右移，那么在右移的过程中，最左侧（符号位）会被填充F以保持数字的负值。它从堆栈中弹出两个元素，将第二个元素以符号位填充的方式右移第一个元素位数，然后将结果推回栈顶。它的操作码是0x1D。由于Python的>>操作符已经是算术右移，我们可以直接复用shr函数的代码。def sar(self):
if len(self.stack) < 2:
raise Exception('Stack underflow')
a = self.stack.pop()
b = self.stack.pop()
self.stack.append(b >> a) # 右移位操作
总结
这一讲，我们介绍了EVM中的8个位级指令，并在极简版EVM中添加了对他们的支持。课后习题: 写出0x6002600160011B1B对应的指令形式，并给出运行后的堆栈状态。