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WTF Solidity极简入门: 57. 闪电贷

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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“闪电贷攻击”这个词大家一定听说过，但是什么是闪电贷？如何编写闪电贷合约？这一讲，我们将介绍区块链中的闪电贷，实现基于Uniswap V2，Uniswap V3，和AAVE V3的闪电贷合约，并使用Foundry进行测试。

闪电贷​

你第一次听说"闪电贷"一定是在Web3，因为Web2没有这个东西。闪电贷（Flashloan）是DeFi的一种创新，它允许用户在一个交易中借出并迅速归还资金，而无需提供任何抵押。

想象一下，你突然在市场中发现了一个套利机会，但是需要准备100万u的资金才能完成套利。在Web2，你去银行申请贷款，需要审批，很可能错过套利的机会。另外，如果套利失败，你不光要支付利息，还需要归还损失的本金。

而在Web3，你可以在DeFI平台（Uniswap，AAVE，Dodo）中进行闪电贷获取资金，就可以在无担保的情况下借100万u的代币，执行链上套利，最后再归还贷款和利息。

闪电贷利用了以太坊交易的原子性：一个交易（包括其中的所有操作）要么完全执行，要么完全不执行。如果一个用户尝试使用闪电贷并在同一个交易中没有归还资金，那么整个交易都会失败并被回滚，就像它从未发生过一样。因此，DeFi平台不需要担心借款人还不上款，因为还不上的话就意味着钱没借出去；同时，借款人也不用担心套利不成功，因为套利不成功的话就还不上款，也就意味着借钱没成功。

闪电贷实战​

下面，我们分别介绍如何在Uniswap V2，Uniswap V3，和AAVE V3的实现闪电贷合约。

1. Uniswap V2闪电贷​

Uniswap V2 Pair合约的swap()函数支持闪电贷。与闪电贷业务相关的代码如下：

function swap(uint amount0Out, uint amount1Out, address to, bytes calldata data) external lock {
    // 其他逻辑...

    // 乐观的发送代币到to地址
    if (amount0Out > 0) _safeTransfer(_token0, to, amount0Out);
    if (amount1Out > 0) _safeTransfer(_token1, to, amount1Out);

    // 调用to地址的回调函数uniswapV2Call
    if (data.length > 0) IUniswapV2Callee(to).uniswapV2Call(msg.sender, amount0Out, amount1Out, data);

    // 其他逻辑...

    // 通过k=x*y公式，检查闪电贷是否归还成功
    require(balance0Adjusted.mul(balance1Adjusted) >= uint(_reserve0).mul(_reserve1).mul(1000**2), 'UniswapV2: K');
}

在swap()函数中：

  1. 先将池子中的代币乐观的转移给了to地址。
  2. 如果传入的data长度大于0，就会调用to地址的回调函数uniswapV2Call，执行闪电贷逻辑。
  3. 最后通过k=x*y检查闪电贷是否归还成功，如果不成功，则回滚交易。

下面，我们完成闪电贷合约UniswapV2Flashloan.sol。我们让它继承IUniswapV2Callee，并将闪电贷的核心逻辑写在回调函数uniswapV2Call中。

整体逻辑很简单，在闪电贷函数flashloan()中，我们从Uniswap V2的WETH-DAI池子借WETH。触发闪电贷之后，回调函数uniswapV2Call会被Pair合约调用，我们不进行套利，仅在计算利息后归还闪电贷。Uniswap V2闪电贷的利息为每笔0.3%。

注意：回调函数一定要做好权限控制，确保只有Uniswap的Pair合约可以调用，否则的话合约中的资金会被黑客盗光。

// SPDX-License-Identifier: MIT
pragma solidity ^0.8.20;

import "./Lib.sol";

// UniswapV2闪电贷回调接口
interface IUniswapV2Callee {
    function uniswapV2Call(address sender, uint amount0, uint amount1, bytes calldata data) external;
}

// UniswapV2闪电贷合约
contract UniswapV2Flashloan is IUniswapV2Callee {
    address private constant UNISWAP_V2_FACTORY =
        0x5C69bEe701ef814a2B6a3EDD4B1652CB9cc5aA6f;

    address private constant DAI = 0x6B175474E89094C44Da98b954EedeAC495271d0F;
    address private constant WETH = 0xC02aaA39b223FE8D0A0e5C4F27eAD9083C756Cc2;

    IUniswapV2Factory private constant factory = IUniswapV2Factory(UNISWAP_V2_FACTORY);

    IERC20 private constant weth = IERC20(WETH);

    IUniswapV2Pair private immutable pair;

    constructor() {
        pair = IUniswapV2Pair(factory.getPair(DAI, WETH));
    }

    // 闪电贷函数
    function flashloan(uint wethAmount) external {
        // calldata长度大于1才能触发闪电贷回调函数
        bytes memory data = abi.encode(WETH, wethAmount);

        // amount0Out是要借的DAI, amount1Out是要借的WETH
        pair.swap(0, wethAmount, address(this), data);
    }

    // 闪电贷回调函数，只能被 DAI/WETH pair 合约调用
    function uniswapV2Call(
        address sender,
        uint amount0,
        uint amount1,
        bytes calldata data
    ) external {
        // 确认调用的是 DAI/WETH pair 合约
        address token0 = IUniswapV2Pair(msg.sender).token0(); // 获取token0地址
        address token1 = IUniswapV2Pair(msg.sender).token1(); // 获取token1地址
        assert(msg.sender == factory.getPair(token0, token1)); // ensure that msg.sender is a V2 pair

        // 解码calldata
        (address tokenBorrow, uint256 wethAmount) = abi.decode(data, (address, uint256));

        // flashloan 逻辑，这里省略
        require(tokenBorrow == WETH, "token borrow != WETH");

        // 计算flashloan费用
        // fee / (amount + fee) = 3/1000
        // 向上取整
        uint fee = (amount1 * 3) / 997 + 1;
        uint amountToRepay = amount1 + fee;

        // 归还闪电贷
        weth.transfer(address(pair), amountToRepay);
    }
}

Foundry测试合约UniswapV2Flashloan.t.sol：

// SPDX-License-Identifier: MIT
pragma solidity ^0.8.20;

import "forge-std/Test.sol";
import "../src/UniswapV2Flashloan.sol";

address constant WETH = 0xC02aaA39b223FE8D0A0e5C4F27eAD9083C756Cc2;

contract UniswapV2FlashloanTest is Test {
    IWETH private weth = IWETH(WETH);

    UniswapV2Flashloan private flashloan;

    function setUp() public {
        flashloan = new UniswapV2Flashloan();
    }

    function testFlashloan() public {
        // 换weth，并转入flashloan合约，用做手续费
        weth.deposit{value: 1e18}();
        weth.transfer(address(flashloan), 1e18);
        // 闪电贷借贷金额
        uint amountToBorrow = 100 * 1e18;
        flashloan.flashloan(amountToBorrow);
    }

    // 手续费不足，会revert
    function testFlashloanFail() public {
        // 换weth，并转入flashloan合约，用做手续费
        weth.deposit{value: 1e18}();
        weth.transfer(address(flashloan), 3e17);
        // 闪电贷借贷金额
        uint amountToBorrow = 100 * 1e18;
        // 手续费不足
        vm.expectRevert();
        flashloan.flashloan(amountToBorrow);
    }
}

在测试合约中，我们分别测试了手续费充足和不足的情况，你可以在安装Foundry后使用下面的命令行进行测试（你可以将RPC换成其他以太坊RPC）：

FORK_URL=https://singapore.rpc.blxrbdn.com
forge test  --fork-url $FORK_URL --match-path test/UniswapV2Flashloan.t.sol -vv

2. Uniswap V3闪电贷​

与Uniswap V2在swap()交换函数中间接支持闪电贷不同，Uniswap V3在Pool池合约中加入了flash()函数直接支持闪电贷，核心代码如下：

function flash(
    address recipient,
    uint256 amount0,
    uint256 amount1,
    bytes calldata data
) external override lock noDelegateCall {
    // 其他逻辑...

    // 乐观的发送代币到to地址
    if (amount0 > 0) TransferHelper.safeTransfer(token0, recipient, amount0);
    if (amount1 > 0) TransferHelper.safeTransfer(token1, recipient, amount1);

    // 调用to地址的回调函数uniswapV3FlashCallback
    IUniswapV3FlashCallback(msg.sender).uniswapV3FlashCallback(fee0, fee1, data);

    // 检查闪电贷是否归还成功
    uint256 balance0After = balance0();
    uint256 balance1After = balance1();
    require(balance0Before.add(fee0) <= balance0After, 'F0');
    require(balance1Before.add(fee1) <= balance1After, 'F1');

    // sub is safe because we know balanceAfter is gt balanceBefore by at least fee
    uint256 paid0 = balance0After - balance0Before;
    uint256 paid1 = balance1After - balance1Before;

    // 其他逻辑...
}

下面，我们完成闪电贷合约UniswapV3Flashloan.sol。我们让它继承IUniswapV3FlashCallback，并将闪电贷的核心逻辑写在回调函数uniswapV3FlashCallback中。

整体逻辑与V2的类似，在闪电贷函数flashloan()中，我们从Uniswap V3的WETH-DAI池子借WETH。触发闪电贷之后，回调函数uniswapV3FlashCallback会被Pool合约调用，我们不进行套利，仅在计算利息后归还闪电贷。Uniswap V3每笔闪电贷的手续费与交易手续费一致。

注意：回调函数一定要做好权限控制，确保只有Uniswap的Pair合约可以调用，否则的话合约中的资金会被黑客盗光。

// SPDX-License-Identifier: MIT
pragma solidity ^0.8.20;

import "./Lib.sol";

// UniswapV3闪电贷回调接口
// 需要实现并重写uniswapV3FlashCallback()函数
interface IUniswapV3FlashCallback {
    /// 在实现中，你必须偿还池中由 flash 发送的代币及计算出的费用金额。
    /// 调用此方法的合约必须经由官方 UniswapV3Factory 部署的 UniswapV3Pool 检查。
    /// @param fee0 闪电贷结束时，应支付给池的 token0 的费用金额
    /// @param fee1 闪电贷结束时，应支付给池的 token1 的费用金额
    /// @param data 通过 IUniswapV3PoolActions#flash 调用由调用者传递的任何数据
    function uniswapV3FlashCallback(
        uint256 fee0,
        uint256 fee1,
        bytes calldata data
    ) external;
}

// UniswapV3闪电贷合约
contract UniswapV3Flashloan is IUniswapV3FlashCallback {
    address private constant UNISWAP_V3_FACTORY = 0x1F98431c8aD98523631AE4a59f267346ea31F984;

    address private constant DAI = 0x6B175474E89094C44Da98b954EedeAC495271d0F;
    address private constant WETH = 0xC02aaA39b223FE8D0A0e5C4F27eAD9083C756Cc2;
    uint24 private constant poolFee = 3000;

    IERC20 private constant weth = IERC20(WETH);
    IUniswapV3Pool private immutable pool;

    constructor() {
        pool = IUniswapV3Pool(getPool(DAI, WETH, poolFee));
    }

    function getPool(
        address _token0,
        address _token1,
        uint24 _fee
    ) public pure returns (address) {
        PoolAddress.PoolKey memory poolKey = PoolAddress.getPoolKey(
            _token0,
            _token1,
            _fee
        );
        return PoolAddress.computeAddress(UNISWAP_V3_FACTORY, poolKey);
    }

    // 闪电贷函数
    function flashloan(uint wethAmount) external {
        bytes memory data = abi.encode(WETH, wethAmount);
        IUniswapV3Pool(pool).flash(address(this), 0, wethAmount, data);
    }

    // 闪电贷回调函数，只能被 DAI/WETH pair 合约调用
    function uniswapV3FlashCallback(
        uint fee0,
        uint fee1,
        bytes calldata data
    ) external {
        // 确认调用的是 DAI/WETH pair 合约
        require(msg.sender == address(pool), "not authorized");
        
        // 解码calldata
        (address tokenBorrow, uint256 wethAmount) = abi.decode(data, (address, uint256));

        // flashloan 逻辑，这里省略
        require(tokenBorrow == WETH, "token borrow != WETH");

        // 归还闪电贷
        weth.transfer(address(pool), wethAmount + fee1);
    }
}

Foundry测试合约UniswapV3Flashloan.t.sol：

// SPDX-License-Identifier: MIT
pragma solidity ^0.8.20;

import {Test, console2} from "forge-std/Test.sol";
import "../src/UniswapV3Flashloan.sol";

address constant WETH = 0xC02aaA39b223FE8D0A0e5C4F27eAD9083C756Cc2;

contract UniswapV2FlashloanTest is Test {
    IWETH private weth = IWETH(WETH);

    UniswapV3Flashloan private flashloan;

    function setUp() public {
        flashloan = new UniswapV3Flashloan();
    }

    function testFlashloan() public {
        // 换weth，并转入flashloan合约，用做手续费
        weth.deposit{value: 1e18}();
        weth.transfer(address(flashloan), 1e18);
                
        uint balBefore = weth.balanceOf(address(flashloan));
        console2.logUint(balBefore);
        // 闪电贷借贷金额
        uint amountToBorrow = 1 * 1e18;
        flashloan.flashloan(amountToBorrow);
    }

    // 手续费不足，会revert
    function testFlashloanFail() public {
        // 换weth，并转入flashloan合约，用做手续费
        weth.deposit{value: 1e18}();
        weth.transfer(address(flashloan), 1e17);
        // 闪电贷借贷金额
        uint amountToBorrow = 100 * 1e18;
        // 手续费不足
        vm.expectRevert();
        flashloan.flashloan(amountToBorrow);
    }
}

在测试合约中，我们分别测试了手续费充足和不足的情况，你可以在安装Foundry后使用下面的命令行进行测试（你可以将RPC换成其他以太坊RPC）：

FORK_URL=https://singapore.rpc.blxrbdn.com
forge test  --fork-url $FORK_URL --match-path test/UniswapV3Flashloan.t.sol -vv

3. AAVE V3闪电贷​

AAVE是去中心的借贷平台，它的Pool合约通过flashLoan()和flashLoanSimple()两个函数支持单资产和多资产的闪电贷。这里，我们仅利用flashLoan()实现单个资产（WETH）的闪电贷。

下面，我们完成闪电贷合约AaveV3Flashloan.sol。我们让它继承IFlashLoanSimpleReceiver，并将闪电贷的核心逻辑写在回调函数executeOperation中。

整体逻辑与V2的类似，在闪电贷函数flashloan()中，我们从AAVE V3的WETH池子借WETH。触发闪电贷之后，回调函数executeOperation会被Pool合约调用，我们不进行套利，仅在计算利息后归还闪电贷。AAVE V3闪电贷的手续费默认为每笔0.05%，比Uniswap的要低。

注意：回调函数一定要做好权限控制，确保只有AAVE的Pool合约可以调用，并且发起者是本合约，否则的话合约中的资金会被黑客盗光。

// SPDX-License-Identifier: MIT
pragma solidity ^0.8.20;

import "./Lib.sol";

interface IFlashLoanSimpleReceiver {
    /**
    * @notice 在接收闪电借款资产后执行操作
    * @dev 确保合约能够归还债务 + 额外费用，例如，具有
    *      足够的资金来偿还，并已批准 Pool 提取总金额
    * @param asset 闪电借款资产的地址
    * @param amount 闪电借款资产的数量
    * @param premium 闪电借款资产的费用
    * @param initiator 发起闪电贷款的地址
    * @param params 初始化闪电贷款时传递的字节编码参数
    * @return 如果操作的执行成功则返回 True，否则返回 False
    */
    function executeOperation(
        address asset,
        uint256 amount,
        uint256 premium,
        address initiator,
        bytes calldata params
    ) external returns (bool);
}

// AAVE V3闪电贷合约
contract AaveV3Flashloan {
    address private constant AAVE_V3_POOL =
        0x87870Bca3F3fD6335C3F4ce8392D69350B4fA4E2;

    address private constant WETH = 0xC02aaA39b223FE8D0A0e5C4F27eAD9083C756Cc2;

    ILendingPool public aave;

    constructor() {
        aave = ILendingPool(AAVE_V3_POOL);
    }

    // 闪电贷函数
    function flashloan(uint256 wethAmount) external {
        aave.flashLoanSimple(address(this), WETH, wethAmount, "", 0);
    }

    // 闪电贷回调函数，只能被 pool 合约调用
    function executeOperation(address asset, uint256 amount, uint256 premium, address initiator, bytes calldata)
        external
        returns (bool)
    {   
        // 确认调用的是 DAI/WETH pair 合约
        require(msg.sender == AAVE_V3_POOL, "not authorized");
        // 确认闪电贷发起者是本合约
        require(initiator == address(this), "invalid initiator");

        // flashloan 逻辑，这里省略

        // 计算flashloan费用
        // fee = 5/1000 * amount
        uint fee = (amount * 5) / 10000 + 1;
        uint amountToRepay = amount + fee;

        // 归还闪电贷
        IERC20(WETH).approve(AAVE_V3_POOL, amountToRepay);

        return true;
    }
}

Foundry测试合约AaveV3Flashloan.t.sol：

// SPDX-License-Identifier: MIT
pragma solidity ^0.8.20;

import "forge-std/Test.sol";
import "../src/AaveV3Flashloan.sol";

address constant WETH = 0xC02aaA39b223FE8D0A0e5C4F27eAD9083C756Cc2;

contract UniswapV2FlashloanTest is Test {
    IWETH private weth = IWETH(WETH);

    AaveV3Flashloan private flashloan;

    function setUp() public {
        flashloan = new AaveV3Flashloan();
    }

    function testFlashloan() public {
        // 换weth，并转入flashloan合约，用做手续费
        weth.deposit{value: 1e18}();
        weth.transfer(address(flashloan), 1e18);
        // 闪电贷借贷金额
        uint amountToBorrow = 100 * 1e18;
        flashloan.flashloan(amountToBorrow);
    }

    // 手续费不足，会revert
    function testFlashloanFail() public {
        // 换weth，并转入flashloan合约，用做手续费
        weth.deposit{value: 1e18}();
        weth.transfer(address(flashloan), 4e16);
        // 闪电贷借贷金额
        uint amountToBorrow = 100 * 1e18;
        // 手续费不足
        vm.expectRevert();
        flashloan.flashloan(amountToBorrow);
    }
}

在测试合约中，我们分别测试了手续费充足和不足的情况，你可以在安装Foundry后使用下面的命令行进行测试（你可以将RPC换成其他以太坊RPC）：

FORK_URL=https://singapore.rpc.blxrbdn.com
forge test  --fork-url $FORK_URL --match-path test/AaveV3Flashloan.t.sol -vv

总结​

这一讲，我们介绍了闪电贷，它允许用户在一个交易中借出并迅速归还资金，而无需提供任何抵押。并且，我们分别实现了Uniswap V2，Uniswap V3，和AAVE的闪电贷合约。

通过闪电贷，我们能够无抵押的撬动海量资金进行无风险套利或漏洞攻击。你准备用闪电贷做些什么呢？