万维大讲堂 | 如何在万维链上打造可升级智能合约

写在前面

Wanchain作为一条着力打造分布式金融基础设施的跨链公链，在跨链协议、跨链标准制定、PoS机制研究、随机数生成、dApp应用场景、行业解决方案、合约设计模式等诸多方面，万维链团队有着扎实的理论基础和丰富的实践经验。秉承兼容并包的区块链精神，Wanchain团队开办“万维区块链知识大讲堂”栏目，凭借团队的技术积淀，由团队技术大咖亲自执笔，定期为整个行业贡献有趣、有价值、有意义的内容输出，为业内业外的普通用户和专业用户抛砖引玉，让万维链和社区全体成员、和整个行业共同进步。

万维区块链知识大讲堂之智能合约篇：如何在Wanchain上打造可升级智能合约？由Wanchain技术团队研发总监Gabriel Guo为大家徐徐道来如何创建数据和逻辑分离、数据结构可扩展的可升级智能合约。

正文

一、合约升级面临的问题

Wanchain的智能合约使用的是solidity语言，用过solidity语言的人都知道，如果智能合约有bug或者需要扩展新的特性，将是一个巨大的挑战。源码本身的修改程序员都能搞定，最大的挑战是solidity每次部署合约后，合约地址都会改变，这样就面临很多棘手的问题：

所有的用到了该合约的DApps都需要修改合约地址来适配新的合约
链上合约里的数据要迁移到新的合约里面，一般会对旧合约做快照，然后把数据导入到新合约中。这种方式的不足之处在于工作量大，需要脚本扫链，很容易出错。一旦出错，后果可能是无法承担的

因此，程序员就自然而然的思考能不能打造一种可升级的智能合约架构呢？答案是肯定的，本文将详细阐述如何做到这一点。

二、合约数据与逻辑分离的方法及技巧

要打造可升级的智能合约架构，就必须做到数据和逻辑分离。数据保存在一个合约里面，该合约保持稳定，避免升级；逻辑保存在另外一个合约里面，该合约可以升级。毕竟每次升级都是修改的代码逻辑。这样的设计，正好完美的解决了上面提到的第二个痛点。

图 1 合约数据和逻辑分离示意图

如图 1所示，Data合约和Logical合约A开发完成，部署到链上，Logical合约A需要用到的数据都通过合约间调用存储在Data合约里面。两个合约形成了一个整体服务。DApps只需要调用Logical合约A的ABI（应用程序二进制接口）。突然有一天发现了严重的bug，于是修复完bug后，部署Logical合约B到链上，修改DApps指向新的Logical合约B，从而达到了升级合约的目的，完美的避免了数据的迁移。

有细心的程序员这时候会提出质疑，上述方法虽然能解决数据迁移的痛点，但是要修改所有使用该智能合约的DApps，还是非常的麻烦。那么别着急，下面介绍一种更高级的数据和逻辑分离的方法，同时解决上述的两个痛点。

在开始介绍新的方法之前，要引入一种solidity里面的概念：delegate call。Solidity提供了几种合约之间调用的方法，最常用的是call()，大部分合约都是使用的call()。现在说的是不太常见的delegatecall()，这里只是简单的说明一下call()和delegatecall()的区别，详细的介绍请大家自行Google。

图 2 call流程图

图 3 delegatecall流程图

如图 2所示，是典型的call()调用，重点关注两个合约的上下文。Caller合约的msg.sender和msg.value都是用户（EOA）发送的交易中的数据。Target合约的上下文变了，msg.sender和msg.value变成了Caller合约的交易数据，不再是用户（EOA）的了。这个还是很好理解的。

我们再看图 3，Caller合约跟图 2没有差别，但Target的msg.sender和msg.value居然还是用户（EOA）的交易数据，很神奇。这就是delegatecall()跟call()的本质区别，delegatecall()并不会切换合约的上下文，也就是Target合约使用的是Caller的存储空间，修改的也是Caller的存储空间。

图 4 代理合约和逻辑合约示意图

言归正传，我们回到如何打造可升级智能合约这个话题上来。如图 4所示，我们使用一个Proxy合约来存储数据，Proxy合约使用delegatecall去调用Logical合约A。这样一来，Logical合约A读取和写入的数据都是在Proxy合约里面。升级合约也变得简单起来。部署完Logical合约B后，只需要发一条交易到Proxy，修改Proxy指向新的Logical合约B即可。此升级过程对DApps透明，DApps完全感知不到合约进行了升级，于是完美解决了本文开头提到的两个痛点，既不要升级DApps，也不需要进行数据迁移。

这个时候，挑剔的程序员可能会提出新的挑战，如果要新增特性，需要修改数据结构怎么办？上面说到的只是修改逻辑，而现实中修改数据结构也是很常见的需求。这个也是有办法解决的，就是在设计数据结构的时候全部用Key-Value的Map数据结构，这种结构的好处是原则上可以无限扩展。当需要保存新的数据，只要重新定义一个新的Key就可以了。这样做的代价就是代码的可读性下降不少，本来一些可以用结构体很容易做到的，却要生生拆成Key-Value的Map数据。所以我的建议是可以使用折中方案，就是开发第一版的时候还是使用常见的数据结构，可读性好，开发周期也短一些。但同时定义一些常见类型的Key-Value的Map用于扩展。当升级合约的时候需要新增数据，就使用这些预留好的Map去扩展，毕竟这样的需求并不是那么常见。

最后需要提醒一下程序员，使用Proxy-Delegate的架构实现可升级智能合约，是有约束条件的，就是Proxy和Delegate合约的状态变量的定义要保持一致，顺序也要保持一致。切记切记，否则出现问题是很难调试的。

三、Wanchain智能合约实例

到此为止，相信程序员已经知道如何去设计自己的可升级solidity智能合约了。但还是需要实践才能领悟得更深刻。Wanchain的EOS跨链智能合约用的就是Proxy-Delegate架构，可以作为很好的参考。

https://github.com/wanchain/wanchain-crosschain-contracts/tree/eos-wan-cross/eos-wan-cross/solidity/contracts

四、Proxy合约模板

pragma solidity ^0.4.24;

contract Proxy {
address public owner;
    event Upgraded(address indexed implementation);
    address internal _implementation;

    constructor() public {
      owner = msg.sender;
}

    modifier onlyOwner() {
    require(msg.sender == owner, "Not owner");
    _;
}
    function implementation() public view returns (address) {
        return _implementation;
}

    function upgradeTo(address impl) public onlyOwner {
        require(impl != address(0), "Cannot upgrade to invalid address");
        require(impl != _implementation, "Cannot upgrade to the same implementation");
        _implementation = impl;
        emit Upgraded(impl);
}

    function () external payable {
        address _impl = _implementation;
        require(_impl != address(0), "implementation contract not set");

        assembly {
            let ptr := mload(0x40)
            calldatacopy(ptr, 0, calldatasize)
            let result := delegatecall(gas, _impl, ptr, calldatasize, 0, 0)
            let size := returndatasize
            returndatacopy(ptr, 0, size)

            switch result
            case 0 { revert(ptr, size) }
            default { return(ptr, size) }
        }
    }
}

关于Wanchain

Wanchain，中文名万维链，聚焦于跨链机制的研发，通过构建具有跨链能力的分布式金融基础设施来实现万链互联的宏伟目标。截至目前，Wanchain已成功跨链集成比特币、以太坊、EOS以及以太坊和EOS上的生态代币，并设计提出了通用跨链框架T-Bridge，旨在实现资产和数据在不同公链和联盟链间的自由流转。在共识机制方面，Wanchain设计并上线了拥有完整委托机制的实用PoS共识协议，即星系共识。不论是跨链机制，还是共识协议，Wanchain一直处于行业的领先位置。扫描关注微信公众号万维链(id: WanchainCN)，获取更多信息。