EVM並行化：解決以太坊性能瓶頸的關鍵

EVM作爲以太坊的執行引擎和智能合約運行環境，是其最核心的組件之一。爲了確保智能合約在不同節點上都能得到相同結果，滿足一致性要求，虛擬機技術成爲了最佳選擇。EVM能在不同操作系統和設備上以相同方式運行智能合約，保證了跨平台兼容性。

智能合約在上鏈前會被編譯爲EVM字節碼。EVM執行合約時，按順序讀取這些字節碼，每條指令都有相應的Gas成本。EVM會追蹤每條指令執行過程中的Gas消耗，消耗量取決於操作復雜度。

作爲核心執行引擎，EVM採用串行方式處理交易，所有交易在單一隊列中排隊並按確定順序執行。這種設計簡單易維護，但隨着用戶羣體擴大和技術發展，其性能瓶頸日益凸顯，尤其在Layer2中表現明顯。

對於Layer2的關鍵組件Sequencer來說，如果配套模塊效率足夠高，最終瓶頸將取決於Sequencer本身的效率。有團隊通過極致優化，使Sequencer每秒可執行約2000多筆ERC-20轉帳。但對於更復雜的交易，TPS勢必大幅下降。因此，交易處理的並行化成爲未來的必然趨勢。

以太坊交易執行的核心組件

除EVM外，另一個與交易執行密切相關的核心組件是stateDB，用於管理以太坊的帳戶狀態和數據存儲。以太坊使用Merkle Patricia Trie樹狀結構作爲數據庫索引。每次交易執行都會改變stateDB中的某些數據，這些變更最終反映在全局狀態樹中。

stateDB負責維護所有以太坊帳戶狀態，包括EOA帳戶和合約帳戶，存儲帳戶餘額、智能合約代碼等數據。交易執行過程中，stateDB會讀寫相應帳戶數據。交易執行結束後，stateDB將新狀態提交到底層數據庫中進行持久化。

總的來說，EVM負責解釋和執行智能合約指令，根據計算結果變更區塊鏈狀態，而stateDB則作爲全局狀態存儲，管理所有帳戶和合約的狀態變化。兩者協作構建了以太坊的交易執行環境。

串行執行的局限性

以太坊的交易分爲EOA轉帳和合約交易兩類。EOA轉帳是最簡單的交易類型，處理速度快，gas費低。而合約交易涉及智能合約的調用與執行，EVM需要逐條解釋和執行合約中的字節碼指令，復雜度和資源消耗都更高。

在串行執行模式下，區塊內的交易按先後順序逐筆處理。每筆交易都有獨立的EVM實例，但所有交易共用同一個stateDB。EVM在執行過程中需要不斷與stateDB交互，讀取數據並寫回變更後的結果。

這種串行執行模式的瓶頸顯而易見：交易必須排隊執行，如果出現耗時較長的智能合約交易，其他交易只能等待，無法充分利用硬件資源，效率受到較大限制。

EVM的多線程並行優化

爲了突破串行執行的限制，業界提出了EVM的多線程並行優化方案。這種方案類似於多個櫃臺同時服務的銀行，可以同時處理多筆交易，顯著提升效率。但並行執行面臨的主要挑戰是狀態衝突問題，需要採取特別措施來應對。

某項目對EVM的並行優化思路如下：

1. 設置多個線程同時處理不同交易，線程間互不幹擾。

2. 爲每個線程分配獨立的臨時狀態數據庫（pending-stateDB）。各線程執行交易時，將狀態變化暫時記錄在pending-stateDB中，而非直接修改全局stateDB。

3. 區塊內所有交易執行完畢後，將各pending-stateDB中的狀態變更依次同步到全局stateDB。如無衝突，可順利合並記錄。

該方案對讀寫操作進行了優化：

• 讀操作：先檢查Pending-state的ReadSet，如有所需數據直接讀取；否則從上一區塊的全局stateDB讀取歷史狀態。

• 寫操作：所有修改先記錄到Pending-state的WriteSet，待交易執行完成後再嘗試合並到全局stateDB。

爲解決狀態衝突問題，引入了衝突檢測機制：

• 監測不同交易的ReadSet和WriteSet，發現多個交易嘗試讀寫相同狀態項時視爲衝突。
• 標記衝突交易爲需要重新執行。

所有交易執行完成後，多個pending-stateDB中的變更記錄合並到全局stateDB。合並成功後，最終狀態提交到全局狀態樹，生成新的狀態根。

研究顯示，在低衝突工作負載中，並行執行的TPS相比傳統串行執行提升了3-5倍。在高衝突工作負載中，理論上充分優化後甚至可達60倍提升。

總結

EVM多線程並行優化方案通過爲每個交易分配臨時狀態庫，並在不同線程中並行執行交易，顯著提高了交易處理能力。通過優化讀寫操作和引入衝突檢測機制，在保證狀態一致性的前提下實現了交易的大規模並行化，解決了傳統串行執行模式的性能瓶頸。這爲以太坊Rollup的未來發展奠定了重要基礎。

未來還可進一步探索如何優化存儲效率、應對高衝突情況，以及借助GPU進行優化等方向，以進一步提升EVM的性能。