Hướng dẫn tối ưu Gas hợp đồng thông minh Ethereum

Chi phí Gas trên mạng chính của Ethereum luôn là một vấn đề nan giải, đặc biệt là khi mạng bị tắc nghẽn. Trong thời gian cao điểm, người dùng thường phải trả phí giao dịch đắt đỏ. Do đó, việc tối ưu hóa chi phí Gas trong giai đoạn phát triển hợp đồng thông minh trở nên vô cùng quan trọng. Tối ưu hóa mức tiêu thụ Gas không chỉ có thể giảm đáng kể chi phí giao dịch mà còn nâng cao hiệu quả giao dịch, mang lại cho người dùng trải nghiệm sử dụng blockchain kinh tế và hiệu quả hơn.

Bài viết này sẽ tóm tắt cơ chế phí Gas của Ethereum Virtual Machine (EVM), các khái niệm cốt lõi về tối ưu hóa phí Gas, cũng như các thực tiễn tốt nhất trong việc tối ưu hóa phí Gas khi phát triển hợp đồng thông minh. Hy vọng rằng những nội dung này có thể cung cấp cảm hứng và hỗ trợ thực tiễn cho các nhà phát triển, đồng thời cũng giúp người dùng thông thường hiểu rõ hơn về cách thức hoạt động của phí Gas trong EVM, cùng nhau đối mặt với những thách thức trong hệ sinh thái blockchain.

Giới thiệu về cơ chế phí Gas của EVM

Trong mạng tương thích EVM, "Gas" là đơn vị dùng để đo lường khả năng tính toán cần thiết để thực hiện các thao tác cụ thể.

Trong cấu trúc EVM, việc tiêu tốn Gas chủ yếu được chia thành ba phần: thực thi lệnh, gọi tin nhắn bên ngoài và đọc ghi bộ nhớ cũng như lưu trữ.

Do vì mỗi giao dịch đều cần tài nguyên tính toán để thực hiện, nên sẽ bị thu một khoản phí nhất định nhằm ngăn chặn vòng lặp vô hạn và từ chối dịch vụ (DoS) tấn công. Phí cần thiết để hoàn thành một giao dịch được gọi là "phí Gas".

Kể từ khi EIP-1559( phân tách cứng London ) có hiệu lực, phí Gas được tính theo công thức sau:

Gas phí = Số đơn vị Gas đã sử dụng * ( phí cơ bản + Phí ưu tiên )

Phí cơ bản sẽ bị tiêu hủy, phí ưu tiên sẽ được sử dụng như một động lực, khuyến khích các xác minh thêm giao dịch vào chuỗi khối. Đặt phí ưu tiên cao hơn khi gửi giao dịch có thể làm tăng khả năng giao dịch được đưa vào khối tiếp theo. Điều này tương tự như cách người dùng trả "tiền boa" cho các xác minh.

Hiểu về tối ưu hóa Gas trong EVM

Khi biên dịch hợp đồng thông minh bằng Solidity, hợp đồng sẽ được chuyển đổi thành một loạt "mã thao tác", tức là opcodes.

Bất kỳ đoạn mã nào ( chẳng hạn như tạo hợp đồng, thực hiện gọi tin nhắn, truy cập lưu trữ tài khoản và thực hiện các thao tác trên máy ảo ) đều có một chi phí tiêu tốn Gas đã được công nhận, những chi phí này được ghi lại trong sách vàng Ethereum.

Sau nhiều lần sửa đổi EIP, một số mã thao tác đã được điều chỉnh chi phí Gas, có thể khác với trong sách vàng.

Khái niệm cơ bản về tối ưu hóa Gas

Ý tưởng cốt lõi của việc tối ưu hóa Gas là ưu tiên lựa chọn các thao tác có chi phí hiệu quả cao trên blockchain EVM, tránh các thao tác có chi phí Gas đắt đỏ.

Trong EVM, các thao tác sau có chi phí thấp hơn:

• Đọc và ghi biến trong bộ nhớ
• Đọc hằng số và biến không thay đổi
• Đọc và ghi biến cục bộ
• Đọc biến calldata, ví dụ mảng và cấu trúc calldata
• Gọi hàm nội bộ

Các hoạt động có chi phí cao bao gồm:

• Đọc và ghi các biến trạng thái được lưu trữ trong hợp đồng thông minh
• Gọi hàm bên ngoài
• Hoạt động vòng lặp

Thực hành tối ưu hóa chi phí Gas EVM tốt nhất

Dựa trên các khái niệm cơ bản ở trên, chúng tôi đã tổng hợp một danh sách các thực tiễn tối ưu hóa phí Gas cho cộng đồng nhà phát triển. Bằng cách tuân theo những thực tiễn này, các nhà phát triển có thể giảm thiểu mức tiêu thụ phí Gas của hợp đồng thông minh, giảm chi phí giao dịch và tạo ra các ứng dụng hiệu quả hơn, thân thiện với người dùng.

1. Cố gắng giảm thiểu việc sử dụng lưu trữ

Trong Solidity, Storage( là một tài nguyên hạn chế, việc tiêu tốn Gas của nó cao hơn nhiều so với Memory). Mỗi khi hợp đồng thông minh đọc hoặc ghi dữ liệu từ lưu trữ, sẽ phát sinh chi phí Gas cao.

Theo định nghĩa trong sách trắng Ethereum, chi phí cho các thao tác lưu trữ cao hơn hơn 100 lần so với các thao tác bộ nhớ. Ví dụ, các lệnh OPcodesmload và mstore chỉ tiêu tốn 3 đơn vị Gas, trong khi các thao tác lưu trữ như sload và sstore, ngay cả trong điều kiện lý tưởng nhất, cũng cần ít nhất 100 đơn vị.

Các phương pháp giới hạn việc sử dụng lưu trữ bao gồm:

• Lưu trữ dữ liệu không cố định trong bộ nhớ
• Giảm số lần sửa đổi lưu trữ: Bằng cách giữ kết quả trung gian trong bộ nhớ, sau khi tất cả các phép tính hoàn thành, sau đó phân bổ kết quả cho các biến lưu trữ.

( 2. Đóng gói biến

Số lượng storage slot) được sử dụng trong hợp đồng thông minh và cách mà các nhà phát triển biểu diễn dữ liệu sẽ ảnh hưởng lớn đến mức tiêu thụ Gas.

Trình biên dịch Solidity sẽ đóng gói các biến lưu trữ liên tiếp trong quá trình biên dịch và sử dụng 32 byte làm đơn vị cơ bản để lưu trữ biến. Việc đóng gói biến có nghĩa là sắp xếp hợp lý các biến để nhiều biến có thể thích ứng vào một khe lưu trữ duy nhất.

Thông qua việc điều chỉnh chi tiết này, các nhà phát triển có thể tiết kiệm 20.000 đơn vị Gas ### để lưu trữ một khe lưu trữ chưa sử dụng cần tiêu tốn 20.000 Gas (, nhưng bây giờ chỉ cần hai khe lưu trữ.

Vì mỗi khe lưu trữ đều tiêu tốn Gas, việc đóng gói biến sẽ tối ưu hóa việc sử dụng Gas bằng cách giảm số lượng khe lưu trữ cần thiết.

![Gas tối ưu hóa hợp đồng thông minh Ethereum hàng đầu])https://img-cdn.gateio.im/webp-social/moments-995905cb414526d4d991899d0c2e6443.webp(

) 3. Tối ưu hóa loại dữ liệu

Một biến có thể được biểu diễn bằng nhiều kiểu dữ liệu khác nhau, nhưng chi phí thao tác tương ứng với các kiểu dữ liệu khác nhau cũng khác nhau. Lựa chọn kiểu dữ liệu phù hợp giúp tối ưu hóa việc sử dụng Gas.

Ví dụ, trong Solidity, số nguyên có thể được chia thành các kích thước khác nhau: uint8, uint16, uint32, v.v. Do EVM thực hiện các thao tác theo đơn vị 256 bit, việc sử dụng uint8 có nghĩa là EVM phải chuyển đổi nó thành uint256 trước, và quá trình chuyển đổi này sẽ tiêu tốn thêm Gas.

Xem riêng lẻ, việc sử dụng uint256 ở đây rẻ hơn uint8. Tuy nhiên, nếu sử dụng tối ưu hóa đóng gói biến mà chúng tôi đã đề xuất trước đó thì lại khác. Nếu các nhà phát triển có thể đóng gói bốn biến uint8 vào một khe lưu trữ, thì tổng chi phí để lặp qua chúng sẽ thấp hơn so với bốn biến uint256. Như vậy, hợp đồng thông minh có thể đọc và ghi một khe lưu trữ một lần, và đưa bốn biến uint8 vào bộ nhớ/lưu trữ trong một thao tác.

4. Sử dụng biến kích thước cố định thay thế biến động

Nếu dữ liệu có thể được kiểm soát trong 32 byte, nên sử dụng kiểu dữ liệu bytes32 thay cho bytes hoặc strings. Nói chung, các biến có kích thước cố định tiêu tốn ít Gas hơn các biến có kích thước thay đổi. Nếu độ dài byte có thể bị giới hạn, hãy cố gắng chọn chiều dài tối thiểu từ bytes1 đến bytes32.

5. Ánh xạ và mảng

Danh sách dữ liệu của Solidity có thể được biểu diễn bằng hai loại dữ liệu: mảng (Arrays) và ánh xạ ###Mappings(, nhưng cú pháp và cấu trúc của chúng hoàn toàn khác nhau.

Trong hầu hết các trường hợp, ánh xạ có hiệu suất cao hơn và chi phí thấp hơn, nhưng mảng có tính lặp lại và hỗ trợ đóng gói kiểu dữ liệu. Do đó, khuyến nghị nên ưu tiên sử dụng ánh xạ khi quản lý danh sách dữ liệu, trừ khi cần lặp lại hoặc có thể tối ưu hóa chi phí Gas thông qua việc đóng gói kiểu dữ liệu.

![Gas tối ưu hóa hợp đồng thông minh Ethereum: Mười thực tiễn tốt nhất])https://img-cdn.gateio.im/webp-social/moments-9c566626ab499ef65d6f5089a2876ad3.webp(

) 6. Sử dụng calldata thay vì memory

Các biến được khai báo trong tham số hàm có thể được lưu trữ trong calldata hoặc memory. Sự khác biệt chính giữa hai loại này là memory có thể được hàm sửa đổi, trong khi calldata là không thay đổi.

Hãy nhớ nguyên tắc này: nếu tham số của hàm là chỉ đọc, nên ưu tiên sử dụng calldata thay vì memory. Điều này có thể tránh được các thao tác sao chép không cần thiết từ calldata của hàm sang memory.

7. Cố gắng sử dụng từ khóa Constant/Immutable càng nhiều càng tốt.

Biến Constant/Immutable sẽ không được lưu trữ trong bộ nhớ của hợp đồng. Những biến này sẽ được tính toán trong thời gian biên dịch và lưu trữ trong mã byte của hợp đồng. Do đó, chi phí truy cập của chúng thấp hơn nhiều so với bộ nhớ, vì vậy nên sử dụng từ khóa Constant hoặc Immutable nếu có thể.

8. Sử dụng Unchecked khi đảm bảo không xảy ra tràn/thiếu.

Khi các nhà phát triển có thể xác định rằng các phép toán số học sẽ không dẫn đến tràn số hoặc thiếu số, họ có thể sử dụng từ khóa unchecked được giới thiệu trong Solidity v0.8.0 để tránh các kiểm tra tràn số hoặc thiếu số không cần thiết, từ đó tiết kiệm chi phí Gas.

Ngoài ra, các phiên bản biên dịch viên từ 0.8.0 trở lên không còn cần sử dụng thư viện SafeMath, vì biên dịch viên đã tích hợp sẵn chức năng bảo vệ tràn và thiếu.

9. Tối ưu hóa trình sửa đổi

Mã của bộ sửa đổi được nhúng vào hàm đã được sửa đổi, mỗi lần sử dụng bộ sửa đổi, mã của nó sẽ được sao chép. Điều này sẽ làm tăng kích thước bytecode và tăng mức tiêu thụ Gas.

Bằng cách cấu trúc lại logic thành hàm nội bộ _checkOwner(), cho phép việc sử dụng lại hàm nội bộ này trong bộ sửa đổi, có thể giảm kích thước bytecode và giảm chi phí Gas.

![Gas tối ưu cho hợp đồng thông minh Ethereum: Mười thực tiễn tốt nhất]###https://img-cdn.gateio.im/webp-social/moments-a141884dcdcdc56faff12eee2601b7b7.webp(

) 10. Tối ưu hóa ngắn mạch

Đối với || và &&, phép toán logic sẽ xảy ra việc đánh giá ngắt quãng, tức là nếu điều kiện đầu tiên đã xác định được kết quả của biểu thức logic, thì điều kiện thứ hai sẽ không được đánh giá.

Để tối ưu hóa việc tiêu thụ Gas, nên đặt các điều kiện có chi phí tính toán thấp ở phía trước, điều này có thể giúp bỏ qua các phép tính tốn kém.

Gợi ý chung bổ sung

( 1. Xóa mã không cần thiết

Nếu trong hợp đồng có tồn tại các hàm hoặc biến không được sử dụng, nên khuyến nghị xóa chúng. Đây là cách trực tiếp nhất để giảm chi phí triển khai hợp đồng và giữ cho kích thước hợp đồng nhỏ.

Dưới đây là một số gợi ý hữu ích:

• Sử dụng các thuật toán hiệu quả nhất để tính toán. Nếu trong hợp đồng trực tiếp sử dụng kết quả của một số phép tính, thì nên loại bỏ các quá trình tính toán thừa này. Về bản chất, bất kỳ phép tính nào không được sử dụng đều nên bị xóa.

• Trong Ethereum, các nhà phát triển có thể nhận được phần thưởng Gas bằng cách giải phóng không gian lưu trữ. Nếu không còn cần một biến nào đó, nên sử dụng từ khóa delete để xóa nó, hoặc đặt nó về giá trị mặc định.

• Tối ưu hóa vòng lặp: tránh các thao tác vòng lặp tốn kém, kết hợp vòng lặp nếu có thể, và di chuyển các phép tính lặp lại ra khỏi thân vòng lặp.

) 2. Sử dụng hợp đồng thông minh đã biên dịch sẵn

Hợp đồng thông minh được biên soạn trước cung cấp các hàm thư viện phức tạp, chẳng hạn như các thao tác mã hóa và băm. Bởi vì mã không chạy trên EVM mà chạy trên nút khách hàng cục bộ, nên cần ít Gas hơn. Việc sử dụng hợp đồng thông minh được biên soạn trước có thể tiết kiệm Gas bằng cách giảm khối lượng công việc tính toán cần thiết để thực thi hợp đồng thông minh.

Ví dụ về hợp đồng được biên dịch trước bao gồm thuật toán chữ ký số đường cong elip ###ECDSA### và thuật toán băm SHA2-256. Bằng cách sử dụng những hợp đồng được biên dịch trước này trong hợp đồng thông minh, các nhà phát triển có thể giảm chi phí Gas và nâng cao hiệu suất hoạt động của ứng dụng.

3. Sử dụng mã lắp ghép nội tuyến

Nội tuyến lắp ráp ( in-line assembly ) cho phép các nhà phát triển viết mã cấp thấp nhưng hiệu quả có thể được EVM thực thi trực tiếp mà không cần sử dụng mã lệnh Solidity tốn kém. Nội tuyến lắp ráp cũng cho phép kiểm soát chính xác hơn việc sử dụng bộ nhớ và lưu trữ, từ đó giảm thêm phí Gas. Hơn nữa, nội tuyến lắp ráp có thể thực hiện một số thao tác phức tạp mà chỉ sử dụng Solidity khó có thể thực hiện, cung cấp nhiều tính linh hoạt hơn để tối ưu hóa việc tiêu thụ Gas.

Tuy nhiên, việc sử dụng lắp ráp nội tuyến cũng có thể mang lại gió