Solidity位操作

Solidity位操作运算有助于缩减以太坊交易的成本。本文介绍以太坊智能合约开发语言 Solidity中的位操作运算符,以及如何使用这些Solidity位操作符对合约数据执 行位操作运算,例如与、或、非、异或等,同时也介绍如何实现Soldity不支持 的取反、移位等操作。

1、Solidity位操作概述

以太坊是一台世界计算机, 虽然可能是最昂贵的那台。由于存储是最消耗gas的操作,因此时不时地需要精打细算, 进行一些位操作,就像汇编开发者在芯片固件编程时所做的一样。这可以让你对数据有 更多的控制并最终缩减交易成本。

以太坊智能合约开发语言Solidity支持基本的位操作运算,虽然目前还不支持左/右 位移。幸运的是有等价的算数运算。

所有的位操作都是逐位执行的,就和你比较两个不同的数组成员一样,都会 按顺序逐位操作。注意:在位操作中0和1,分别对应false和true。

出于简化考虑,我将使用bytes1类型(和byte一样),不过更长的数据类型也是 同样的原理。在下面的例子中我们都是用相同的两个变量a和b:

在Solidity中,我们使用16进制表示的值来初始化这两个变量:

1
2
bytes1 a = 0xb5; //  [10110101]
bytes1 b = 0x56; // [01010110]

2、与运算/AND

两个变量中都是1的位,其与计算/AND结果位才是1,否则都是0:

上图中黄色部分表示计算结果,可以看到只有当两个输入变量a和b的对应位 都是1时,结果的响应位才是1。

在Solidity中,与操作符是&

1
a & b; // 结果: 0x14  [00010100]

3、或运算/OR

在计算或操作结果的某一位时,只要任何一个输入变量的对应位是1, 那么结果都是1:

在Solidity中,或操作符是|

1
a | b; // 结果: 0xf7  [11110111]

4、异或运算/XOR

在计算异或运算结果的某一位时,只有当两个输入变量的对应位不一致 时,结果才是1:

在Solidity中,异或操作符时^

1
a ^ b; // 结果: 0xe3  [11100011]

异或运算有趣的一点是,你把结果和任意一个输入变量再做异或运算, 就可以得到另一个输入变量:

1
0xe3 ^ a; // 结果: 0x56 == b  [01010110]

5、非运算/NEG

非运算是单目运算,只需要一个输入变量,它就是取反,原来是1结果 就是0,原来是0结果就是1:

Solidity本身并不支持非运算,不过幸运的是你可以将变量与全1值 异或,就得到同样的结果:

1
a ^ 0xff; // Result: 0x4a  [01001010]

6、移位运算/SHIFT

位移运算指的是向左或向右移动输入变量的位。

让我们先用十进制数来举个例子。例如对于下面的数值:

1
00001230

向左位移3位就得到:

1
01230000

换句话说,向左移动3位其实就是将原来的数乘以10的3次方。

同样,如果我们继续向右移动4位,结果就和将输入变量除以10的4次方一样:

1
00000123

上面的原理对于二进制移位运算也是适用的,因此当我们向左 移N位时,就等价于乘以2的N次方;向右移M位时,就等价于除以2 的M次方。

由于Solidity目前不支持移位运算,因此我们需要借助于算数运算 来实现同样的效果。

6.1 左移位

示例代码如下:

1
2
3
4
var n = 3; 
var aInt = uint8(a); // Converting bytes1 into 8 bit integer
var shifted = aInt * 2 ** n;
bytes1(shifted); // Back to bytes. Result: 0xa8 [10101000]

6.2 右移位

示例代码如下:

1
2
3
4
var n = 2; 
var aInt = uint8(a); // Converting bytes1 into 8 bit integer
var shifted = aInt / 2 ** n;
bytes1(shifted); // Back to bytes. Result: 0x2d [00101101]

7、提取前N位

我们可以使用与操作来提取变量的前N位,方法就是创建一个掩码变量, 其前N位都是1:

示例代码如下:

1
2
3
4
var n = 5;
var nOnes = bytes1(2 ** n - 1); // Creates 5 1s
var mask = shiftLeft(nOnes, 8 - n); // Shift left by 3 positions
a & mask; // Result: 0xb0 [10110000]

8、提取后N位

利用对2取模计算就可以提取变量的后N位,例如:

1
2
3
var n = 5;
var lastBits = uint8(a) % 2 ** n;
bytes1(lastBits); // Result: 0x15 [00010101]

9、数据压缩

有了上面的基础,我们就可以使用更少的存储空间来减少交易成本。 例如,假设有两个变量其实都是只利用了4位,那么我们可以将其 压缩到一个变量里:

示例代码如下:

1
2
3
bytes1 c = 0x0d;
bytes1 d = 0x07;
var result = shiftLeft(c, 4) | d; // 0xd7 [11010111]

完整源代码

下面是本文内容的完整源代码:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
contract BitsAndPieces {

function and(bytes1 a, bytes1 b) returns (bytes1) {
return a & b;
}

function or(bytes1 a, bytes1 b) returns (bytes1) {
return a | b;
}

function xor(bytes1 a, bytes1 b) returns (bytes1) {
return a ^ b;
}

function negate(bytes1 a) returns (bytes1) {
return a ^ allOnes();
}

function shiftLeft(bytes1 a, uint8 n) returns (bytes1) {
var shifted = uint8(a) * 2 ** n;
return bytes1(shifted);
}

function shiftRight(bytes1 a, uint8 n) returns (bytes1) {
var shifted = uint8(a) / 2 ** n;
return bytes1(shifted);
}

function getFirstN(bytes1 a, uint8 n) returns (bytes1) {
var nOnes = bytes1(2 ** n - 1);
var mask = shiftLeft(nOnes, 8 - n); // Total 8 bits
return a & mask;
}

function getLastN(bytes1 a, uint8 n) returns (bytes1) {
var lastN = uint8(a) % 2 ** n;
return bytes1(lastN);
}

// Sets all bits to 1
function allOnes() returns (bytes1) {
return bytes1(-1); // 0 - 1, since data type is unsigned, this results in all 1s.
}

// Get bit value at position
function getBit(bytes1 a, uint8 n) returns (bool) {
return a & shiftLeft(0x01, n) != 0;
}

// Set bit value at position
function setBit(bytes1 a, uint8 n) returns (bytes1) {
return a | shiftLeft(0x01, n);
}

// Set the bit into state "false"
function clearBit(bytes1 a, uint8 n) returns (bytes1) {
bytes1 mask = negate(shiftLeft(0x01, n));
return a & mask;
}

}

原文链接:Bitwise Operations and Bit Manipulation in Solidity, Ethereum

汇智网翻译整理,转载请标明出处