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01. 基础存储布局
solidity
storage
storage layout
state variables

WTF Solidity内部标准: 01. 基础存储布局

《WTF Solidity内部标准》教程将介绍Solidity智能合约中的存储布局，内存布局，以及ABI编码规则，帮助大家理解Solidity的内部规则。

推特：@0xAA_Science

社区：Discord｜微信群｜官网 wtf.academy

所有代码和教程开源在github: github.com/AmazingAng/WTF-Solidity-Internals

在WTF Solidity内部标准系列教程中，我们将详细介绍Solidity合约中变量的存储布局，内存存储，以及calldata和returndata遵守的ABI编码规则，帮助大家理解Solidity的内部规则。这一讲，我们将介绍Solidity的值类型变量是如何在合约中存储的，你需要事先安装foundry。

EVM的存储

EVM的账户存储（Account Storage）是一种映射（mapping，键值对存储），每个键和值都是256 bit的数据，它支持256 bit的读和写。这种存储在每个合约账户上都存在，并且是持久的：它的数据会保持在区块链上，直到被明确地修改。

对存储的读取（SLOAD）和写入（SSTORE）都需要gas，并且比内存操作更昂贵。这样设计可以防止滥用存储资源，因为所有的存储数据都需要在每个以太坊节点上保存。

值类型的存储布局

在Solidity中，值类型（比如uint8和静态数组）和引用类型（比如映射和动态数组）的存储布局不同，这一讲我们只介绍前者。

规则1. 默认从存储槽0开始被逐项存储

合约中的第一个状态变量默认存储在槽0中，之后的状态变量（如果不能放在同一个存储槽）存储在槽1中，以此类推。在下面的ValueStorage1合约中，我们声明了2个uint256类型的状态变量：

contract ValueStorage1 {
    uint256 public a = 5;
    uint256 public b = 2;
}

你可以使用下面的命令打印合约的存储布局，可以看到变量a被存储在Slot 0，变量b被存储在Slot 1。

forge inspect src/01_ValueStorage.sol:ValueStorage1 storage-layout --pretty
Name Type Slot Offset Bytes Contract
a uint256 0 0 32 src/01_ValueStorage.sol:ValueStorage1
b uint256 1 0 32 src/01_ValueStorage.sol:ValueStorage1

规则2. 多个值可共享同一个存储槽

由于EVM的存储很贵，在合约中，状态变量以一种紧凑的方式存储：值类型只使用存储它们所需的字节数，如果多个连续状态变量的大小总和不足32字节，它们会被放在同一个存储槽中；如果一个值类型不适合一个存储槽的剩余部分，它将被存储在下一个存储槽。

在下面的ValueStorage2合约中，我们声明了4个状态变量。

contract ValueStorage2 {
    uint128 public a = 5;
    uint64 public b = 2;
    uint32 public c = 3;
    uint64 public d = 1;
}

你可以使用下面的命令打印合约的存储布局：

forge inspect src/01_ValueStorage.sol:ValueStorage2 storage-layout --pretty

我们可以看到，变量a，b和c都被存储在Slot 0中，这是因为它们的类型分别为uint128，uint64和uint32，而128+64+32=224小于256。变量d被存储在Slot 1，这是因为它是uint64类型，加上前面的变量就超过256位了。

Name Type Slot Offset Bytes Contract
a uint128 0 0 16 src/01_ValueStorage.sol:ValueStorage2
b uint64 0 16 8 src/01_ValueStorage.sol:ValueStorage2
c uint32 0 24 4 src/01_ValueStorage.sol:ValueStorage2
d uint64 1 0 8 src/01_ValueStorage.sol:ValueStorage2

思考题：如果变量d是uint32的话，它会被存储在哪里呢？

规则3. 存储插槽的第一项会以低位对齐（即右对齐）的方式储存

ValueStorage1合约中的变量a和b（均为uint256类型）会被存储为

a: 0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000005
b: 0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000002

ValueStorage2合约中的变量a，b和c（分别为uint128，uint64和uint32）会被存储为：

a b c: 0x0000000000000003000000000000000200000000000000000000000000000005

这是因为变量a是第一项，会从最右边开始存，值为5，占128位（16字节）。然后b从右数16字节开始存，值为2，占64位（8字节）。最后c从右数24字节开始存，值为3，占32位（4字节）。

规则4. 结构/数组总是从一个新的存储槽开始，紧跟着它们的变量总是开辟一个新的存储槽

在下面的ValueStorage3合约中，我们声明了一个S结构体，它包含两个成员：uint64类型的b和uint32类型的c。按照规则3的话，变量a和结构体s会共享Slot 0；而如果按照规则4，变量a会被单独保存在Slot 0，结构体s会被保存在Slot 1，而变量d会被保存在Slot 2。

contract ValueStorage3 {
    struct S { uint64 b; uint32 c; }

    uint128 public a = 5;
    S public s = S(2, 3);
    uint64 public d = 1;
}

你可以使用下面的命令打印合约的存储布局：

forge inspect src/01_ValueStorage.sol:ValueStorage3 storage-layout --pretty

可以看到，按照规则4，三个变量被保存在不同的存储槽中。

Name Type Slot Offset Bytes Contract
a uint128 0 0 16 src/01_ValueStorage.sol:ValueStorage3
s struct ValueStorage3.S 1 0 32 src/01_ValueStorage.sol:ValueStorage3
d uint64 2 0 8 src/01_ValueStorage.sol:ValueStorage3

总结

这一讲，我们介绍了值变量，静态数组和结构体数据在合约中的存储结构。