如何在 Solidity 智慧合約中優化瓦斯費用
本指南提供實用的逐步演練，說明在 Solidity 中撰寫智慧型契約時，如何優化瓦斯成本。
為什麼瓦斯最佳化很重要？
氣體最佳化是智慧型契約開發的重要部分。 它有助於確保智慧型契約即使在網路高度擁塞的情況下，仍能保持高效率與成本效益。 透過降低合約執行的計算開銷，開發人員可以降低交易費用、加快確認時間，並改善其 dApp 的整體可擴展性。
對開發人員而言，氣體最佳化就是編寫乾淨、安全且可預測的程式碼，以減少不必要的計算。 對使用者而言，這是確保他們能與您的合約互動，而無需支付過高的費用。
為什麼對 Kaia 特別重要
隨著超過 83 個 Mini dApp 的推出，Kaia 區塊鏈已經成為交易量領先的 EVM 相容鏈，其主要動力來自這些上鏈應用程式的爆炸性增長。
每個 Mini dApp 都依賴智慧型契約來執行上鏈動作。 無論是鑄造物品、下注或管理遊戲中的資產，每一次契約互動都會消耗瓦斯。 如果不進行優化，這些 dApp 可能很快就會變得太昂貴，讓使用者無法與之互動，尤其是在規模較大的情況下。
這就是為什麼瓦斯效率不僅僅是一個很好的條件。 這是必要的。 在 Kaia 上進行建置的開發人員必須確保每個函式呼叫都經過最佳化，在保留功能性與安全性的同時，將成本降至最低。
氣體最佳化技術
儲存包裝
在區塊鏈上儲存和檢索資料是最耗氣的作業之一，尤其是當資料必須跨交易和區塊持續存在時。 在 Solidity 中，這些資料會儲存在合約儲存中，這是永久性的，並且會產生瓦斯成本。 為了降低這些成本，開發人員必須仔細優化儲存的使用方式，尤其是在宣告狀態變數時。
Kaia 虛擬機器 (KVM) 將合約資料儲存在稱為儲存槽的單元中。 每個儲存槽正好可以容納 256 位元組 (32 位元組) 的資料。 Solidity 資料類型有不同的大小 - 例如，bool 是 1 位元組，而位址是 20 位元組。
透過一種稱為儲存包裝的技術，我們可以將較小的變數緊密排列，使其能夠容納在單一 32 位元組的儲存槽中。 這有助於減少瓦斯用量，因為從一個儲存槽讀取或寫入的成本遠低於存取多個儲存槽。
讓我們考慮以下範例：
分解：
在未最佳化版本 (SlotUnOptimized) 中，Solidity 會這樣儲存結構：
- 位址至 -> 需要 20 位元組 -> 儲存在插槽 0 中
- uint256 numConfirmations -> 需要 32 位元組 -> 儲存在插槽 1 中
- uint80 值 (10 位元組) 和 bool 執行 (1 位元組) -> 儲存於插槽 2
儘管value和executed變數很小，除非明確地重新排序，否則 Solidity 會因為對齊填充的關係，將它們放在自己的儲存槽中。 因此，此結構使用 3 個儲存槽，也就是儲存作業的瓦斯成本是一般的 3 倍。 但是，address (20 位元組) + uint80 (10 位元組) + bool (1 位元組)的總大小為 31 位元組，落在單一插槽的 32 位元組限制之內。 只要重新排列宣告的順序，讓較小的變數集中在一起，Solidity 就可以將它們打包到同一個槽中。 這就是儲存包裝的精髓。
如上圖所示，在最佳化版本 (SlotOptimized) 中，所有較小的變數都會彼此相鄰放置，讓編譯器可以將變數儲存在較少的插槽中 - 降低部署和執行時的瓦斯成本。
快取記憶體儲存
除了變數在儲存槽中的佈局方式之外，瞭解與存取和修改儲存相關的瓦斯成本也很重要。
Kaia 虛擬機器上每個儲存插槽的成本： 初始化 (第一次寫入) 需 20,000 gas 更新 (後續寫入) 需 5,000 gas 正因如此，將直接儲存讀取和寫入的次數降至最低是非常重要的，尤其是在經常被呼叫的函式中。 一種有效的模式是，當您需要在函式中多次存取儲存變數時，將它們快取至記憶體中。
讓我們考慮以下範例：
避免將變數初始化為預設值
在 Solidity 中，每個資料類型都有預先定義的預設值。 例如，address 預設為 address(0)，bool 預設為 false，而 uint 預設為 0。 當開發人員在變數宣告時明確指定這些預設值，例如寫成 bool isActive = false 或 uint total = 0 時，就會出現常見的低效率情況。
雖然這在功能上是正確的，但卻在部署時引入不必要的氣體成本，因為 Solidity 已經預設設定這些值。 透過宣告狀態變數而不為其赋值，可以減少契約的 bytecode 大小，並避免額外的儲存操作。 這個小小的調整有助於讓您的智慧型契約更有效率，也更容易維護，尤其是在處理多重變數時。
讓我們考慮以下範例：
最小化連鎖資料
我們很清楚交易的大部分瓦斯成本來自於合約儲存的資料。 最好經常詢問哪些資料實際上需要儲存在鏈上或鏈下，並考慮兩種選項的取捨。 我們可以從完全 onchain NFT 的案例中看到這一點，以及相較於具有離鏈元資料的傳統 NFT，它們有多麼昂貴。 這意味著，您可以透過在鏈外儲存資訊，大幅減少智慧契約的耗氣量，只因為您分配給儲存的變數較少。
釋放未使用的儲存空間
有時候，我們會忘記釋放合約中未使用的資料，這無形中有時會增加瓦斯成本，也會造成 網路膨脹。 在任何情況下，釋放未使用的儲存空間都很簡單，只要確定不再使用該值後，將其設定回 0 即可。 您也可以在 solidity 中使用特殊關鍵字 delete 來釋放任何資料類型。
讓我們考慮以下範例：
針對某些函數參數，將資料儲存在 calldata 中，而非記憶體中
一種有效的瓦斯高爾夫技巧是在函數中使用 calldata 來取得只讀的陣列參數。 Calldata 是一個不可修改、非持久性的區域，在外部呼叫時會儲存函式參數。 由於它不涉及任何儲存分配或複製，因此比記憶體便宜得多。
當您的函式只需要讀取輸入的陣列或字串而不需要修改時，將參數宣告為 calldata 有助於減少耗氣量。 這對於經常被呼叫或操作大量輸入資料的功能特別有利，例如批次傳輸或多收件人空投。
讓我們考慮以下範例：
使用映射取代陣列
在 Solidity 中，有兩種主要的資料結構用來管理資料：陣列和映射。 陣列儲存項目的集合，其中每個元素都指定了特定的索引，因此適用於有序清單。 另一方面，映射的功能是允許透過唯一鍵直接存取值的鍵值儲存。
在處理陣列時，擷取特定的值通常需要在整個集合中循環，這會為每個計算步驟帶來氣體成本。 這使得陣列的查詢效率降低，尤其是在較大的資料集中。 除非有必要對類似項目進行有序的迭代或群組，否則使用映射來管理資料清單會更有效率。
映射提供恆定時間存取，並避免陣列遍歷的相關開銷，使其成為許多智慧型契約優化氣體使用的首選。
讓我們考慮以下範例：
固定大小陣列優於動態陣列
雖然映射通常比陣列更有效率，但在某些情況下，陣列也是必要的。 在這種情況下，當編譯時已知元素數量時，建議使用固定大小的陣列。 固定大小的陣列提供可預測的儲存模式，並避免與調整大小作業相關的開銷。
相反地，動態陣列的大小會在合約執行過程中不斷增加，因此會為記憶體分配和邊界檢查帶來額外的氣體成本。 盡可能選擇固定大小的陣列，有助於減少耗氣量，並提高智慧型契約的整體效能。
讓我們來看看這個範例：
使用不可變和常數
在 Solidity 中優化氣體成本的有效方法是宣告變數為常數或不可變數。 這些特殊的變數類型只會被指定一次值，如果是常數，則會在編譯時指定，如果是不可變數，則會在契約部署時指定，之後變成只讀值。 由於它們的值直接嵌入到合約的 bytecode 中，因此避免了儲存存取的需要，而儲存存取通常是智慧型合約執行中最昂貴的作業之一。 這使得它們成為減少氣體使用量的強大工具，同時維持程式碼的清晰度與效率。
讓我們來看看這個範例：
最佳化錯誤處理
在 Solidity 中優化氣體時，保持簡單和高效也適用於錯誤處理。 與使用字串訊息的傳統 require 語句相比，自訂錯誤提供了省油的替代方案。 與字串式錯誤不同 - 字串式錯誤會儲存在合約的 bytecode 中，並根據訊息的長度來增加大小，而自訂錯誤的成本明顯較低。
它們使用精簡的 4 位元組選擇器，從錯誤簽章的 keccak256 哈希值衍生出來，類似於函式選擇器的計算方式。 不論是在 require 或 if 語句中使用，自訂錯誤都有助於減少 bytecode 的大小和執行時的瓦斯成本，同時在除錯時仍能提供清晰度。
讓我們來看看這個範例：
使用外部可見度修改器
當您確定某個函式只會從契約外部被呼叫時，不論是外部擁有的帳戶或其他智慧契約，最好的做法是將函式的可見性聲明為外部。 此指引是基於 Solidity 如何處理函式參數和記憶體分配。
外部函數直接從呼叫資料讀取其參數，呼叫資料是針對外部輸入最佳化的唯讀區段。 另一方面，內部和外部都可以存取公共函式。 當公開函式從契約外部呼叫時，它會像外部函式一樣從呼叫資料讀取參數。
但是，在內部呼叫時，會透過記憶體傳遞參數，由於需要額外的記憶體分配和複製，因此成本較高。 透過將功能標示為外部功能，尤其是當功能並非供內部使用時，可以減少記憶體的操作並提高氣體效率。 這個小小的改變就能讓智慧型契約更優化、更具成本效益。
讓我們來看看這個範例：
使用直列組裝
內嵌式程式集允許開發人員直接與 KVM 作業碼互動。 與標準的 Solidity 程式碼相比，在某些情況下，此技術可使執行更有效率。 儘管它繞過了 Solidity 的安全檢查並降低了可讀性，但對於執行關鍵操作，如直接存取記憶體、位操作或自訂控制流程，它是特別有用的。 只要小心使用，線上組裝可精確控制機罩下的作業執行方式，有助於降低瓦斯成本。
讓我們來看看這個範例：
總結
最佳化瓦斯成本是在 Solidity 中撰寫有效率且符合成本效益的智慧型契約的重要部分。 雖然在 Kaia 上部署已為使用者提供較低的交易成本，但開發人員仍有責任應用行之有效的氣體最佳化技術。 透過遵循本指南中概述的實務，您可以大幅降低執行成本、改善合約的可擴充性，並為使用者提供更順暢且可持續的體驗。