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如何撰寫智能合約(Smart Contract)?(I)

· 11 min read

Update: 11/30/2017 更新教程，使用Truffle 4.0.1。

上一篇中介紹了智能合約📒是什麼，也概略描述了從編譯到部署智能合約的流程，接下來將介紹如何使用 solidity 語言來寫智能合約。

使用 solidity 語言撰寫智能合約​

Ethereum 上的智能合約需要使用solidity[^1] 語言來撰寫。雖然還有其他能用來撰寫智能合約的語言如Serpent(類 Python)、lll(類 Fortran)，但目前看到所有公開的智能合約都是使用 solidity 撰寫。

宣傳上說，solidity 是一種類似 Javascript 的語言，而且圍繞著 solidity 的各種開發工具鏈，都是使用屬於 Javascript 生態系的 npm 來提供的。但我覺得 solidity 還是比較像 Java 或 C#。 因為和 Javascript 不同，solidity 與 Java 或 C# 同屬於強型別 (Strong Type，在定義變數時需要指定型別) 語言、在定義函式 (function) 時同樣需指定回傳的型別 (type)、同樣也需要先編譯才能執行。這些特性都是 Javascript 所不具備的。

開發前的準備​

本文將使用當前最活躍的智能合約開發框架truffle[^3] 為基礎來開發。之前提到過的 ENS (Ethereum Name Service)[^5] 也是採用 truffle 框架。其他選擇還有embark[^4] 等。

就像一般網站或 App 開發一樣，在提供公開服務之前，開發者會在自己用於寫程式的電腦 (又稱作本機)💻或透過測試網路🕸來測試程式執行的效果，測試完成後，才會部署到公開的網路上提供服務。 開發區塊鏈智能合約 (程式) 的過程也是如此。特別是公開鏈上所有寫入或讀取計算結果的操作都需要真金白銀 (虛擬代幣)💸，而且根據網路狀況，每個公開鏈上的操作都需要要一小段反應時間 (15 秒～數分鐘)，這些等待頗浪費寶貴的開發時間⏳。 因此在開發的過程中，我們將使用testrpc[^6] 工具在電腦上模擬智能合約所需的乙太坊區塊鏈測試環境。

testrpc 中也包含了 Javascript 版本的 Ethereum 虛擬機 (Ethereum Virtual Machine)[^7]，因此可以完整地執行智能合約😇。

此外，開發前還需準備一個合手的編輯器。我目前是使用Visual Studio Code搭配solidity插件來開發。solidity 插件除了支援語法高亮之外，也會透過 Solium [^11] 檢查並提示基本的語法錯誤，相當方便。其他編輯器應該也有類似的插件可選擇。

安裝所需工具​

首先開發機上必須裝好 Node.js，再使用以下命令安裝所需的工具：

$ npm install -g ethereumjs-testrpc truffle

啟動 Testrpc​

安裝好後隨時可以使用testrpc命令來啟動乙太坊測試環境。

$ testrpc
Available Accounts
==================
(0) 0xa4d7ce9137e6f8de4fb1311595b33230be15be50
(1) 0x26c231bdd7c8a7304983b04694c3437b30331019
(2) 0xe238ccca936dcdbd48f0cf3a1e6f147d04b55527
(3) 0x769ed341bf83cc86e5037cb78388012d6e2d9cc9
(4) 0x72a084c80195de79e5cd8dca59488e67982f65d7
(5) 0xcfda0765b0a82721d2f59581f53846a12e392999
(6) 0x4b0349aea768b4e1ed4cec683f8f7dd112729fea
(7) 0x643c305f0b3844984d7f1f7b9f3ab93a73dfdfcf
(8) 0x2ee0a7974326604442dca127d02fac4957ab3e8a
(9) 0xe00e57db1772f6e81bcccc982e565a10ae26ab92

Private Keys
==================
(0) 7de56fb677edc8d0c7a1f3a6d5bcb8f73ce257d44996e9b5fc8ad414af38a22a
(1) 4401de20cf287d15d1c062005d866a35cd82e2a73f8cb43ec0cb90b117d1ec38
(2) 8f51f9100a81218343d44a047ae3b0be5d80d262a13fbef24dc569b3e335e820
(3) 241a0ff98dfb6f290dbee909c9a7a4eea2de3a2174e7cddf834868ea03f80fa9
(4) ce1108cc6763bc74658068a55b080c6ccbfb1bd26e609588b81c07d13affc70d
(5) f9614c1fd34224787e6c95bbe881fb28fd0fdc00808ef85d0430505f4a348690
(6) 4c1baad08f720f5c5754bb185e66490b45e3480aa3ec419e4b76f7a81118b296
(7) af9af2c6b519d49605cc58b719240299e5e8b9a89a7e94a85625734fc30c46bd
(8) 55ab79ae6de4fad5b98bc1dfd795b945ba8e7d92dcc88073f9e3fdfef471f69f
(9) e9299fb391c8830370991659780933e6b62269e32a8cbc55a29aa5f73df995a2

HD Wallet
==================
Mnemonic:      addict cherry medal cupboard bless reduce oven beauty egg gift pledge exact
Base HD Path:  m/44'/60'/0'/0/{account_index}

可以看到 testrpc 啟動後自動建立了 10 個帳號 (Accounts)，與每個帳號對應的私鑰 (Private Key)🔑。每個帳號中都有 100 個測試用的以太幣 (Ether)💵。要注意 testrpc 僅運行在記憶體中，因此每次重開時都會回到全新的狀態。

一切準備就緒，我們可以開始建立第一份智能合約專案了。

建立專案​

開啟另一個命令列視窗，輸入以下命令以建立專案：

$ mkdir hello
$ cd hello
$ truffle init

如此一來，我們已建立好第一份智能合約專案了。

在demo/資料夾下，可以看到contracts/資料夾，裡面放的是這個專案所包含的所有 solidity 程式。我們在contracts/資料夾中額外建立一個HelloWorld.sol檔案。（或者也可以用truffle create contract HelloWorld命令來建立）

HelloWorld.sol檔案內容如下：

pragma solidity ^0.4.11;

contract HelloWorld {
    function sayHello() public returns (string) {
        return ("Hello World");
    }
}

講解​

pragma solidity ^0.4.11;

第一行指名目前使用的 solidity 版本，不同版本的 solidity 可能會編譯出不同的 bytecode。

想要知道當前的 solidity 版本，也可以用 truffle version 命令來查看當前使用的 truffle 與 solidity 版本：

$ truffle version
Truffle v4.0.1 (core: 4.0.1)
Solidity v0.4.18 (solc-js)
contract HelloWorld {
  ...
}

contract關鍵字類似於其他語言中較常見的class。因為 solidity 是專為智能合約 (Contact) 設計的語言，宣告contract後即內建了開發智能合約所需的功能。也可以把這句理解為class HelloWorld extends Contract。

雖然一個.sol 檔案中可以定義多個 Contract，但建議一個.sol 檔案中只定義一個 Contract 以便於後續的維護。

function sayHello() public returns (string) {
    return ("Hello World");
}

函式的結構與其他程式類似，但如果有傳入的參數或回傳值，需要指定參數或回傳值的型別 (type)。所有支援的型別可以查看參考資料 [^10]。

solidity 官方推薦的縮排風格為 4 個空格 [^13]。

編譯​

現在執行truffle compile命令，我們可以將HelloWorld.sol原始碼編譯成 Ethereum bytecode。

$ truffle compile

編譯成功的話，在build/contracts/目錄下會多出HelloWorld.json這個檔案。（在 Windows 平台上執行 truffle compile 若遇到問題，可以查看參考資料 [^9] 來解決。）

部署​

為了將寫好的 solidity 程式碼部署到區塊鍊上，我們需要做一些相應的設定。

遷移​

truffle 框架中提供了方便部署合約的腳本。我們可以在migrations/目錄下維護這些腳本。這些腳本除了能部署合約，也可以用來遷移合約中的資料。建立migrations/2_deploy_contracts.js檔案 (這些腳本使用 Javascript 撰寫)，將內容修改如下

var HelloWorld = artifacts.require("HelloWorld");

module.exports = function(deployer) {
  deployer.deploy(HelloWorld);
};

這些 migration 檔案會依照檔案的編號來執行。例如2_就會在1_之後執行。檔案後面的文字只為協助開發者理解之用。

在檔案中可使用artifacts.require語句來取得準備部署的合約。使用deployer.deploy語句將合約部署到區塊鏈上。這邊HelloWorld是contract的名稱而不是檔名。因此可以用此語法讀入任一.sol檔案中的任一合約。

區塊網路設定​

為了與testrpc連線，需要打開truffle.js並加入以下設定：

module.exports = {
  // See <http://truffleframework.com/docs/advanced/configuration>
  // to customize your Truffle configuration!
  networks: {
    development: {
      host: "localhost",
      port: 8545,
      network_id: "*" // Match any network id
    }
  }
};

truffle 使用 Javascript 的 Object 格式來定義設定。這邊定義了development網路為localhost:8545，即 testrpc 所提供的網路位址。

部署​

現在執行truffle migrate命令

$ truffle migrate
Using network 'development'.

Running migration: 1_initial_migration.js
...
Saving successful migration to network...
Running migration: 2_deploy_contracts.js
...
Saving successful migration to network...
...
Saving artifacts...

如此一來合約已經部署到 testrpc 中。切換到 testrpc 視窗，可以看到 testrpc 有反應了。

與合約互動​

truffle 提供命令行工具，執行truffle console命令後，可用 Javascript 來和剛剛部署的合約互動。

$ truffle console
> let contract
> HelloWorld.deployed().then(instance => contract = instance)
> contract.sayHello.call()
'Hello World'
>

講解​

> HelloWorld.deployed().then(instance => contract = instance)

truffle console中預載了truffle-contract[^12] 函式庫，以方便操作部署到區塊鏈上的合約。

這邊使用HelloWorld.deployed().then語句來取得 HelloWorld 合約的 Instance (實例)，並存到contract變數中，以方便後續的呼叫。

上面用的是 Javascript ES6 + 的語法，這句也可以寫成

HelloWorld.deployed().then(function(instance) {
  hello = instance;
});
> contract.sayHello.call()
'Hello World'

這邊直接呼叫contract.sayHello()也會得到一樣的結果。truffle-contract提供使用call()來讀取唯讀 (read only) 的資料，這樣就不需提供 gas。因此如果遇到的操作需要向區塊鏈寫入資料，我們就不能用call語句了。

如此一來，我們已寫好並部署完成了第一個智能合約，也驗證了合約確實可以運作。

加入新方法​

我們在HelloWorld.sol中再加入一個echo方法，echo方法接受輸入一個參數，並回傳傳送的參數。

function echo(string name) constant returns (string) {
  return name;
}

新的echo方法中傳入了一個name參數。我們也為echo方法加入一個constant宣告，表示呼叫這個方法並不會改變區塊鏈的狀態。如此一來，透過truffle-contract來呼叫此方法時，會自動選用call來呼叫，也不需要額外提供 gas。

由於更新了合約內容，我們需要先重新新編譯一次，將編譯結果部署到 testrpc 上，再透過truffle console執行看看結果。

$ truffle compile
...
$ truffle migrate --reset
...
$ truffle console
> let contract
> HelloWorld.deployed().then(instance => contract = instance)
> contract.echo("yo man")
'yo man'
>

echo方法確實將我們輸入的內容回傳了。同時因為宣告了constant，我們不需要直接呼叫call()方法，truffle會自動選用 call 來呼叫。

另一點需要注意的，是這次如果還是用truffle migrate命令，我們會得到如下訊息：

$ truffle migrate
Using network 'development'.

Network up to date.

Truffle 會告訴你現在網路上的合約都已是最新的，但事實上剛剛程式中新增的方法並沒有更新到區塊鏈上。要更新區塊鏈上已部署的程式，需要改寫migrations中的腳本，但現在還不到介紹 migration 的時候。還好我們開發用的區塊鏈是怎麼修改都沒關係的 testrpc，可以使用truffle migrate --reset命令直接重新在 testrpc 上部署一次🎉。

使用 truffle develop 命令​

truffle 4.0.0 版本之後加入了truffle develop命令。這個命令讓我們不需要另外安裝 testrpc 等環境，就能直接上手開發。

例如

truffle develop
Truffle Develop started at http://localhost:9545/

Accounts:
(0) 0x627306090abab3a6e1400e9345bc60c78a8bef57
(1) 0xf17f52151ebef6c7334fad080c5704d77216b732
(2) 0xc5fdf4076b8f3a5357c5e395ab970b5b54098fef
(3) 0x821aea9a577a9b44299b9c15c88cf3087f3b5544
(4) 0x0d1d4e623d10f9fba5db95830f7d3839406c6af2
(5) 0x2932b7a2355d6fecc4b5c0b6bd44cc31df247a2e
(6) 0x2191ef87e392377ec08e7c08eb105ef5448eced5
(7) 0x0f4f2ac550a1b4e2280d04c21cea7ebd822934b5
(8) 0x6330a553fc93768f612722bb8c2ec78ac90b3bbc
(9) 0x5aeda56215b167893e80b4fe645ba6d5bab767de

Mnemonic: candy maple cake sugar pudding cream honey rich smooth crumble sweet treat

truffle(develop)> compile
truffle(develop)> migrate
Using network 'develop'.
Running migration: 1_initial_migration.js
  Deploying Migrations...
...
Saving artifacts...
Running migration: 2_deploy_contracts.js
  Deploying HelloWorld...
...
Saving artifacts...
truffle(develop)> let contract
truffle(develop)> HelloWorld.deployed().then(instance =>contract = instance)
...
truffle(develop)> contract.sayHello.call()
'Hello World'

可以看到，在命令行中輸入truffle develop命令，可以直接在裡面執行compile，migrate指令，還可以直接使用console命令所提供的與區塊鍊互動等功能。

結語​

本篇設計的範例 [^8] 相當簡單，但已達到完整地帶大家快速⚡走一遍智能合約開發流程的目的。要透過智能合約實現各種功能，可以參考Solidity by example 和 Truffle getting started 網站學習更多的內容。也歡迎讀者留言，分享學習資源或提供建議。

下一篇會接著介紹如何建立一份簡單的加密代幣🔒💵合約。

參考資料​