智能合约编写之 Solidity的设计模式

作者：储雨知｜FISCO BCOS 核心开发者

前言

随着区块链技术发展，越来越多的企业与个人开始将区块链与自身业务相结合。区块链所具有的独特优势，例如，数据公开透明、不可篡改，可以为业务带来便利。但与此同时，也存在一些隐患。数据的公开透明，意味着任何人都可以读取；不可篡改，意味着信息一旦上链就无法删除，甚至合约代码都无法被更改。除此之外，合约的公开性、回调机制，每一个特点都可被利用，作为攻击手法，稍有不慎，轻则合约形同虚设，重则要面临企业机密泄露的风险。所以，在业务合约上链前，需要预先对合约的安全性、可维护性等方面作充分考虑。幸运的是，通过近些年Solidity语言的大量实践，开发者们不断提炼和总结，已经形成了一些”设计模式”，来指导应对日常开发常见的问题。

智能合约设计模式概述

2019年，IEEE收录了维也纳大学一篇题为《Design Patterns For Smart Contracts In the Ethereum Ecosystem》的论文。这篇论文分析了那些火热的Solidity开源项目，结合以往的研究成果，整理出了18种设计模式。这些设计模式涵盖了安全性、可维护性、生命周期管理、鉴权等多个方面。

类型	模式
Security	1. Checks-Effects-Interaction 2. Emergency Stop 3. Speed Bump 4. Rate Limit 5. Mutex 6. Balance Limit
Maintenance	7. Data Segregation 8. Satellite 9. Contract Register 10. Contract Relay
Lifecycle	11. Mortal 12. Automatic Deprecation
Authorization	13. Ownership 14. Access Restriction
Action And Control	15. Pull Payment 16. Commit And Reveal 17. State Machine 18. Oracle

接下来，本文将从这18种设计模式中选择最为通用常见的进行介绍，这些设计模式在实际开发经历中得到了大量检验。

安全性(Security)

智能合约编写，首要考虑的就是安全性问题。在区块链世界中，恶意代码数不胜数。如果你的合约包含了跨合约调用，就要特别当心，要确认外部调用是否可信，尤其当其逻辑不为你所掌控的时候。如果缺乏防人之心，那些“居心叵测”的外部代码就可能将你的合约破坏殆尽。比如，外部调用可通过恶意回调，使代码被反复执行，从而破坏合约状态，这种攻击手法就是著名的Reentrance Attack（重入攻击）。这里，先引入一个重入攻击的小实验，以便让读者了解为什么外部调用可能导致合约被破坏，同时帮助更好地理解即将介绍的两种提升合约安全性的设计模式。

关于重入攻击，这里举个精简的例子。AddService合约是一个简单的计数器，每个外部合约可以调用AddService合约的addByOne来将字段_count加一，同时通过require来强制要求每个外部合约最多只能调用一次该函数。这样，_count字段就精确的反应出AddService被多少合约调用过。在addByOne函数的末尾，AddService会调用外部合约的回调函数notify。AddService的代码如下：

contract AddService{

    uint private _count;
    mapping(address=>bool) private _adders;

    function addByOne() public {
        //强制要求每个地址只能调用一次
        require(_adders[msg.sender] == false, "You have added already");
        //计数
        _count++;
        //调用账户的回调函数
        AdderInterface adder = AdderInterface(msg.sender);
        adder.notify();
        //将地址加入已调用集合
        _adders[msg.sender] = true;   
    }
}

contract AdderInterface{
    function notify() public;  
}

如果AddService如此部署，恶意攻击者可以轻易控制AddService中的_count数目，使该计数器完全失效。攻击者只需要部署一个合约BadAdder，就可通过它来调用AddService，就可以达到攻击效果。BadAdder合约如下：

contract BadAdder is AdderInterface{

    AddService private _addService = //...;
    uint private _calls;

    //回调
    function notify() public{
        if(_calls > 5){
            return;
        }
        _calls++;
        //Attention !!!!!!
        _addService.addByOne();
    }

    function doAdd() public{
        _addService.addByOne();    
    }
}

BadAdder在回调函数notify中，反过来继续调用AddService，由于AddService糟糕的代码设计，require条件检测语句被轻松绕过，攻击者可以直击_count字段，使其被任意地重复添加。攻击过程的时序图如下：

在这个例子中，AddService难以获知调用者的回调逻辑，但依然轻信了这个外部调用，而攻击者利用了AddService糟糕的代码编排，导致悲剧的发生。本例子中去除了实际的业务意义，攻击后果仅仅是_count值失真。真正的重入攻击，可对业务造成严重后果。比如在统计投票数目是，投票数会被改得面目全非。打铁还需自身硬，如果想屏蔽这类攻击，合约需要遵循良好的编码模式，下面将介绍两个可有效解除此类攻击的设计模式。

Checks-Effects-Interaction - 保证状态完整，再做外部调用

该模式是编码风格约束，可有效避免重放攻击。通常情况下，一个函数可能包含三个部分：

• Checks：参数验证
• Effects：修改合约状态
• Interaction：外部交互

这个模式要求合约按照Checks-Effects-Interaction的顺序来组织代码。它的好处在于进行外部调用之前，Checks-Effects已完成合约自身状态所有相关工作，使得状态完整、逻辑自洽，这样外部调用就无法利用不完整的状态进行攻击了。回顾前文的AddService合约，并没有遵循这个规则，在自身状态没有更新完的情况下去调用了外部代码，外部代码自然可以横插一刀，让_adders[msg.sender]=true永久不被调用，从而使require语句失效。我们以checks-effects-interaction的角度审阅原来的代码：

    //Checks
    require(_adders[msg.sender] == false, "You have added already");
    //Effects    
    _count++;
    //Interaction    
    AdderInterface adder = AdderInterface(msg.sender);
    adder.notify();
    //Effects
    _adders[msg.sender] = true;

只要稍微调整顺序，满足Checks-Effects-Interaction模式，悲剧就得以避免：

    //Checks
    require(_adders[msg.sender] == false, "You have added already");
    //Effects    
    _count++;
    _adders[msg.sender] = true;
    //Interaction    
    AdderInterface adder = AdderInterface(msg.sender);
    adder.notify();

由于_adders映射已经修改完毕，当恶意攻击者想递归地调用addByOne，require这道防线就会起到作用，将恶意调用拦截在外。虽然该模式并非解决重入攻击的唯一方式，但依然推荐开发者遵循。

Mutex - 禁止递归

Mutex模式也是解决重入攻击的有效方式。它通过提供一个简单的修饰符来防止函数被递归调用：

contract Mutex {
    bool locked;
    modifier noReentrancy() {
        //防止递归
        require(!locked, "Reentrancy detected");
        locked = true;
        _;
        locked = false;
    }

    //调用该函数将会抛出Reentrancy detected错误
    function some() public noReentrancy{
        some();
    }
}

在这个例子中，调用some函数前会先运行noReentrancy修饰符，将locked变量赋值为true。如果此时又递归地调用了some，修饰符的逻辑会再次激活，由于此时的locked属性已为true，修饰符的第一行代码会抛出错误。

可维护性（Maintenance）

在区块链中，合约一旦部署，就无法更改。当合约出现了bug，通常要面对以下问题：

1. 合约上已有的业务数据怎么处理？
2. 怎么尽可能减少升级影响范围，让其余功能不受影响？
3. 依赖它的其他合约该怎么办？

回顾面向对象编程，其核心思想是将变化的事物和不变的事物相分离，以阻隔变化在系统中的传播。所以，设计良好的代码通常都组织得高度模块化、高内聚低耦合。利用这个经典的思想可解决上面的问题。

Data segregation - 数据与逻辑相分离

了解该设计模式之前，先看看下面这个合约代码：

contract Computer{

    uint private _data;

    function setData(uint data) public {
        _data = data;
    }

    function compute() public view returns(uint){
        return _data * 10;
    }
}

此合约包含两个能力，一个是存储数据(setData函数)，另一个是运用数据进行计算(compute函数）。如果合约部署一段时间后，发现compute写错了，比如不应是乘以10，而要乘以20，就会引出前文如何升级合约的问题。这时，可以部署一个新合约，并尝试将已有数据迁移到新的合约上，但这是一个很重的操作，一方面要编写迁移工具的代码，另一方面原先的数据完全作废，空占着宝贵的节点存储资源。

所以，预先在编程时进行模块化十分必要。如果我们将”数据”看成不变的事物，将”逻辑”看成可能改变的事物，就可以完美避开上述问题。Data Segregation（意为数据分离）模式很好地实现了这一想法。该模式要求一个业务合约和一个数据合约：数据合约只管数据存取，这部分是稳定的；而业务合约则通过数据合约来完成逻辑操作。

结合前面的例子，我们将数据读写操作专门转移到一个合约DataRepository中：

contract DataRepository{

    uint private _data;

    function setData(uint data) public {
        _data = data;
    }

    function getData() public view returns(uint){
        return _data;
    }
}

计算功能被单独放入一个业务合约中：

contract Computer{
    DataRepository private _dataRepository;
    constructor(address addr){
        _dataRepository =DataRepository(addr);
    }

    //业务代码
    function compute() public view returns(uint){
        return _dataRepository.getData() * 10;
    }    
}

这样，只要数据合约是稳定的，业务合约的升级就很轻量化了。比如，当我要把Computer换成ComputerV2时，原先的数据依然可以被复用。

Satellite - 分解合约功能

一个复杂的合约通常由许多功能构成，如果这些功能全部耦合在一个合约中，当某一个功能需要更新时，就不得不去部署整个合约，正常的功能都会受到波及。Satellite模式运用单一职责原则解决上述问题，提倡将合约子功能放到子合约里，每个子合约（也称为卫星合约）只对应一个功能。当某个子功能需要修改，只要创建新的子合约，并将其地址更新到主合约里即可，其余功能不受影响。

举个简单的例子，下面这个合约的setVariable功能是将输入数据进行计算（compute函数），并将计算结果存入合约状态_variable：

contract Base {
    uint public _variable;

    function setVariable(uint data) public {
        _variable = compute(data);
    }

    //计算
    function compute(uint a) internal returns(uint){
        return a * 10;        
    }
}

如果部署后，发现compute函数写错，希望乘以的系数是20，就要重新部署整个合约。但如果一开始按照Satellite模式操作，则只需部署相应的子合约。

首先，我们先将compute函数剥离到一个单独的卫星合约中去：

contract Satellite {
    function compute(uint a) public returns(uint){
        return a * 10;        
    }
}

然后，主合约依赖该子合约完成setVariable：

contract Base {
    uint public _variable;

    function setVariable(uint data) public {
        _variable = _satellite.compute(data);
    }

     Satellite _satellite;
    //更新子合约（卫星合约）
    function updateSatellite(address addr) public {
        _satellite = Satellite(addr);
    }
}

这样，当我们需要修改compute函数时，只需部署这样一个新合约，并将它的地址传入到Base.updateSatellite即可：

contract Satellite2{
    function compute(uint a) public returns(uint){
        return a * 20;        
    }    
}

Contract Registry - 跟踪最新合约

在Satellite模式中，如果一个主合约依赖子合约，在子合约升级时，主合约需要更新对子合约的地址引用，这通过updateXXX来完成，例如前文的updateSatellite函数。这类接口属于维护性接口，与实际业务无关，过多暴露此类接口会影响主合约美观，让调用者的体验大打折扣。Contract Registry设计模式优雅地解决了这个问题。在该设计模式下，会有一个专门的合约Registry跟踪子合约的每次升级情况，主合约可通过查询此Registyr合约取得最新的子合约地址。卫星合约重新部署后，新地址通过Registry.update函数来更新。

contract Registry{

    address _current;
    address[] _previous;

    //子合约升级了，就通过update函数更新地址
    function update(address newAddress) public{
        if(newAddress != _current){
            _previous.push(_current);
            _current = newAddress;
        }
    } 

    function getCurrent() public view returns(address){
        return _current;
    }
}

主合约依赖于Registry获取最新的卫星合约地址。

contract Base {
    uint public _variable;

    function setVariable(uint data) public {
        Satellite satellite = Satellite(_registry.getCurrent());
        _variable = satellite.compute(data);
    }

    Registry private _registry = //...;
}

Contract Relay - 代理调用最新合约

该设计模式所解决问题与Contract Registry一样，即主合约无需暴露维护性接口就可调用最新子合约。该模式下，存在一个代理合约，和子合约享有相同接口，负责将主合约的调用请求传递给真正的子合约。卫星合约重新部署后，新地址通过SatelliteProxy.update函数来更新。

contract SatelliteProxy{
    address _current;
    function compute(uint a) public returns(uint){
        Satellite satellite = Satellite(_current);   
        return satellite.compute(a);
    } 
    
    //子合约升级了，就通过update函数更新地址
    function update(address newAddress) public{
        if(newAddress != _current){
            _current = newAddress;
        }
    }   
}


contract Satellite {
    function compute(uint a) public returns(uint){
        return a * 10;        
    }
}

主合约依赖于SatelliteProxy：

contract Base {
    uint public _variable;

    function setVariable(uint data) public {
        _variable = _proxy.compute(data);
    }
    SatelliteProxy private _proxy = //...;
}

生命周期（Lifecycle）

在默认情况下，一个合约的生命周期近乎无限——除非赖以生存的区块链被消灭。但很多时候，用户希望缩短合约的生命周期。这一节将介绍两个简单模式提前终结合约生命。

Mortal - 允许合约自毁

字节码中有一个selfdestruct指令，用于销毁合约。所以只需要暴露出自毁接口即可：

contract Mortal{

    //自毁
    function destroy() public{
        selfdestruct(msg.sender);
    } 
}

Automatic Deprecation - 允许合约自动停止服务

如果你希望一个合约在指定期限后停止服务，而不需要人工介入，可以使用Automatic Deprecation模式。

contract AutoDeprecated{

    uint private _deadline;

    function setDeadline(uint time) public {
        _deadline = time;
    }

    modifier notExpired(){
        require(now <= _deadline);
        _;
    }

    function service() public notExpired{ 
        //some code    
    } 
}

当用户调用service，notExpired修饰符会先进行日期检测，这样，一旦过了特定时间，调用就会因过期而被拦截在notExpired层。

权限（Authorization）

前文中有许多管理性接口，这些接口如果任何人都可调用，会造成严重后果，例如上文中的自毁函数，假设任何人都能访问，其严重性不言而喻。所以，一套保证只有特定账户能够访问的权限控制设计模式显得尤为重要。

Ownership

对于权限的管控，可以采用Ownership模式。该模式保证了只有合约的拥有者才能调用某些函数。首先需要有一个Owned合约：

contract Owned{

    address public _owner;

    constructor() {
        _owner = msg.sender;
    }    

    modifier onlyOwner(){
        require(_owner == msg.sender);
        _;
    }
}

如果一个业务合约，希望某个函数只由拥有者调用，该怎么办呢？如下：

contract Biz is Owned{
    function manage() public onlyOwner{
    }
}

这样，当调用manage函数时，onlyOwner修饰符就会先运行并检测调用者是否与合约拥有者一致，从而将无授权的调用拦截在外。

行为控制（Action And Control）

这类模式一般针对具体场景使用，这节将主要介绍基于隐私的编码模式和与链外数据交互的设计模式。

Commit - Reveal - 延迟秘密泄露

链上数据都是公开透明的，一旦某些隐私数据上链，任何人都可看到，并且再也无法撤回。Commit And Reveal模式允许用户将要保护的数据转换为不可识别数据，比如一串哈希值，直到某个时刻再揭示哈希值的含义，展露真正的原值。以投票场景举例，假设需要在所有参与者都完成投票后再揭示投票内容，以防这期间参与者受票数影响。我们可以看看，在这个场景下所用到的具体代码：

contract CommitReveal {

    struct Commit {
        string choice; 
        string secret; 
        uint status;
    }

    mapping(address => mapping(bytes32 => Commit)) public userCommits;
    event LogCommit(bytes32, address);
    event LogReveal(bytes32, address, string, string);

    function commit(bytes32 commit) public {
        Commit storage userCommit = userCommits[msg.sender][commit];
        require(userCommit.status == 0);
        userCommit.status = 1; // committed
        emit LogCommit(commit, msg.sender);
    }

    function reveal(string choice, string secret, bytes32 commit) public {
        Commit storage userCommit = userCommits[msg.sender][commit];
        require(userCommit.status == 1);
        require(commit == keccak256(choice, secret));
        userCommit.choice = choice;
        userCommit.secret = secret;
        userCommit.status = 2;
        emit LogReveal(commit, msg.sender, choice, secret);
    }
}

Oracle - 读取链外数据

目前，链上的智能合约生态相对封闭，无法获取链外数据，影响了智能合约的应用范围。链外数据可极大扩展智能合约的使用范围，比如在保险业中，如果智能合约可读取到现实发生的意外事件，就可自动执行理赔。获取外部数据会通过名为Oracle的链外数据层来执行。当业务方的合约尝试获取外部数据时，会先将查询请求存入到某个Oracle专用合约内；Oracle会监听该合约，读取到这个查询请求后，执行查询，并调用业务合约响应接口使合约获取结果。

下面定义了一个Oracle合约：

contract Oracle {
    address oracleSource = 0x123; // known source

    struct Request {
        bytes data;
        function(bytes memory) external callback;
}

    Request[] requests;
    event NewRequest(uint);
    modifier onlyByOracle() {
        require(msg.sender == oracleSource); _;
    }

    function query(bytes data, function(bytes memory) external callback) public {
        requests.push(Request(data, callback));
        emit NewRequest(requests.length - 1);
    }

    //回调函数，由Oracle调用
    function reply(uint requestID, bytes response) public onlyByOracle() {
        requests[requestID].callback(response);
    }
}

业务方合约与Oracle合约进行交互：

contract BizContract {
    Oracle _oracle;

    constructor(address oracle){
        _oracle = Oracle(oracle);
    }

    modifier onlyByOracle() {
        require(msg.sender == address(_oracle)); 
        _;
    }

    function updateExchangeRate() {
        _oracle.query("USD", this.oracleResponse);
    }

    //回调函数，用于读取响应
    function oracleResponse(bytes response) onlyByOracle {
    // use the data
    }
}

总结

本文的介绍涵盖了安全性、可维护性等多种设计模式，其中，有些偏原则性，如Security和Maintenance设计模式；有些是偏实践，例如Authrization，Action And Control。这些设计模式，尤其实践类，并不能涵盖所有场景。随着对实际业务的深入探索，会遇到越来越多的特定场景与问题，开发者可对这些模式提炼、升华，以沉淀出针对某类问题的设计模式。上述设计模式是程序员的有力武器，掌握它们可应对许多已知场景，但更应掌握提炼设计模式的方法，这样才能从容应对未知领域，这个过程离不开对业务的深入探索，对软件工程原则的深入理解。