2. Memory

在EVM中，Memory可以被认为是一个可拓展的通过字节寻址的一维数组，开始时是空的，读取写入和扩展都需要花费Gas。同时内存的成本是和使用的成比例上升的，所以即使memory理论上有$2^256$ 个elements但是一般也用不到那么多。同时还有Gas限制，所以更用不到了。

Calldata类似，但是Calldata无法扩展或者覆盖，并且充当合约调用的输入

Memory和Calldata不是持久的，在交易结束后就会被丢弃，同时几乎所有的从内存中的读取操作都是以32字节为单位的。

Gas Cost

在智能合约执行期间，可以使用操作码访问内存。当首次访问偏移量（读取或写入）时，内存可能会触发扩展，这会消耗gas。

当访问的字节偏移量（模 32）大于之前的偏移量时，可能会触发内存扩展。如果发生内存扩展的较大偏移量触发，则会计算访问较高偏移量的成本，并将其从当前调用上下文中可用的总 Gas 中删除。

一般总成本的计算方式如下:

memory_size_word = (memory_byte_size + 31) / 32
memory_cost = (memory_size_word ** 2) / 512 + (3 * memory_size_word)

当触发内存扩展时，只需支付额外的内存字节费用。因此，特定操作码的内存扩展成本为：

memory_expansion_cost = new_memory_cost - last_memory_cost

memory_byte_size 可以通过操作码 MSIZE 获得。 MSIZE 触发的内存扩展成本呈二次方增长，通过使更高的偏移量成本更高来抑制内存的过度使用。任何访问内存的操作码都可能触发扩展（例如 MLOAD、RETURN 或 CALLDATACOPY）。

Memort Data Structure

合约内存是一个简单的字节数组，其中数据可以用32字节(256位)或者1字节(8位)进行存储，但是读取是32字节的读取。

关于存储的操作主要有三个Opcode:

MSTORE(x,y) - 从内存位置X存储32字节的Y
MLOAD(x) - 将内存位置x开始的32字节加载到stack上
MSTORE8(x,y) - 将1字节的y存储到位置x上

Memory是一个数组，也就是我们能从任何位置读取并且返回32字节的数据，Memory是线性的，可以在字节级别进行寻址。

Free Memory Pointer

Memory中的布局是这样的:

Free Memory Pointer只是执行空闲内存开始位置的指针，能够确保智能合约跟踪那些内存已经被写入，哪些没有被写入。

Free Memory Pointer可以防止合约覆盖已分配给另外一个变量的内存

当一个变量写入内存的时候，合约将首先引用Free memory pointer来确定数据应该存储在哪里。

然后，它通过记录要写入新位置的数据量来更新空闲内存指针。这两个值的简单相加将产生新的可用内存的开始位置。

freeMemoryPointer + dataSizeBytes = newFreeMemoryPointer 

一开始空闲指针的定义是:

80                       =   PUSH1 0x80
40                       =   PUSH1 0x40
                        =   MSTORE  

这些有效地表明空闲内存指针位于内存中的字节 0x40（十进制 64），其值为 0x80（十进制 128）。

那为什么说是从0x80开始空闲呢？这是因为Solidity 的内存布局保留了 4 个 ``32` 字节槽：

0x00 - 0x3f (64 bytes): scratch space 暂存空间
- 暂存空间可用于语句之间，即内联汇编内和散列方法。
0x40 - 0x5f (32 bytes): free memory pointer 空闲内存指针
- 空闲内存指针，当前分配的内存大小，空闲内存的起始位置，初始为0x80。
0x60 - 0x7f (32 bytes): zero slot 零槽
- 零槽用作动态内存阵列的初始值，并且永远不应该被写入。

接下来让我们来看看EVM是如何操作Memory的:

Operate Memory

Struct

虽然到这里我们还没有提到Storage中的slot，但是先记住，在Memory中Data不是和Storage一样Packed，哪怕没有32字节大小，比如可能是一个uint32或者address，他依然会占据一个32字节的槽。E.g:

// SPDX-License-Identifier: MIT
pragma solidity ^0.8.24;
contract MemBasic {
    struct Point {
        uint256 x;
        uint32 y;
        uint32 z;
    }

    function read() public pure returns (uint256 x,uint256 y,uint256 z) {
        Point memory p = Point(1,2,3);
        
    }
}

我们首先定义了一个struct，然后在memory中初始化了他，现在我想要使用mload来读取memory中的x,y,z我们该怎么做呢:

assembly {
	x := mload(0x80) // 空闲指针初始化的位置
	y := mload(add(0x80,0x20)) // 往后加32字节
	z := mload(add(0xa0,0x20)) // 再加32字节
}

这是读取，下面我们再来看看如何写入struct数据:

Point memory p;
assembly {
	mstore(0x80,1)
	mstore(add(0x80,0x20),2)
	mstore(add(0xa0,0x20),3)
}

这时候如果想看一下Free memory pointer指向哪里我们可以使用:

Free_memory_pointer := mload(0x40) //因为这是存储指针的位置

Fixed size Array

和Struct一样，只需要记住在Memory中不管大小有多大，都是32字节的，不会打包

contract MemFixedArray {
    function test_read()
        public
        pure
        returns (uint256 a0, uint256 a1, uint256 a2)
    {
        // arr is loaded to memory starting at 0x80
        // Each array element is stored as 32 bytes
        uint32[3] memory arr = [uint32(1), uint32(2), uint32(3)];

        assembly {
            a0 := mload(0x80)
            a1 := mload(0xa0)
            a2 := mload(0xc0)
        }
    }

    function test_write()
        public
        pure
        returns (uint256 a0, uint256 a1, uint256 a2)
    {
        uint32[3] memory arr;

        assembly {
            // 0x80
            mstore(arr, 11)
            // 0xa0
            mstore(add(arr, 0x20), 22)
            // 0xc0
            mstore(add(arr, 0x40), 33)
        }

        a0 = arr[0];
        a1 = arr[1];
        a2 = arr[2];
    }
}

DynamicArray

一样，直接贴代码:

contract MemDynamicArray {
    function test_read()
        public
        pure
        returns (bytes32 p, uint256 len, uint256 a0, uint256 a1, uint256 a2)
    {
        uint256[] memory arr = new uint256[](5);
        arr[0] = uint256(11);
        arr[1] = uint256(22);
        arr[2] = uint256(33);
        arr[3] = uint256(44);
        arr[4] = uint256(55);

        assembly {
            p := arr
            // 0x80
            len := mload(arr)
            // 0xa0
            a0 := mload(add(arr, 0x20))
            // 0xc0
            a1 := mload(add(arr, 0x40))
            // 0xe0
            a2 := mload(add(arr, 0x60))
        }
    }

    function test_write() public pure returns (bytes32 p, uint256[] memory) {
        uint256[] memory arr = new uint256[](0);

        assembly {
            p := arr
            // Store length of arr
            mstore(arr, 3)
            // Store 1, 2, 3
            mstore(add(arr, 0x20), 11)
            mstore(add(arr, 0x40), 22)
            mstore(add(arr, 0x60), 33)
            // Update free memory pointer
            mstore(0x40, add(arr, 0x80))
        }

        // Data will be ABI encoded when arr is returned to caller
        return (p, arr);
    }
}

Gas Cost​

Memort Data Structure​

Free Memory Pointer​

Operate Memory​

Struct​

Fixed size Array​

DynamicArray​