《纸上谈兵·solidity》第 21 课：Gas 优化与成本分析 —— 写出便宜的智能合约

课程目标

• 理解智能合约的主要 Gas 消耗来源
• 掌握常见的 优化技巧与模式
• 通过 Foundry 对比 优化前后 Gas 成本
• 建立“写出高效合约”的思维框架

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1、Gas 的构成

在 EVM 中，Gas 主要分为三类：

1. 计算消耗：算术运算、函数调用等
2. 存储消耗：对 storage 的读写最昂贵
3. 交易消耗：部署合约、转账、事件日志

其中最关键的是 storage 写入，单次写入约 20,000 gas（如果从 0 改为非 0）。

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2、优化点概览

| 优化点 | 建议做法 | 原因 | | ----------------------------------- | ---------------------------------- | ------------- | | 存储变量访问 | 先读入 memory 变量，再多次使用 | 减少重复 SLOAD 成本 | | storage vs memory vs calldata | 尽量使用 calldata 作为函数参数 | 最便宜，避免复制 | | 变量打包 | 将多个 uint128 合并到一个 uint256 slot | 节省存储槽 | | 固定长度数组 | 用 bytes32 替代 string/bytes | 减少动态存储开销 | | 循环 | 避免无限增长数组迭代 | 每次循环线性增加 Gas | | 事件 | 只记录必要字段 | 日志存储在链上也要付费 | | External call | 批处理、懒执行 | 减少重复调用 |

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3、常见优化技巧

1. 避免重复 SLOAD

// 差的写法
function bad(uint256 x) external {
    for (uint i = 0; i < 10; i++) {
        storageVar += x;
    }
}

// 优化写法
function good(uint256 x) external {
    uint256 tmp = storageVar;
    for (uint i = 0; i < 10; i++) {
        tmp += x;
    }
    storageVar = tmp;
}

在循环中访问 storage 十次，成本远高于一次写回。

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2. 使用 calldata 代替 memory

// 差的写法
function sum(uint256[] memory arr) external pure returns (uint256 s) {
    for (uint i = 0; i < arr.length; i++) {
        s += arr[i];
    }
}

// 优化写法
function sum(uint256[] calldata arr) external pure returns (uint256 s) {
    for (uint i = 0; i < arr.length; i++) {
        s += arr[i];
    }
}

memory 会复制数组，而 calldata 直接引用，节省大量 gas。

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3. 变量打包

// 差的写法
struct Bad {
    uint128 a;
    uint128 b;
    uint128 c;
}

// 优化写法（两个 slot -> 一个 slot）
struct Good {
    uint128 a;
    uint128 b;
    uint256 c;
}

Solidity 会将多个小于 256bit 的变量打包进一个存储槽。

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4. 事件优化

// 差的写法
event Deposit(address indexed user, uint256 amount, string memo);

// 优化写法
event Deposit(address indexed user, uint256 amount);

string 会额外消耗存储空间，除非业务必须，尽量避免。

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4、Foundry 实战：Gas 对比测试

合约：未优化 vs 优化

// SPDX-License-Identifier: MIT
pragma solidity ^0.8.20;

contract BadContract {
    uint256 public value;

    function addMany(uint256 x) external {
        for (uint i = 0; i < 10; i++) {
            value += x; // 每次都访问 storage
        }
    }
}

contract GoodContract {
    uint256 public value;

    function addMany(uint256 x) external {
        uint256 tmp = value;
        for (uint i = 0; i < 10; i++) {
            tmp += x;
        }
        value = tmp; // 只写一次 storage
    }
}

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测试：比较 Gas 消耗

// SPDX-License-Identifier: MIT
pragma solidity ^0.8.20;

import "forge-std/Test.sol";
import "../src/Gas.sol";

contract GasTest is Test {
    BadContract bad;
    GoodContract good;

    function setUp() public {
        bad = new BadContract();
        good = new GoodContract();
    }

    function testGasBad() public {
        bad.addMany(1);
    }

    function testGasGood() public {
        good.addMany(1);
    }
}

执行测试：

➜  tutorial git:(main) ✗ forge test --match-path test/Gas.t.sol --gas-report -vvv 

[⠊] Compiling...
[⠒] Compiling 2 files with Solc 0.8.30
[⠑] Solc 0.8.30 finished in 506.84ms
Compiler run successful!

Ran 2 tests for test/Gas.t.sol:GasTest
[PASS] testGasBad() (gas: 53693)
[PASS] testGasGood() (gas: 51716)
Suite result: ok. 2 passed; 0 failed; 0 skipped; finished in 3.57ms (894.88µs CPU time)

╭----------------------------------+-----------------+-------+--------+-------+---------╮
| src/Gas.sol:BadContract Contract |                 |       |        |       |         |
+=======================================================================================+
| Deployment Cost                  | Deployment Size |       |        |       |         |
|----------------------------------+-----------------+-------+--------+-------+---------|
| 152487                           | 489             |       |        |       |         |
|----------------------------------+-----------------+-------+--------+-------+---------|
|                                  |                 |       |        |       |         |
|----------------------------------+-----------------+-------+--------+-------+---------|
| Function Name                    | Min             | Avg   | Median | Max   | # Calls |
|----------------------------------+-----------------+-------+--------+-------+---------|
| addMany                          | 48203           | 48203 | 48203  | 48203 | 1       |
╰----------------------------------+-----------------+-------+--------+-------+---------╯

╭-----------------------------------+-----------------+-------+--------+-------+---------╮
| src/Gas.sol:GoodContract Contract |                 |       |        |       |         |
+========================================================================================+
| Deployment Cost                   | Deployment Size |       |        |       |         |
|-----------------------------------+-----------------+-------+--------+-------+---------|
| 153147                            | 492             |       |        |       |         |
|-----------------------------------+-----------------+-------+--------+-------+---------|
|                                   |                 |       |        |       |         |
|-----------------------------------+-----------------+-------+--------+-------+---------|
| Function Name                     | Min             | Avg   | Median | Max   | # Calls |
|-----------------------------------+-----------------+-------+--------+-------+---------|
| addMany                           | 46257           | 46257 | 46257  | 46257 | 1       |
╰-----------------------------------+-----------------+-------+--------+-------+---------╯


Ran 1 test suite in 6.50ms (3.57ms CPU time): 2 tests passed, 0 failed, 0 skipped (2 total tests)

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5、进阶优化策略

1. 批处理：合并多次转账为一次
2. 懒执行：只在必要时更新状态变量（例如延迟结算）
3. 预计算：在链下完成复杂运算，把结果上链
4. 库函数优化：使用 unchecked {} 避免多余溢出检查（适合已知安全场景）

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6、总结

• Gas 优化的关键：减少 storage 写入，避免不必要的复制，合理打包变量
• 使用 Foundry 的 --gas-report 工具可以直观对比优化效果
• 优化要 兼顾安全与可读性，不要为省 gas 牺牲合约清晰度

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