GnosisSafeProxy 学习

GnosisSafe是以太坊区块链上最流行的多签钱包！它的最初版本叫 MultiSigWallet，现在新的钱包叫Gnosis Safe，意味着它不仅仅是钱包了。它自己的介绍为:以太坊上的最可信的数字资产管理平台（The most trusted platform to manage digital assets on Ethereum）。

Gnosis Safe Contracts的核心合约采用了代理/实现这种模式，并且为了方便大家创建，使用了ProxyFractory合约来进行代理合约的创建（当然创建代理合约之前必须创建实现合约）。

这里什么是代理/实现模式就不再讲了，不清楚的读者可以自行阅读相关文章。

1.1 GnosisSafeProxy.sol 合约源码

既然是代理/实现合约，那么我们平常交互的对象就是代理合约了，虽然逻辑在实现合约里面。相对其它而言，代理合约是非常简单的，和openzeppelin的代理合约也很相似，我们先看本合约源码。

// SPDX-License-Identifier: LGPL-3.0-only
pragma solidity >=0.7.0 <0.9.0;
/// @title IProxy - Helper interface to access masterCopy of the Proxy on-chain
/// @author Richard Meissner - <richard@gnosis.io>
interface IProxy {
    function masterCopy() external view returns (address);
}
/// @title GnosisSafeProxy - Generic proxy contract allows to execute all transactions applying the code of a master contract.
/// @author Stefan George - <stefan@gnosis.io>
/// @author Richard Meissner - <richard@gnosis.io>
contract GnosisSafeProxy {
    // singleton always needs to be first declared variable, to ensure that it is at the same location in the contracts to which calls are delegated.
    // To reduce deployment costs this variable is internal and needs to be retrieved via `getStorageAt`
    address internal singleton;
    /// @dev Constructor function sets address of singleton contract.
    /// @param _singleton Singleton address.
    constructor(address _singleton) {
        require(_singleton != address(0), "Invalid singleton address provided");
        singleton = _singleton;
    }
    /// @dev Fallback function forwards all transactions and returns all received return data.
    fallback() external payable {
        // solhint-disable-next-line no-inline-assembly
        assembly {
            let _singleton := and(sload(0), 0xffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff)
            // 0xa619486e == keccak("masterCopy()"). The value is right padded to 32-bytes with 0s
            if eq(calldataload(0), 0xa619486e00000000000000000000000000000000000000000000000000000000) {
                mstore(0, _singleton)
                return(0, 0x20)
            }
            calldatacopy(0, 0, calldatasize())
            let success := delegatecall(gas(), _singleton, 0, calldatasize(), 0, 0)
            returndatacopy(0, 0, returndatasize())
            if eq(success, 0) {
                revert(0, returndatasize())
            }
            return(0, returndatasize())
        }
    }
}

1.2 源码学习

注意：阅读注释很重要，魔鬼细节全在注释里。

我们现在开始学习，直接跳过版权声明和pragma声明部分。

  • IProxy 定义了一个代理合约需要实现的接口，它仅有一个函数masterCopy()，功能为返回其实现合约地址。

  • contract GnosisSafeProxy 代理合约定义。注意注释中提到，它会根据master合约中的代码来执行所有交易（其实这里有一个例外，就是masterCopy函数本身。注意，合约定义并没有is IProxy，也就是不需要显式实现masterCopy函数。这是因为为了节省gas，该函数统一通过fallback函数来实现，所以不需要显式定义合约必须实现IProxy接口。

  • singleton 字面意思类似Java中单例，也就是唯一实现master。注意，它是合约中的第一个状态变量，所以存储在插槽0。实现合约中的相同的状态变量必须和代理合约中保持插槽顺序一致（否则会引起插槽冲突），也就是说实现合约的第一个状态变量必须也是singleton。这个我们以后学习到实现合约时再做验证。

  • 注释中提到它是内部可见性，是为了节省gas。它可以通过getStorageAt也就是直接读取插槽位置获取，当然了，本合约中可以通过IProxy定义的接口函数masterCopy获取，当然，它内部也是通过读取插槽0实现的。

  • 构造器参数是实现合约地址，验证了它不能为0地址，这个很简单，当然我们可以进一步验证其它必须为合约地址。

  • fallback 函数。我们知道，调用一个合约时，如果合约匹配不到相应的函数，则会调用fallback函数（如果有定义）。代理/实现模式利用了这一特点，在fallback 函数里将所有的调用转为调用实现合约中相应的逻辑，再返回相应结果。因为本合约未定义receive函数，所以接收ETH也是执行的本函数。

  • 本列中的fallback函数和openzeppelin合约中的略有不同，首先，它判断了调用是否为masterCopy函数，如果是的话，直接返回singleton地址，因此变相实现了IProxy。如果不是调用的masterCopy函数，则委托调用实现合约的相关逻辑。我们来简单学习一下它的代码。

    需要注意的是，在内嵌汇编中，所有的EVM dialect涉及的数据类型都是uint256类型，没有其它类型。接下来的文档中如果没有特殊说明，所有的word均指32字节（256位）。EVM中的操作一般是以一个word为单位的。

    1. let _singleton := and(sload(0), 0xffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff) 这行代码先读取插槽0的数据（32字节，256位），然后和40个F按位与操作，重置前面未使用的数据位为0。这是一个良好的习惯，我们不能假定前面未使用的数据位一定为0，虽然本例中的确为0。最后的结果得到 singleton地址，注意前面提到过，其不是地址类型，而是uint256。

    2. if eq(calldataload(0), 0xa619486e00000000000000000000000000000000000000000000000000000000) {
    mstore(0, _singleton)
    return(0, 0x20)
}

      判断调用是否为masterCopy。注意，虽然我们平常调用合约时，类似masterCopy这样的没有参数的函数调用它的数据只有8位0xa619486e（函数选择器），但是calldataload读取的是calldata中的0地址开始的一个word内容，它是256位的，不足的话会被右边补0。所以if语句中相比较的是补0后的函数选择器，那么补了多少个0呢？由于uint256是64个16进制长度，函数选择器的长度是8，所以补了 64 - 8 = 56 个0.

      如果比较相等，则把singleton地址保存到内存中0地址开始的字节中去，然后返回该地址。注意return(0, 0x20)返回内存中0地址开始的一个word，第一个参数0代表开始地址，第二个参数0x20代表返回内容的长度（字节数）。0x20 = 32 也就是一个word（32字节），刚好是上一步压入内存的地址。

    3. 如果不是masterCopy函数，则执行逻辑和openzeppelin中相关函数一致，我们来看代码：

      calldatacopy(0, 0, calldatasize())
let success := delegatecall(gas(), _singleton, 0, calldatasize(), 0, 0)
returndatacopy(0, 0, returndatasize())
if eq(success, 0) {
    revert(0, returndatasize())
}
return(0, returndatasize())

      第一行将所有的calldata数据复制到内存中（从calldata的0地址开始，复制到内存中的0地址开始位置）。

      第二行进行委托调用，对应的参数按顺序分别为剩余的gas，实现合约地址，内存中开始地址，数据大小，output开始位置 ,output大小（最后两项一般为0）。 因为上一步复制了calldata到内存0位置，所以这里我们是从0地址开始的，大小刚好就是calldatasize。

      第三行将返回值复制到了内存中从0地址开始的位置（多次利用了零地址开头的内存）。

      4-6行判断如果返回值是0（代表delegatecall失败），则将返回值revert（这里一般是出错原因）。第一个参数0代表内存开始位置 ，第二个参数代表数据大小–字节数。

      第7行如果调用成功，则将返回值return。（第一个参数0代表内存开始位置 ，第二个参数代表数据大小–字节数）

    4. 我们可以对比一下openzeppelin中相关代码_delegate函数，基本是类似的：

      function _delegate(address implementation) internal virtual {
    assembly {
        // Copy msg.data. We take full control of memory in this inline assembly
        // block because it will not return to Solidity code. We overwrite the
        // Solidity scratch pad at memory position 0.
        calldatacopy(0, 0, calldatasize())
        // Call the implementation.
        // out and outsize are 0 because we don't know the size yet.
        let result := delegatecall(gas(), implementation, 0, calldatasize(), 0, 0)
        // Copy the returned data.
        returndatacopy(0, 0, returndatasize())
        switch result
        // delegatecall returns 0 on error.
        case 0 {
            revert(0, returndatasize())
        }
        default {
            return(0, returndatasize())
        }
    }
}

      Gnosis的代码和这个相比，仅是多了一个masterCopy的调用判断及返回。

    5. 知识拓展。我们知道，在Solidity中，有自由内存指针，并且还有scratch。我们平常并不是从内存中零地址开始操作的，通常是从自由内存指针指向的地址开始操作的，一般为0x80（前四个word已经被占用）。但是这里openzeppelin的注释解释的很清楚，它并没有采用Solidity的内存控制，而是自己完全控制，因为它不涉及到Solidity代码（内嵌汇编是Yul代码），因此是不冲突的。同时它还解释了我们将delegatecall最后两个参数设置为0的原因是我们无法知道返回值大小。

    好了，GnosisSafeProxy.sol 就算学习结束了，它只是一个简单的代理合约。和标准的代理合约相比，它多了一个masterCopy函数的调用判断。

    为什么没有把它单独列为一个函数呢？根据注释猜想应该是为了节省gas。

    相对而言，openzeppelin模板中的TransparentUpgradeableProxy 合约专门提供了一个函数implementation用来返回实现合约的地址。 另外， TransparentUpgradeableProxy中的实现合约一般不是插槽位置0的状态变量，例如实现了eip-1967

    的ERC1967Upgrade合约，它的实现插槽是根据"eip1967.proxy.implementation" 计算的哈希值减去1 得到的，虽然这样会存在哈希碰撞的可能，但仅存于理论上。

    采用相同插槽位置（从0开始）来保存相同状态变量的代理/实现模式还有CompoundV2版本的合约，大家有兴趣的可以自己去看一下相关源码。

    拓展一点：
    openzeppelin在它自己的访问提到了为什么会有TransparentUpgradeableProxy.是因为本合约这种最简单的代理实现模式可能存在函数选择器冲突。如果实现合约恰好有一个函数的选择器和masterCopy相同（利用编程语言可以构造一个），那么在调用这个函数时其实是会调用masterCopy，从而得到的一个错误的结果。但是我们这里的实现合约是固定的，所以不会存在这个问题。大家有兴趣的可以参考：
    https://docs.openzeppelin.com/contracts/4.x/api/proxy#TransparentUpgradeableProxy

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