イーサリアムスマートコントラクトGas最適化実践ガイド

イーサリアムネットワークのGas料金は、開発者とユーザーが共に直面する課題であり、特にネットワークが混雑している時に顕著です。ピーク時には、ユーザーは非常に高い取引手数料を支払う必要があることがよくあります。したがって、スマートコントラクト開発段階でのGas料金の最適化は非常に重要です。Gas消費の最適化は、取引コストを効果的に削減するだけでなく、取引効率を向上させ、ユーザーにとってより経済的で効率的なブロックチェーン使用体験を提供します。

本文では、イーサリアム仮想マシン(EVM)のGas費メカニズム、Gas費最適化に関する核心概念、およびスマートコントラクトを開発する際のGas費最適化のベストプラクティスについて概説します。これらの内容が開発者にインスピレーションと実用的な助けを提供し、一般ユーザーがEVMのGas費用の運用方法をよりよく理解し、ブロックチェーンエコシステムの課題に共に対処できることを願っています。

EVMのGas費メカニズムの紹介

EVM互換のネットワークでは、「ガス」は特定の操作を実行するために必要な計算能力を測定する単位です。

EVMの構造レイアウトでは、Gasの消費は3つの部分に分かれています: 操作の実行、外部メッセージの呼び出し、そしてメモリとストレージの読み書き。

各取引の実行には計算リソースが必要なため、無限ループやサービス拒否(DoS)攻撃を防ぐために一定の手数料が徴収されます。取引を完了するために必要な手数料は「ガス代」と呼ばれます。

EIP-1559(ロンドンハードフォーク)が発効して以来、Gas費は以下の公式で計算されます:

ガス料金 = 使用したガスの単位 * (基本料金 + プライオリティ料金)

基礎手数料は破棄され、優先手数料はインセンティブとして使用され、バリデーターがトランザクションをブロックチェーンに追加することを促します。トランザクションを送信する際により高い優先手数料を設定すると、トランザクションが次のブロックに含まれる可能性を高めることができます。これはユーザーがバリデーターに支払う「チップ」のようなものです。

! イーサリアムスマートコントラクトのガス最適化のためのトップ10のベストプラクティス

1. EVMにおけるGasの最適化を理解する

Solidityでスマートコントラクトをコンパイルすると、コントラクトは一連の"操作コード"、すなわちopcodesに変換されます。

操作コード(のすべてのセクション、たとえばコントラクトの作成、メッセージ呼び出しの実行、アカウントストレージへのアクセス、そして仮想マシン上での操作の実行)には、公認のガス消費コストがあります。これらのコストはイーサリアムのホワイトペーパーに記録されています。

複数回のEIPの修正を経て、一部のオペコードのGasコストが調整され、黄皮書において多少の偏差がある可能性があります。

2.ガス最適化の基本概念

Gas最適化の核心理念は、EVMブロックチェーン上でコスト効率の高い操作を優先的に選択し、Gasコストが高い操作を避けることです。

EVMでは、以下の操作コストが低いです:

• メモリ変数の読み書き
• 定数と不変の変数を読み取る
• ローカル変数の読み書き
• calldata 配列や構造体などの calldata 変数を読み取る
• 内部関数呼び出し

コストが高い操作には次のものが含まれます:

• コントラクトストレージに保存された状態変数の読み書き
• 外部関数呼び出し
• ループ操作

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EVMガス費用最適化のベストプラクティス

上述の基本概念に基づいて、私たちは開発者コミュニティのためにGas費用の最適化ベストプラクティスリストを整理しました。これらのプラクティスに従うことで、開発者はスマートコントラクトのGas費用消費を削減し、取引コストを低下させ、より効率的でユーザーフレンドリーなアプリケーションを構築できます。

) 1.ストレージの使用をできるだけ減らす

Solidityにおいて、Storage###ストレージ(は有限なリソースであり、そのGas消費はMemory)メモリ(よりもはるかに高いです。スマートコントラクトがストレージからデータを読み取ったり書き込んだりするたびに、高額なGasコストが発生します。

イーサリアムのホワイトペーパーの定義によれば、ストレージ操作のコストはメモリ操作の100倍以上高いです。例えば、OPcodeのmloadとmstore命令はわずか3ガス単位を消費しますが、ストレージ操作のsloadとsstoreは最も理想的な状況でも、コストが少なくとも100単位は必要です。

制限ストレージ使用の方法には次のものが含まれます:

• 非永続データをメモリに保存する
• ストレージの変更回数を減らす: 中間結果をメモリに保存し、すべての計算が完了した後に結果をストレージ変数に割り当てる。

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) 2.変数パッケージ

スマートコントラクト中に使用されるStorage slot###ストレージスロット(の数および開発者がデータを表示する方法は、Gas費の消耗に大きな影響を与えます。

Solidityコンパイラは、コンパイルプロセス中に連続したストレージ変数をパッケージ化し、32バイトのストレージスロットを変数ストレージの基本単位として使用します。変数のパッケージ化とは、合理的に変数を配置することによって、複数の変数が単一のストレージスロットに適合できるようにすることを指します。

この詳細な調整により、開発者は20,000Gasユニット)を節約できます。未使用のストレージスロットを保存するには20,000Gas(が必要ですが、現在は2つのストレージスロットのみが必要です。

各ストレージスロットはガスを消費するため、変数のパッケージ化は必要なストレージスロットの数を減らすことでガスの使用を最適化します。

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( 3.データ型の最適化

変数はさまざまなデータ型で表すことができますが、異なるデータ型に対応する操作コストも異なります。適切なデータ型を選択することは、ガスの使用を最適化するのに役立ちます。

例えば、Solidityでは、整数は異なるサイズに細分化できます：uint8、uint16、uint32など。EVMが256ビット単位で操作を実行するため、uint8を使用すると、EVMは最初にそれをuint256に変換しなければならず、この変換は追加のGasを消費します。

単独で見ると、uint256を使用する方がuint8よりも安価です。しかし、変数をパッキングして最適化する場合は異なります。もし開発者が4つのuint8変数を1つのストレージスロットにパッキングできるのであれば、それらを反復処理する総コストは4つのuint256変数よりも低くなります。このようにして、スマートコントラクトは1回のストレージスロットの読み書きで、4つのuint8変数をメモリ/ストレージに1回の操作で配置することができます。

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( 4.固定サイズの変数を動的変数の代わりに使用する

データが32バイト以内に制御できる場合は、bytesまたはstringsの代わりにbytes32データ型を使用することをお勧めします。一般的に、固定サイズの変数は可変サイズの変数よりもガスを少なく消費します。バイトの長さを制限できる場合は、bytes1からbytes32の最小の長さを選択してください。

) 5.マッピングと配列

Solidityのデータリストは2つのデータ型で表すことができます: 配列###Arrays###とマッピング(Mappings)ですが、それらの構文と構造は全く異なります。

マッピングはほとんどの場合、効率が高くコストが低いですが、配列は反復可能でデータ型のパッケージ化をサポートしています。したがって、データリストを管理する際には、反復が必要ない限り、またはデータ型のパッケージ化によってガス消費を最適化できる場合を除き、マッピングを優先して使用することをお勧めします。

! イーサリアムスマートコントラクトのガス最適化のためのトップ10ベストプラクティス

( 6. メモリの代わりに calldata を使用する

関数の引数で宣言された変数は、calldataまたはmemoryに格納できます。両者の主な違いは、memoryは関数によって変更可能ですが、calldataは不変であるということです。

この原則を覚えておいてください: 関数の引数が読み取り専用である場合、memoryよりもcalldataを優先して使用すべきです。これにより、関数のcalldataからmemoryへの不必要なコピー操作を回避できます。

) 7.できるだけConstant/Immutableキーワードを使用してください

Constant/Immutable変数は、コントラクトのストレージに保存されません。これらの変数はコンパイル時に計算され、コントラクトのバイトコードに保存されます。したがって、ストレージと比較して、それらのアクセスコストははるかに低くなるため、可能な限りConstantまたはImmutableキーワードを使用することをお勧めします。

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( 8.オーバーフロー/アンダーフローが発生しないことを確認した上でUncheckedを使用する

開発者が算術演算がオーバーフローやアンダーフローを引き起こさないことを確認できる場合、Solidity v0.8.0で導入されたuncheckedキーワードを使用して、余分なオーバーフローやアンダーフローのチェックを回避し、Gasコストを節約できます。

さらに、0.8.0以上のバージョンのコンパイラではSafeMathライブラリを使用する必要がなくなりました。なぜなら、コンパイラ自体にオーバーフローおよびアンダーフロー保護機能が組み込まれているからです。

) 9.最適化モディファイア

修正子のコードは修正された関数に埋め込まれ、修正子を使用するたびにそのコードがコピーされます。これによりバイトコードのサイズが増加し、Gasの消費が増加します。最適化の方法は、ロジックを内部関数に再構築し、その内部関数を修正子内で再利用できるようにすることで、バイトコードのサイズを減少させ、Gasコストを削減することです。

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( 10.ショートサーキット最適化

||および&&演算子に対して、論理演算はショートサーキット評価が行われます。つまり、最初の条件が論理式の結果を決定できる場合、2番目の条件は評価されません。

ガス消費を最適化するためには、計算コストの低い条件を前に置くべきです。そうすることで、高コストの計算をスキップできる可能性があります。

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一般的なアドバイス

( 1.不要なコードを削除する

契約に未使用の関数や変数が存在する場合は、それを削除することをお勧めします。これは、契約のデプロイコストを削減し、契約のサイズを小さく保つ最も直接的な方法です。

以下は幾つかの実用的なアドバイスです:

• 最も効率的なアルゴリズムを使用して計算を行います。契約内で特定の計算結果を直接使用する場合は、これらの冗長な計算プロセスを削除する必要があります。本質的に、未使用の計算はすべて削除されるべきです。

• イーサリアムでは、開発者はストレージスペースを解放することでGas報酬を得ることができます。もし特定の変数がもはや必要ない場合は、deleteキーワードを使って削除するか、デフォルト値に設定するべきです。

• ループ最適化: 高コストのループ操作を避け、可能な限りループを統合し、重複計算をループ本体の外に移動させる。

) 2.プリコンパイルされたスマートコントラクトを使用する

プレコンパイルコントラクトは、暗号化やハッシュ操作などの複雑なライブラリ関数を提供します。コードはEVM上ではなく、クライアントノードのローカルで実行されるため、必要なGasが少なくなります。プレコンパイルコントラクトを使用することで、スマートコントラクトの実行に必要な計算作業量を減らすことができ、Gasを節約できます。

プレコンパイルされたコントラクトの例には、楕円曲線デジタル署名アルゴリズム###ECDSA###とSHA2-256ハッシュアルゴリズムが含まれます。スマートコントラクト内でこれらのプレコンパイルされたコントラクトを使用することで、開発者はガスコストを削減し、アプリケーションの実行効率を向上させることができます。

( 3.インラインアセンブリコードを使用する

インラインアセンブリ)in-line assembly###は、開発者がEVMによって直接実行可能な低レベルでありながら効率的なコードを記述できるようにし、高価なSolidityオペコードを使用する必要がありません。インラインアセンブリは、メモリとストレージの使用をより正確に制御できるため、Gas費用をさらに削減します。また、インラインアセンブリは、Solidityのみでは難しい複雑な操作を実行できるため、Gas消費の最適化に対してより多くの柔軟性を提供します。

しかし、インラインアセンブリを使用することはリスクを伴い、間違いやすくもあります。したがって、経験豊富な開発者の操作に限定して慎重に使用すべきです。

( 4. Layer 2ソリューションを使用する

Layer 2ソリューションを使用することで、イーサリアムメインネット上に保存および計算する必要があるデータ量を削減できます。

ロールアップやサイドチェーン