[EIP145] SHL・SHR・SARオペコードについて理解しよう！

はじめに

初めまして。
CryptoGamesというブロックチェーンゲーム企業でエンジニアをしている cardene（かるでね） です！
スマートコントラクトを書いたり、フロントエンド・バックエンド・インフラと幅広く触れています。

代表的なゲームはクリプトスペルズというブロックチェーンゲームです。

今回は、の仕組みを提案しているEIP145についてまとめていきます！

以下にまとめられているものを翻訳・要約・補足しながらまとめていきます。

他にも様々なEIPについてまとめています。

概要

ネイティブのビットワイズシフト命令が導入されました。
これはホストでの処理効率が高く、コントラクトによって使用する時のコストも安くなります。

• ネイティブのビットワイズシフト命令が導入された

  • コンピュータのプロセッサが、ビット操作を行う特別な命令を持っていることを意味します。
  • ビットワイズシフトとは、データのビットを左または右に移動させる操作のことです。
  • この操作は、データの加工や数値の計算などに使用されます。

• ホストでの処理効率が向上

  • このビットワイズシフト命令を使うことで、コンピュータがデータを処理する速度が速くなることを意味しています。
  • ネイティブの命令は、プロセッサが直接理解できるため、実行速度が向上します。

• コントラクトによって使用する時のコストも安くなる

  • この命令を使用する時にかかるコスト（例えば、クラウドサービスや他のプログラミング環境での使用料など）が低くなることを示しています。
  • 効率的な命令は、リソースを節約するため、コスト削減にもつながります。

動機

EVM（イーサリアム仮想マシン）がビットワイズシフト演算子をサポートしていないというのは、EVMがビットレベルでのデータの移動を直接行う特殊な命令を持っていないことを意味します。
一方、他の種類の論理演算子や算術演算子はサポートされています。

シフト操作は、算術演算子を使って間接的に実装することが可能です。
しかし、この方法では、より多くの計算ステップが必要となり、それに伴い、処理にかかる時間とコストが増加します。
具体的には、左シフト（SHL）と右シフト（SHR）を算術演算で実装すると、それぞれ35ガス（EVMでの計算処理にかかるコストの単位）が必要になります。

対照的に、提案されている新しいビットワイズシフト命令を使用する場合、これらの操作にはわずか3ガスしか必要ありません。
これにより、EVM上での処理がはるかに効率的になり、コスト削減にも寄与することが期待されます。
これは、イーサリアムネットワーク上でスマートコントラクトを実行する時のガス消費量を大幅に削減することを意味しており、開発者やユーザーにとっての負担軽減に繋がります。

仕様

SHL: 0x1b

SHL 命令は、イーサリアムの仮想マシン（EVM）上でビットを左にシフトするために使用される命令です。
この命令は、スタックから2つの値を取り出し、1つ目の値（arg1）をシフト量として、2つ目の値（arg2）をシフト対象として使用します。
具体的には、arg2のビットをarg1の数だけ左に移動します。

(arg2 * 2^{arg1}) mod 2^{256}

この命令の計算結果は、arg2の値を2のarg1乗倍したものです。
しかし、結果は2の256乗で割った余りとして計算されるため、結果は常に256ビット以内の範囲に収まります。
この特性は、イーサリアムの256ビットの固定サイズのデータ型に適合しています。

また、arg1（シフト量）が256以上の場合、結果は自動的に0に設定されます。
これは、256ビット以上シフトすると、どのビットも残らないためです。

この命令の挙動は、数学的には PUSH1 2 EXP MUL と等価です。
つまり、2をarg1乗してarg2に掛けることで、左シフト操作が実現されるということです。
この命令は、EVM上でのビット操作を効率的かつ正確に行うために重要であり、スマートコントラクトの実装において広く利用されます。

SHR: 0x1c

SHR 命令は、イーサリアムの仮想マシン（EVM）においてビットを右にシフトするために使用される命令です。
この命令は、スタックから2つの値を取り出し、1つ目の値（arg1）をシフト量として、2つ目の値（arg2）をシフト対象として使用します。
具体的には、arg2のビットをarg1の数だけ右に移動させ、左側の空いた部分を0で埋めます。

この命令の計算結果は、arg2を2のarg1乗で割った値です。
これにより、結果は常に整数値となり、256ビットの固定サイズのデータ型に適合します。
また、arg1（シフト量）が256以上の場合、結果は自動的に0になります。
これは、256ビット以上シフトすると、全てのビットが0に置き換えられるためです。

この命令の挙動は数学的には PUSH1 2 EXP DIV と等価です。
つまり、2をarg1乗してからarg2を割ることで、論理右シフト操作が実現されます。 SHR` 命令は、EVM上でのビット操作を効率的に行い、スマートコントラクトの実装において重要な役割を果たします。
このようなビット操作は、データの圧縮やビットレベルでの計算など、さまざまな用途に利用されます。

SAR: 0x1d

SAR 命令は、イーサリアムの仮想マシン（EVM）においてビットを右にシフトする命令ですが、SHR（論理右シフト）と異なり、符号を保持する点が特徴です。
この命令は、スタックから2つの値を取り出し、1つ目の値（arg1）をシフト量として、2つ目の値（arg2）をシフト対象として使用します。
SAR では、arg2の符号を維持しながら、arg1の数だけビットを右にシフトします。

この命令の計算結果は、arg2を2のarg1乗で割った値ですが、arg2が符号付き数として扱われるため、負の数の場合の挙動が特に重要です。
例えば、arg2が負の数で、arg1が1の場合、最上位ビット（符号ビット）が保持されるため、結果は-1になります。

また、arg1（シフト量）が256以上の場合、arg2の符号に応じて結果が0または-1になります。
これは、256ビット以上シフトすると、全てのビットがシフトされるため、非負の数では0に、負の数では符号ビットが保持されるため-1になるためです。

SAR 命令は、PUSH1 2 EXP SDIV とは異なる丸め方法を採用しており、算術的なコンテキストでの正確なビットシフトを可能にします。
この命令は、EVM上でのビット操作を効率的かつ正確に行い、特に符号付き数値の扱いにおいて重要な役割を果たします。
また、シフト命令のガスコストが非常に低い（3ガス）ことも、スマートコントラクトの効率的な実装に貢献しています。

シフト系のオペコードについては以下の記事を参考にしてください。

補足

ビットシフト命令におけるオペランド（命令で操作するデータ）の順序に関する説明です。
通常の算術命令では、第一オペランドと第二オペランドの順序は特定の規則に基づいていますが、ビットシフト命令ではこの順序が逆転しています。

例えば、一般的な加算命令では、最初にスタックからポップされる値が第二オペランドとして、次にポップされる値が第一オペランドとして扱われます。
しかし、ビットシフト命令の場合、最初にポップされる値がシフト量（第一オペランド）として、次にポップされる値がシフトされる値（第二オペランド）として扱われます。

この設計は、スタック上の既存の値をより自然かつ効率的にシフトするためのものです。
つまり、スタック上で操作される値の流れをより直感的にすることで、プログラマーがビットシフト命令を使いやすくし、プログラムの可読性を高める目的があります。
このような設計の選択は、プログラミングの慣習や実際の使用シナリオに基づいており、より効率的で理解しやすいコードの記述を促進します。

テストケース

SHL

テスト

PUSH 0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000001
PUSH 0x00
SHL
---
0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000001

PUSH 0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000001
PUSH 0x01
SHL
---
0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000002

PUSH 0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000001
PUSH 0xff
SHL
---
0x8000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000

PUSH 0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000001
PUSH 0x0100
SHL
---
0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000

PUSH 0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000001
PUSH 0x0101
SHL
---
0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000

PUSH 0xffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff
PUSH 0x00
SHL
---
0xffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff

PUSH 0xffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff
PUSH 0x01
SHL
---
0xfffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffe

PUSH 0xffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff
PUSH 0xff
SHL
---
0x8000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000

PUSH 0xffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff
PUSH 0x0100
SHL
---
0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000

PUSH 0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000
PUSH 0x01
SHL
---
0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000

PUSH 0x7fffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff
PUSH 0x01
SHL
---
0xfffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffe

これらのテストケースは、SHL（左シフト）命令の動作を理解するための具体例です。
SHL命令は、与えられた数値（第二オペランド）を、特定のビット数（第一オペランド）だけ左にシフトします。
シフトすると、数値は2のシフト量乗倍され、空いたビット位置は0で埋められます。

• シフト量が0の場合、数値は変わりません。
  • 例えば、1を0ビット左シフトすると、結果は1のままです。
• シフト量が1の場合、数値は2倍になります。
  • 1を1ビット左シフトすると、結果は2になります。
• シフト量が255の場合、数値は非常に大きくなり、最上位ビットだけが1になります。
  • これは、2の255乗の値に相当します。
• シフト量が256以上の場合、結果は常に0になります。
  • 256ビット以上シフトすると、全てのビットが0に置き換えられます。
• 全てのビットが1の数値をシフトすると、シフト後もほとんどのビットが1のままですが、シフト量に応じて最下位ビットが変わります。

これらのケースは、SHL命令の基本的な動作と、特定の入力に対する挙動を示しています。
ビットシフトは、数値を効率的に操作するための基本的な手法であり、これらの例は、その動作原理を理解するのに役立ちます。
また、イーサリアムの仮想マシン（EVM）において、これらの操作はガスコストが低いため、スマートコントラクトの実行において効率的です。

SHR

テスト

PUSH 0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000001
PUSH 0x00
SHR
---
0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000001

PUSH 0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000001
PUSH 0x01
SHR
---
0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000

PUSH 0x8000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000
PUSH 0x01
SHR
---
0x4000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000

PUSH 0x8000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000
PUSH 0xff
SHR
---
0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000001

PUSH 0x8000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000
PUSH 0x0100
SHR
---
0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000

PUSH 0x8000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000
PUSH 0x0101
SHR
---
0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000
PUSH 0xffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff
PUSH 0x00
SHR
---
0xffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff

PUSH 0xffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff
PUSH 0x01
SHR
---
0x7fffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff

PUSH 0xffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff
PUSH 0xff
SHR
---
0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000001

PUSH 0xffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff
PUSH 0x0100
SHR
---
0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000

PUSH 0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000
PUSH 0x01
SHR
---
0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000

これらのテストケースは、SHR（論理右シフト）命令の動作を示しています。
SHR命令は、指定された数値（第二オペランド）を、特定のビット数（第一オペランド）だけ右にシフトします。
シフトすると、数値は2のシフト量で割られ、空いたビット位置は0で埋められます。

• シフト量が0の場合、数値は変わりません。
  • 例えば、1を0ビット右シフトすると、結果は1のままです。
• シフト量が1の場合、数値は半分になります。
  • 1を1ビット右シフトすると、結果は0になります。
• 最上位ビットが1で残りが0の数値をシフトすると、シフト量に応じてビットの位置が変わります。
  • 1ビット右シフトすると、最上位ビットが中央に移動します。
• シフト量が256以上の場合、結果は常に0になります。
  • 256ビット以上シフトすると、全てのビットが0に置き換えられます。
• 全てのビットが1の数値をシフトすると、シフト後もほとんどのビットが1のままですが、シフト量に応じて最下位ビットが変わります。

これらのケースは、SHR命令の基本的な動作と、特定の入力に対する挙動を示しています。
論理右シフトは、数値を効率的に操作するための基本的な手法であり、これらの例は、その動作原理を理解するのに役立ちます。
また、イーサリアムの仮想マシン（EVM）において、これらの操作はガスコストが低いため、スマートコントラクトの実行において効率的です。

SAR

テスト

PUSH 0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000001
PUSH 0x00
SAR
---
0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000001

PUSH 0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000001
PUSH 0x01
SAR
---
0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000

PUSH 0x8000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000
PUSH 0x01
SAR
---
0xc000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000

PUSH 0x8000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000
PUSH 0xff
SAR
---
0xffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff

PUSH 0x8000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000
PUSH 0x0100
SAR
---
0xffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff

PUSH 0x8000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000
PUSH 0x0101
SAR
---
0xffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff

PUSH 0xffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff
PUSH 0x00
SAR
---
0xffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff

PUSH 0xffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff
PUSH 0x01
SAR
---
0xffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff

PUSH 0xffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff
PUSH 0xff
SAR
---
0xffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff

PUSH 0xffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff
PUSH 0x0100
SAR
---
0xffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff

PUSH 0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000
PUSH 0x01
SAR
---
0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000

PUSH 0x4000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000
PUSH 0xfe
SAR
---
0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000001

PUSH 0x7fffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff
PUSH 0xf8
SAR
---
0x000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000007f

PUSH 0x7fffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff
PUSH 0xfe
SAR
---
0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000001

PUSH 0x7fffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff
PUSH 0xff
SAR
---
0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000

PUSH 0x7fffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff
PUSH 0x0100
SAR
---
0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000

これらのテストケースは、SAR（算術右シフト）命令の動作を示しています。
SAR命令は、指定された数値（第二オペランド）を、特定のビット数（第一オペランド）だけ右にシフトしますが、SHR（論理右シフト）と異なり、符号ビットを保持します。

• シフト量が0の場合、数値は変わりません。
  • 例えば、1を0ビット右シフトすると、結果は1のままです。
• シフト量が1の場合、数値は半分になりますが、符号ビットは維持されます。
• 最上位ビットが1の数値（負の数）をシフトすると、シフト量に応じてビットの位置が変わりますが、最上位ビット（符号ビット）は保持され、結果は負の数値として残ります。
• シフト量が256以上の場合、負の数値は全ビットが1の状態で保持されます。
  • これは、シフト後も負の数値を示すためです。
• 全てのビットが1の数値（最も大きい負の数値）をシフトすると、シフト量に関わらず、結果は全ビットが1のままです。
• 0ビットの数値（0）をシフトすると、結果は常に0です。
• 最上位ビットが0で残りが1の数値（正の数値）をシフトすると、シフト量に応じて数値が減少し、結果は正の数値として残ります。

これらのケースは、SAR命令の基本的な動作と、特定の入力に対する挙動を示しています。
算術右シフトは、数値を効率的に操作するための基本的な手法であり、符号ビットの保持は負の数値の処理において重要です。
これらの例は、その動作原理を理解するのに役立ちます。
また、イーサリアムの仮想マシン（EVM）において、これらの操作はガスコストが低いため、スマートコントラクトの実行において効率的です。

実装

Client support

• cpp-ethereum

Compiler support

• Solidity/LLL

テスト

Sources

Filled Tests

https://github.com/ethereum/tests/tree/develop/GeneralStateTests/stShift
https://github.com/ethereum/tests/tree/develop/BlockchainTests/GeneralStateTests/stShift

引用

Alex Beregszaszi (@axic), Paweł Bylica (@chfast), "EIP-145: Bitwise shifting instructions in EVM," Ethereum Improvement Proposals, no. 145, February 2017. [Online serial]. Available: https://eips.ethereum.org/EIPS/eip-145.

最後に

今回は「」についてまとめてきました！
いかがだったでしょうか？

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