前言
随着区块链技术倒退，越来越多的企业与集体开始将区块链与本身业务相结合。
区块链所具备的独特劣势，例如，数据公开通明、不可篡改，能够为业务带来便当。但与此同时，也存在一些隐患。数据的公开通明，意味着任何人都能够读取；不可篡改，意味着信息一旦上链就无奈删除，甚至合约代码都无奈被更改。
除此之外，合约的公开性、回调机制，每一个特点都可被利用，作为攻打手法，稍有不慎，轻则合约形同虚设，重则要面临企业秘密泄露的危险。所以，在业务合约上链前，须要事后对合约的安全性、可维护性等方面作充分考虑。
侥幸的是，通过近些年Solidity语言的大量实际，开发者们一直提炼和总结，曾经造成了一些”设计模式”，来领导应答日常开发常见的问题。
智能合约设计模式概述
2019年，IEEE收录了维也纳大学一篇题为《Design Patterns For Smart Contracts In the Ethereum Ecosystem》的论文。这篇论文剖析了那些炽热的Solidity开源我的项目，联合以往的研究成果，整顿出了18种设计模式。
这些设计模式涵盖了安全性、可维护性、生命周期治理、鉴权等多个方面。
接下来，本文将从这18种设计模式中抉择最为通用常见的进行介绍，这些设计模式在理论开发经验中失去了大量测验。
安全性(Security)
智能合约编写，首要思考的就是安全性问题。
在区块链世界中，恶意代码不可胜数。如果你的合约蕴含了跨合约调用，就要特地当心，要确认内部调用是否可信，尤其当其逻辑不为你所掌控的时候。
如果不足防人之心，那些“居心叵测”的内部代码就可能将你的合约毁坏殆尽。比方，内部调用可通过歹意回调，使代码被重复执行，从而毁坏合约状态，这种攻打手法就是驰名的Reentrance Attack（重放攻打）。
这里，先引入一个重放攻打的小试验，以便让读者理解为什么内部调用可能导致合约被毁坏，同时帮忙更好地了解行将介绍的两种晋升合约安全性的设计模式。
对于重放攻打，这里举个精简的例子。
AddService合约是一个简略的计数器，每个内部合约能够调用AddService合约的addByOne来将字段_count加一，同时通过require来强制要求每个内部合约最多只能调用一次该函数。
这样，_count字段就准确的反馈出AddService被多少合约调用过。在addByOne函数的开端，AddService会调用内部合约的回调函数notify。AddService的代码如下：
contract AddService{
uint private _count;
mapping(address=>bool) private _adders;
function addByOne() public {
//强制要求每个地址只能调用一次
require(_adders[msg.sender] == false, "You have added already");
//计数
_count++;
//调用账户的回调函数
AdderInterface adder = AdderInterface(msg.sender);
adder.notify();
//将地址退出已调用汇合
_adders[msg.sender] = true;
}
}
contract AdderInterface{
function notify() public;
}如果AddService如此部署，歹意攻击者能够轻易管制AddService中的_count数目，使该计数器齐全生效。
攻击者只须要部署一个合约BadAdder，就可通过它来调用AddService，就能够达到攻打成果。BadAdder合约如下：
contract BadAdder is AdderInterface{
AddService private _addService = //...;
uint private _calls;
//回调
function notify() public{
if(_calls > 5){
return;
}
_calls++;
//Attention !!!!!!
_addService.addByOne();
}
function doAdd() public{
_addService.addByOne();
}
}BadAdder在回调函数notify中，反过来持续调用AddService，因为AddService蹩脚的代码设计，require条件检测语句被轻松绕过，攻击者能够直击_count字段，使其被任意地反复增加。
攻打过程的时序图如下：
在这个例子中，AddService难以获知调用者的回调逻辑，但仍然轻信了这个内部调用，而攻击者利用了AddService蹩脚的代码编排，导致喜剧的产生。
本例子中去除了理论的业务意义，攻打结果仅仅是_count值失真。真正的重放攻打，可对业务造成严重后果。比方在统计投票数目是，投票数会被改得面目全非。
打铁还需本身硬，如果想屏蔽这类攻打，合约须要遵循良好的编码模式，上面将介绍两个可无效解除此类攻打的设计模式。
Checks-Effects-Interaction – 保障状态残缺，再做内部调用
该模式是编码格调束缚，可无效防止重放攻打。通常状况下，一个函数可能蕴含三个局部：
- Checks：参数验证
- Effects：批改合约状态
- Interaction：内部交互
这个模式要求合约依照Checks-Effects-Interaction的程序来组织代码。它的益处在于进行内部调用之前，Checks-Effects已实现合约本身状态所有相干工作，使得状态残缺、逻辑自洽，这样内部调用就无奈利用不残缺的状态进行攻打了。
回顾前文的AddService合约，并没有遵循这个规定，在本身状态没有更新完的状况上来调用了内部代码，内部代码天然能够横插一刀，让_adders[msg.sender]=true永恒不被调用，从而使require语句生效。咱们以checks-effects-interaction的角度审阅原来的代码：
//Checks
require(_adders[msg.sender] == false, "You have added already");
//Effects
_count++;
//Interaction
AdderInterface adder = AdderInterface(msg.sender);
adder.notify();
//Effects
_adders[msg.sender] = true;只有略微调整程序，满足Checks-Effects-Interaction模式，喜剧就得以防止：
//Checks
require(_adders[msg.sender] == false, "You have added already");
//Effects
_count++;
_adders[msg.sender] = true;
//Interaction
AdderInterface adder = AdderInterface(msg.sender);
adder.notify(); 因为_adders映射曾经批改结束，当歹意攻击者想递归地调用addByOne，require这道防线就会起到作用，将歹意调用拦挡在外。
尽管该模式并非解决重放攻打的惟一形式，但仍然举荐开发者遵循。
Mutex – 禁止递归
Mutex模式也是解决重放攻打的无效形式。它通过提供一个简略的修饰符来避免函数被递归调用：
contract Mutex {
bool locked;
modifier noReentrancy() {
//避免递归
require(!locked, "Reentrancy detected");
locked = true;
_;
locked = false;
}
//调用该函数将会抛出Reentrancy detected谬误
function some() public noReentrancy{
some();
}
}在这个例子中，调用some函数前会先运行noReentrancy修饰符，将locked变量赋值为true。如果此时又递归地调用了some，修饰符的逻辑会再次激活，因为此时的locked属性已为true，修饰符的第一行代码会抛出谬误。
可维护性（Maintaince）
在区块链中，合约一旦部署，就无奈更改。当合约呈现了bug，通常要面对以下问题：
- 合约上已有的业务数据怎么解决？
- 怎么尽可能减少降级影响范畴，让其余性能不受影响？
- 依赖它的其余合约该怎么办？
回顾面向对象编程，其核心思想是将变动的事物和不变的事物相拆散，以阻隔变动在零碎中的流传。所以，设计良好的代码通常都组织得高度模块化、高内聚低耦合。利用这个经典的思维可解决下面的问题。
Data segregation – 数据与逻辑相拆散
理解该设计模式之前，先看看上面这个合约代码：
contract Computer{
uint private _data;
function setData(uint data) public {
_data = data;
}
function compute() public view returns(uint){
return _data * 10;
}
}此合约蕴含两个能力，一个是存储数据(setData函数)，另一个是使用数据进行计算(compute函数）。如果合约部署一段时间后，发现compute写错了，比方不应是乘以10，而要乘以20，就会引出前文如何降级合约的问题。
这时，能够部署一个新合约，并尝试将已有数据迁徙到新的合约上，但这是一个很重的操作，一方面要编写迁徙工具的代码，另一方面原先的数据齐全作废，空占着贵重的节点存储资源。
所以，事后在编程时进行模块化十分必要。如果咱们将”数据”看成不变的事物，将”逻辑”看成可能扭转的事物，就能够完满避开上述问题。Data Segregation（意为数据拆散）模式很好地实现了这一想法。
该模式要求一个业务合约和一个数据合约：数据合约只管数据存取，这部分是稳固的；而业务合约则通过数据合约来实现逻辑操作。
联合后面的例子，咱们将数据读写操作专门转移到一个合约DataRepository中：
contract DataRepository{
uint private _data;
function setData(uint data) public {
_data = data;
}
function getData() public view returns(uint){
return _data;
}
}计算性能被独自放入一个业务合约中：
contract Computer{
DataRepository private _dataRepository;
constructor(address addr){
_dataRepository =DataRepository(addr);
}
//业务代码
function compute() public view returns(uint){
return _dataRepository.getData() * 10;
}
}这样，只有数据合约是稳固的，业务合约的降级就很轻量化了。比方，当我要把Computer换成ComputerV2时，原先的数据仍然能够被复用。
Satellite – 合成合约性能
一个简单的合约通常由许多性能形成，如果这些性能全副耦合在一个合约中，当某一个性能须要更新时，就不得不去部署整个合约，失常的性能都会受到波及。
Satellite模式使用繁多职责准则解决上述问题，提倡将合约子性能放到子合约里，每个子合约（也称为卫星合约）只对应一个性能。当某个子性能须要批改，只有创立新的子合约，并将其地址更新到主合约里即可，其余性能不受影响。
举个简略的例子，上面这个合约的setVariable性能是将输出数据进行计算（compute函数），并将计算结果存入合约状态_variable：
contract Base {
uint public _variable;
function setVariable(uint data) public {
_variable = compute(data);
}
//计算
function compute(uint a) internal returns(uint){
return a * 10;
}
}如果部署后，发现compute函数写错，心愿乘以的系数是20，就要重新部署整个合约。但如果一开始依照Satellite模式操作，则只需部署相应的子合约。
首先，咱们先将compute函数剥离到一个独自的卫星合约中去：
contract Satellite {
function compute(uint a) public returns(uint){
return a * 10;
}
}而后，主合约依赖该子合约实现setVariable：
contract Base {
uint public _variable;
function setVariable(uint data) public {
_variable = _satellite.compute(data);
}
Satellite _satellite;
//更新子合约（卫星合约）
function updateSatellite(address addr) public {
_satellite = Satellite(addr);
}
}这样，当咱们须要批改compute函数时，只需部署这样一个新合约，并将它的地址传入到Base.updateSatellite即可：
contract Satellite2{
function compute(uint a) public returns(uint){
return a * 20;
}
}Contract Registry – 跟踪最新合约
在Satellite模式中，如果一个主合约依赖子合约，在子合约降级时，主合约须要更新对子合约的地址援用，这通过updateXXX来实现，例如前文的updateSatellite函数。
这类接口属于维护性接口，与理论业务无关，过多裸露此类接口会影响主合约好看，让调用者的体验大打折扣。Contract Registry设计模式优雅地解决了这个问题。
在该设计模式下，会有一个专门的合约Registry跟踪子合约的每次降级状况，主合约可通过查问此Registyr合约获得最新的子合约地址。卫星合约重新部署后，新地址通过Registry.update函数来更新。
contract Registry{
address _current;
address[] _previous;
//子合约降级了，就通过update函数更新地址
function update(address newAddress) public{
if(newAddress != _current){
_previous.push(_current);
_current = newAddress;
}
}
function getCurrent() public view returns(address){
return _current;
}
}主合约依赖于Registry获取最新的卫星合约地址。
contract Base {
uint public _variable;
function setVariable(uint data) public {
Satellite satellite = Satellite(_registry.getCurrent());
_variable = satellite.compute(data);
}
Registry private _registry = //...;
}Contract Relay – 代理调用最新合约
该设计模式所解决问题与Contract Registry一样，即主合约无需裸露维护性接口就可调用最新子合约。该模式下，存在一个代理合约，和子合约享有雷同接口，负责将主合约的调用申请传递给真正的子合约。卫星合约重新部署后，新地址通过SatelliteProxy.update函数来更新。
contract SatelliteProxy{
address _current;
function compute(uint a) public returns(uint){
Satellite satellite = Satellite(_current);
return satellite.compute(a);
}
//子合约降级了，就通过update函数更新地址
function update(address newAddress) public{
if(newAddress != _current){
_current = newAddress;
}
}
}
contract Satellite {
function compute(uint a) public returns(uint){
return a * 10;
}
}主合约依赖于SatelliteProxy：
contract Base {
uint public _variable;
function setVariable(uint data) public {
_variable = _proxy.compute(data);
}
SatelliteProxy private _proxy = //...;
}生命周期（Lifecycle）
在默认状况下，一个合约的生命周期近乎有限——除非赖以生存的区块链被毁灭。但很多时候，用户心愿缩短合约的生命周期。这一节将介绍两个简略模式提前终结合约生命。
Mortal – 容许合约自毁
字节码中有一个selfdestruct指令，用于销毁合约。所以只须要暴露出自毁接口即可：
contract Mortal{
//自毁
function destroy() public{
selfdestruct(msg.sender);
}
}Automatic Deprecation – 容许合约主动进行服务
如果你心愿一个合约在指定期限后进行服务，而不须要人工染指，能够应用Automatic Deprecation模式。
contract AutoDeprecated{
uint private _deadline;
function setDeadline(uint time) public {
_deadline = time;
}
modifier notExpired(){
require(now <= _deadline);
_;
}
function service() public notExpired{
//some code
}
}当用户调用service，notExpired修饰符会先进行日期检测，这样，一旦过了特定工夫，调用就会因过期而被拦挡在notExpired层。
权限（Authorization）
前文中有许多管理性接口，这些接口如果任何人都可调用，会造成严重后果，例如上文中的自毁函数，假如任何人都能拜访，其严重性显而易见。所以，一套保障只有特定账户可能拜访的权限管制设计模式显得尤为重要。
Ownership
对于权限的管控，能够采纳Ownership模式。该模式保障了只有合约的拥有者能力调用某些函数。首先须要有一个Owned合约：
contract Owned{
address public _owner;
constructor() {
_owner = msg.sender;
}
modifier onlyOwner(){
require(_owner == msg.sender);
_;
}
}如果一个业务合约，心愿某个函数只由拥有者调用，该怎么办呢？如下：
contract Biz is Owned{
function manage() public onlyOwner{
}
}这样，当调用manage函数时，onlyOwner修饰符就会先运行并检测调用者是否与合约拥有者统一，从而将无受权的调用拦挡在外。
行为管制（Action And Control）
这类模式个别针对具体场景应用，这节将次要介绍基于隐衷的编码模式和与链外数据交互的设计模式。
Commit – Reveal – 提早机密泄露
链上数据都是公开通明的，一旦某些隐衷数据上链，任何人都可看到，并且再也无奈撤回。
Commit And Reveal模式容许用户将要爱护的数据转换为不可辨认数据，比方一串哈希值，直到某个时刻再揭示哈希值的含意，展露真正的原值。
以投票场景举例，假如须要在所有参与者都实现投票后再揭示投票内容，以防这期间参与者受票数影响。咱们能够看看，在这个场景下所用到的具体代码：
contract CommitReveal {
struct Commit {
string choice;
string secret;
uint status;
}
mapping(address => mapping(bytes32 => Commit)) public userCommits;
event LogCommit(bytes32, address);
event LogReveal(bytes32, address, string, string);
function commit(bytes32 commit) public {
Commit storage userCommit = userCommits[msg.sender][commit];
require(userCommit.status == 0);
userCommit.status = 1; // comitted
emit LogCommit(commit, msg.sender);
}
function reveal(string choice, string secret, bytes32 commit) public {
Commit storage userCommit = userCommits[msg.sender][commit];
require(userCommit.status == 1);
require(commit == keccak256(choice, secret));
userCommit.choice = choice;
userCommit.secret = secret;
userCommit.status = 2;
emit LogReveal(commit, msg.sender, choice, secret);
}
}Oracle – 读取链外数据
目前，链上的智能合约生态绝对关闭，无奈获取链外数据，影响了智能合约的利用范畴。
链外数据可极大扩大智能合约的应用范畴，比方在保险业中，如果智能合约可读取到事实产生的意外事件，就可主动执行理赔。
获取内部数据会通过名为Oracle的链外数据层来执行。当业务方的合约尝试获取内部数据时，会先将查问申请存入到某个Oracle专用合约内；Oracle会监听该合约，读取到这个查问申请后，执行查问，并调用业务合约响应接口使合约获取后果。
上面定义了一个Oracle合约：
contract Oracle {
address oracleSource = 0x123; // known source
struct Request {
bytes data;
function(bytes memory) external callback;
}
Request[] requests;
event NewRequest(uint);
modifier onlyByOracle() {
require(msg.sender == oracleSource); _;
}
function query(bytes data, function(bytes memory) external callback) public {
requests.push(Request(data, callback));
emit NewRequest(requests.length - 1);
}
//回调函数，由Oracle调用
function reply(uint requestID, bytes response) public onlyByOracle() {
requests[requestID].callback(response);
}
}业务方合约与Oracle合约进行交互：
contract BizContract {
Oracle _oracle;
constructor(address oracle){
_oracle = Oracle(oracle);
}
modifier onlyByOracle() {
require(msg.sender == address(_oracle));
_;
}
function updateExchangeRate() {
_oracle.query("USD", this.oracleResponse);
}
//回调函数，用于读取响应
function oracleResponse(bytes response) onlyByOracle {
// use the data
}
}总结
本文的介绍涵盖了安全性、可维护性等多种设计模式，其中，有些偏原则性，如Security和Maintaince设计模式；有些是偏实际，例如Authrization，Action And Control。
这些设计模式，尤其实际类，并不能涵盖所有场景。随着对理论业务的深刻摸索，会遇到越来越多的特定场景与问题，开发者可对这些模式提炼、升华，以积淀出针对某类问题的设计模式。
上述设计模式是程序员的无力武器，把握它们可应答许多已知场景，但更应把握提炼设计模式的办法，这样能力从容应对未知领域，这个过程离不开对业务的深刻摸索，对软件工程准则的深刻了解。
下期预报
FISCO BCOS的代码齐全开源且收费
下载地址：https://github.com/FISCO-BCOS…
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