•2025年09月
systems

Monad 中乐观并行 EVM 执行机制

通过乐观并发实现并行EVM执行，支持10k TPS交易处理与状态冲突检测的工程实践。

在区块链系统中，EVM（Ethereum Virtual Machine）的执行效率一直是性能瓶颈之一。传统以太坊的顺序执行模式限制了吞吐量，无法满足高频交易需求。Monad 项目通过引入乐观并行执行机制，实现了 EVM 交易的并行处理，同时保持与以太坊相同的语义兼容性。这种方法的核心在于假设交易间无冲突先行执行，并在后续验证阶段检测并解决状态冲突，从而显著提升系统性能，支持 10k TPS（Transactions Per Second）的交易处理能力。

乐观并行执行的原理基于乐观并发控制（Optimistic Concurrency Control, OCC）。在 Monad 中，当一个区块包含多个交易时，系统不会严格按照顺序逐一执行，而是允许交易在多个线程或处理器上并行运行。具体而言，每个交易会读取当前状态快照进行计算，但不会立即提交更改。执行过程中，系统跟踪每个交易的读集（读取的账户余额、存储槽等）和写集（修改的状态）。一旦早期交易完成，其状态更新会被顺序合并到全局状态中。随后，后续交易的读集与这些更新进行比较：如果读值与合并后的实际值不符，则表明发生了冲突，该交易需回滚并使用最新状态重新执行。这种机制确保了最终结果与顺序执行一致，但避免了从一开始就串行化所有操作。

从工程实现角度看，Monad 的执行层（位于 monad 仓库）集成了自定义 EVM 实现和 MonadDB 数据库。自定义 EVM 通过原生编译（Native Compilation）优化字节码解释器，将 EVM 操作码直接映射到主机 CPU 指令，减少解释开销。MonadDB 则是一种定制的状态数据库，支持高效的并行读写和冲突检测。它使用细粒度锁机制，仅在必要时锁定特定存储槽，而不是整个账户，从而最小化锁竞争。状态冲突检测依赖于版本化存储：每个状态更新携带时间戳或版本号，读操作记录依赖的版本，合并时通过比较版本差异快速识别冲突。根据 Monad 文档，这种乐观执行在大多数无冲突场景下可实现近线性加速，但冲突率高的区块（如 DeFi 批量操作）可能导致 10-20% 的重执行开销。

为了落地这种机制，需要关注硬件和配置参数。Monad 节点要求 CPU 支持 x86-64-v3 指令集（如 Haswell 或更高），推荐至少 16 核处理器以充分利用并行执行。编译时，使用 -march=haswell 标志生成二进制文件，确保加密操作（如签名恢复）高效。部署中，关键参数包括线程池大小（默认等于 CPU 核数）和冲突阈值：如果一个区块的重执行率超过 30%，建议调整交易调度器优先无依赖交易。监控要点涵盖 TPS 指标、冲突率（通过日志追踪读写集不匹配次数）和状态合并延迟（目标 < 1ms）。回滚策略上，Monad 支持增量重执行，仅重跑受影响的部分，而非全交易回滚，减少 CPU 浪费。

在实际应用中，乐观并行执行的优点显而易见。以 Monad 测试网为例，在模拟 10k TPS 负载下，并行模式比顺序执行快 5-10 倍，尤其在读多写少场景如 NFT 铸造。证据显示，状态冲突主要源于热门账户（如流动性池），通过细粒度检测（如仅检查受影响存储槽）可将误执行率控制在 5% 以内。“Monad 使用乐观执行来并行处理交易，同时通过状态合并检测冲突。” 这种设计借鉴了数据库领域的 OCC 技术，确保安全性。

然而，实施时需警惕潜在风险。高冲突环境可能放大重执行开销，导致整体延迟上升。为此，建议集成动态调度：监控器实时评估区块依赖图，优先调度独立交易。另一个限制造成是内存消耗，读写集追踪需额外 20-50% 内存，推荐节点配置 64GB RAM。测试阶段，使用 Monad 的重放工具验证历史区块，确保 Merkle 根一致性。

落地清单如下：

  1. 环境准备：安装 Ubuntu 22.04、GCC 15、CMake 3.27；克隆 monad 仓库并运行 git submodule update --init --recursive。
  2. 编译构建：执行 CC=gcc-15 CXX=g++-15 CFLAGS="-march=haswell" ./scripts/configure.sh && ./scripts/build.sh，生成 monad 执行二进制。
  3. 节点配置：在 config.toml 中设置 parallel_execution = true，线程数 num_threads = $(nproc)；启用 MonadDB 以 db_type = "monaddb"。
  4. 监控集成：部署 Prometheus 采集指标，如 conflict_rate 和 reexecution_count；阈值警报：冲突率 > 25% 时通知。
  5. 性能调优：基准测试下调整 max_reexecutions = 3；如果 TPS 低于预期，检查 CPU 利用率并升级至 32 核。
  6. 回滚与安全：实现自定义钩子，在重执行失败 3 次后隔离交易；定期审计状态一致性。

通过这些参数和实践，开发者可高效部署 Monad 的乐观并行 EVM 执行，实现高性能区块链系统。未来，随着冲突解决算法优化，这一机制将进一步推动 EVM 生态向并行化演进。

（字数：1028）