源码角度看如何在 TON Chain 上创建一个 NFT，与 EVM 有何不同

作者 | @Web3Mario

摘要：承接上一篇关于 TON 技术介绍的文章，这段时间深入研究了一下 TON 官方开发文档，感觉学习起来还是有些门槛，当前的文档内容似乎更像是一个内部开发文档，对新入门的开发者来说不太友好，因此试着以自己的学习轨迹，梳理一系列关于 TON Chain 项目开发的文章，希望可以对大家快速入门 TON DApp 开发有一些帮助。行文有误也欢迎大家指正，一起学习。

在 EVM 中开发 NFT 和在 TON Chain 上开发 NFT 有哪些不同

发行一个 FT 或 NFT 对于 DApp 开发者来说通常是最基本的需求。因此我也以此作为学习入口。首先让我们来了解以下在 EVM 技术栈中开发一个 NFT 和在 TON Chain 中的区别。基于 EVM 的 NFT 通常会选择继承 ERC-721 的标准。所谓 NFT，指的是不可分割的加密资产类型，且每个资产具有唯一性，即存在某些专属的特性。而 ERC-721 就是对这个类型的资产的一种通用的开发范式。让我们看一个常见的 ERC721 合约需要实现哪些函数以及记录哪些信息。下图是一个 ERC721 接口。可以看到与 FT 不同，在转账接口中需要输入的是待转账的 tokenId 而非数量。这个 tokenId 也是 NFT 资产唯一性最基本的体现，当然为了承载更多的属性，通常会为每个 tokenId 记录一个 metadata，这个 metadata 是一个外部链接，保存了该 NFT 的其他可扩展数据，例如一张 PFP 图片的链接，某些属性名称等。

对于熟悉 Solidity 或者熟悉面向对象的开发者来说，实现这样一个智能合约是件容易的事，只要定义好合约中需要的数据类型，例如一些关键的映射关系 mapping，并根据所需功能开发相应的对这些数据的修改逻辑，即可实现一个 NFT。

然而在 TON Chain 中这一切变的不太相同，造成不同的核心原因有两个：

● 在 TON 中数据的存储是基于 Cell 实现的，而同一个账户的 Cell 通过有向无环图来实现。这样就导致需要之久化存储的数据不能无边界的增长下去，因为一个有向无环图来说，数据深度决定的查询成本，当深度无限延伸之后，有可能造成查询成本过高，从而导致合约陷入死锁问题。

● 为了追求高并发性能，TON 舍弃了串行执行的架构，转而采用了一个专为并行而生的开发范式，Actor 模型，来重构执行环境。这就造成了一个影响，智能合约之间只能通过发送所谓内部消息的方式异步调用，注意无论是状态修改类型或只读类型的调用都需要遵循这个原则，除此之外，也需要仔细考虑异步调用若失败，如何处理数据回滚的问题。

当然关于技术上其他不同点在上一篇文章中有过详细的论述，本篇文章希望可以聚焦在智能合约开发上，所以不展开讨论。上述两条设计原则让 TON 中智能合约开发与 EVM 产生了很大区别。在开始的论述中，我们知道一个 NFT 合约中需要定义一些映射关系，也就是 mapping，来保存 NFT 相关的数据。其中最重要的就是 owners，这个 mapping 存储了某个 tokenID 对应的 NFT 的所有者地址的映射关系，决定了 NFT 的所有权，转账就是对该所有权的修改。由于理论上这是一个可以无边界的数据结构，需要尽量避免。因此官方推荐以是否存在无边界数据结构作为分片的标准。即当有类似的数据存储需求时，通过主从合约的范式来替代，通过创建子合约的方式来管理每个 key 对应的数据。并通过主合约管理全局参数，或帮助处理子合约之间的内部信息交互。

这也就意味着在 TON 中的 NFT 也需要采用类似的架构来设计，每个 NFT 都是一个独立的子合约，保存了诸如所有者地址，metadata 等专属数据，并通过一个主合约来管理全局数据，例如 NFT name，symbol，总供应量等。

在明确了架构后，接下来就需要解决核心功能的需求了，由于采用了这个主从合约的方式，因此就需要明确哪些功能由主合约承载，哪些功能由子合约承载，并且两者之间通过什么内部信息沟通，同时当出现执行错误时，如何回滚之前的数据。通常情况下，在开发复杂的大型项目之前，通过一个类图并明确彼此之间的信息流，并仔细思考内部调用失败后的回滚逻辑是必要的，当然上述 NFT 开发虽然简单，但也可以做类似验证。

从源码学习开发 TON 智能合约

TON 选择了设计一种类 C 语言的、静态类型语言，名为 Func 来作为智能合约开发语言，那么接下来就让我们从源码来学习如何开发 TON 智能合约，我选择了 TON 官方文档中的 NFT 示例来进行介绍，感兴趣的小伙伴可以自行去查阅。在这个 case 中实现了一个简单的 TON NFT 例。让我们看下合约结构，共分为两个功能合约以及三个必要的库。

这两个主要的功能合约即按照上述的原则进行设计，首先让我们来看下主合约 nft-collection 的代码：

这引入了第一个知识点，如何在 TON 智能合约中持久化存储数据，我们知道在 Solidity 中数据的持久化存储是由 EVM 根据参数的类型自动处理的，通常情况下，智能合约的状态变量将在执行结束后根据最新值自动被持久化存储，开发者并不需要考虑这个过程。但在 Func 中情况并不如此，开发者需要自己来实现相应的处理逻辑，这个情况有点类似于 C 和C++ 需要考虑 GC 的过程，但其他新的开发语言通常将这部分逻辑自动化处理。我们来看下代码，首先引入一些需要的库，然后看到第一个函数 load_data 用于读取被持久化存储的数据，其逻辑为首先通过 get_data 返回持久化合约存储 cell，注意这是由标准库 stdlib.fc 实现的，通常情况下可以将其中的一些函数视为系统函数来使用。

该函数的返回值类型为 cell，这是 TVM 中的 cell 类型。在之前的介绍中，我们已经知道 TON 区块链中的所有持久数据都存储在 cell 树中。每个cell最多有 1023 位任意数据和最多四个对其他 cell 的引用。cell 在基于堆栈的 TVM 中用作内存。cell 中保存的是紧编码后的数据，要想获取其中具体的明文数据，需要将 cell 转换为被称为 slice 的类型。cell 可以通过 begin_parse 函数转换成为 slice 类型，然后可以通过从 slice 加载数据位和对其他 cell 的引用来获得 cell 中的数据。注意 15 行代码中的这种调用方法是一个 func 中的语法糖，可以直接调用第一个函数的返回值的第二个函数。并在最后按照数据持久化顺序依次加载相应的数据。注意这个过程和 solidity 不同，并不是根据 hashmap 调用，所以这个调用顺序不能乱。

在 save_data 函数中，逻辑与之类似，只不过这是一个反向的过程，这就引入了下一个知识点，一个新的类型 builder，这是 cell 构建器的类型。数据位和对其他 cell 的引用可以存储在构建器中，然后构建器可以最终化为新 cell。首先通过标准函数 begin_cell 创建一个 builder，并依次通过 store 相关函数存储相关函数，注意上文中调用顺序与此处存储顺序需要保持一致。最后通过 end_cell 完成新 cell 构建，这时该 cell 被管理在内存中，最后通过最外层的 set_data，就可以完成对该 cell 的持久化存储。

接下来让我们来看下业务相关函数，首先需要先介绍下一个知识点，如何通过合约创建一个新的合约，这在刚刚介绍的主从架构中将被经常用到。我们知道在 TON 中，智能合约之间的调用是通过发送内部消息的方式来实现的。这是通过一个名为 send_raw_message 来实现的，注意第一个参数是 message 编码后的 cell，第二个参数是标识位，用于表明该交易的执行方式的区别，在 TON 中设置了不同的内部消息发送的执行方式，目前有 3 种消息 Modes 和 3 种消息 Flags。可以将单一 Mode 与多个（也许没有）标志组合以获得所需的 mode。组合只是意味着将它们值的和填入即可。下面给出了 Modes 和 Flags 的描述表格:

那么让我们来看第一个主要函数，deploy_nft_item，顾名思义，这是一个用于创建或者说铸造新 NFT 实例的函数，经过一番操作编码一个 msg 后，通过 send_raw_message 发送该内部合约，并选择了 flag 1 的发送标识位，仅将编码中指定的 fee 作为本次执行的 gas fee。经过上文的介绍我们很容易意识到，这个编码规则应该是对应创建一个新的智能合约的方式。

那让我们来看看具体是怎么实现的。

让我们直接看 51 行，上面两个函数是用于生成 message 所需信息的辅助函数，因此我们后面再来看，这是一个用于创建智能合约的内部消息的编码过程，中间的一些数字其实也是一些标识位，用于说明该内部消息的需求，这里要引入下一个知识点，TON 选择了一种名为 TL-B 的二进制语言来描述消息的执行方式，并且根据设置不同的标记位来实现某些特定功能的内部消息，最容易想到的两个使用场景，新合约创建和已部署合约函数调用。而 51 行的这种方式即对应了前者，创建一个新的 nft item 合约，而这主要是通过 55，56，57 三行指定的。首先 55 行这一大串数字是一系列标识位，注意 store_uint 的第一个入参是数值，第二个是位长，其中决定了该内部消息是合约创建的是后三个标记位，以及相应二进制值位为 111（十进制即为 4+2+1），其中前两个表示该消息将附带 StateInit 数据，这个数据即为新合约的源码，以及初始化所需的数据。而后一个标记位表示内部消息附载，即希望执行相关逻辑以及需要的参数。因此你会看到在第 66 行代码并没有设置该三位数据，则表明的是一次对已部署合约的函数调用。具体的编码规则在这里查看。

那么 StateInit 的编码规则即对应了 49 行代码，通过 calculate_nft_item_state_init 计算，注意 stateinit 数据的编码也遵循了一种既定的 TL-B 编码规则，除了一些标记位之外，主要涉及到两部分新合约 code 和以及初始化 data。data 的编码顺序需要与新合约指定的持久化 cell 的存储顺序保持一致。在 36 行可以看到，初始化数据有 item_index，即类似与 ERC721 中的 tokenId，以及由标准函数 my_address 返回的当前合约地址，即为 collection_address，这个数据的顺序与 nft-item 中的声明保持一致。

接下来一个知识点就是在 TON 中，所有未生成的智能合约而可以预先计算其生成后的地址，这点与 Solidity 中的 create2 函数类似，在 TON 中新地址的生成由两部分组成，workchain 标识位与 stateinit 的哈希值拼接而成，前者在之前的介绍中我们已经知道是为了相应 TON 无限分片架构而需要被指定的，当前为统一值。由标准函数 workchain 获得。后者由标准函数 cell_hash 获得。因此回到该例子，calculate_nft_item_address 即为预先计算新合约地址的函数。并将生成值在第53行编码到message中，作为该内部消息的接收地址。而 nft_content 则对应了对被创建合约的初始化调用，具体的实现在下一篇文章中介绍。

至于 send_royalty_params，则需要是对某只读请求的内部消息的相应，在之前的介绍中，我们特意强调了在 TON 中内部消息不光包含可能会修改数据的操作，只读操作也需要通过这种方式实现，因此该合约即为此类操作，首先值得注意的是 67 行表示响应该请求后对请求者回调函数的标记，记下来即为返回的数据，分别是请求的 item index，以及相应的 royalty 数据。

接下来让我们引入下一个知识点，TON 中智能合约只有两个统一的入口，名为 recv_internal 和 recv_external，其中前者为所有内部消息的统一调用入口，后者为所有外部消息的统一调用入口，开发者需要在函数内部根据需求，采用类似 switch 的方式根据 message 指定的不同标记位来响应不同的请求，这里的标记位即为上述 67 行的回调函数标记。回到该例子，首先对 message 进行空位检查，通过后分别解析 message 中的信息，首先在 83 行解析获得 sender_address，该参数将用于后续的权限检查，注意这里的~操作符，属于另一个语法糖。这里先不展开将。接下来解析 op 操作标记位，而后根据不同的标记位，分别处理相应请求。其中即根据某些逻辑分别调用了上述的函数。例如响应对 royalty 参数的请求，或铸造新的 nft，并自增全局 index。

接下来一个知识点对应了 108 行，想必大家通过命名也可以知道该函数的处理逻辑，与 Solidity 中的 require 函数类似，Func 中通过标准函数 throw_unless 来抛出异常，第一个入参为错误码，第二个是检查位布尔值，若位 false 则抛出异常，并附带该错误码。而在这行中通过 equal_slices 来判断上面解析到的 sender_address 是否等于该合约持久化存储的 owner_address，做权限判断。

最后为了使代码结构更清晰，开始闲了一系列帮助获取持久化信息的辅助函数，在这里就不展开介绍了，开发者可以参考这种结构来开发自己的智能合约。

TON 生态的 DApp 开发实在是件有趣的事情，与 EVM 的开发范式有很大差异，因此我会通过一系列文章来介绍如何在 TON Chain 中开发 DApp。与大家共同学习，把握这波机会。也欢迎大家在 twitter 上与我互动，碰撞一些新的有趣的 dapp idea，一起开发。