智能合約 Solidity 教學 (上) - Solidity 基礎語法教學

Ray 貓

29 Jan 2025 • 19 min read

📅 發布時間: 2025-01-29 🏷️ 標籤: Solidity, 智能合約, 基礎語法, 以太坊, Remix IDE

在這篇文章中，我們會從 0 基礎開始，逐步介紹智能合約的概念、Solidity 語法，以及如何部署你的第一個智能合約。適合對區塊鏈開發有興趣但還沒有 Solidity 經驗的開發者！

一、Solidity 0 到 1：智能合約入門

什麼是 Solidity？

Solidity 是一種面向智能合約的編程語言，專門用於在 Ethereum（以太坊） 和其他 EVM（Ethereum Virtual Machine）兼容的區塊鏈上開發去中心化應用（DApps）。

它受到了 JavaScript、Python 和 C++ 的影響，語法簡潔且適合初學者入門。

智能合約是什麼？

智能合約（Smart Contract）是一種 自動執行的合約，當滿足特定條件時，程式會自動執行約定的內容，無需中間人。

例如：

去中心化交易所（DEX） – 允許用戶直接交易代幣
NFT 合約 – 用於發行、管理和交易 NFT
去中心化金融（DeFi）應用 – 如貸款、流動性挖礦等

當然不僅僅是這種與金融有關的產業，任何可以去中心化的應用都可以採用智能合約，好比說有些產業為了更好的紀錄各個生產鏈上下的資料，便可以用智能合約，公正無私的紀錄資料。

二、開始使用 Solidity

1. 安裝開發環境

目前最簡單的方式是使用線上編輯器 Remix IDE：

網址：https://remix.ethereum.org/
不需要安裝，打開瀏覽器即可編寫與部署智能合約。

如果你想在本地開發，可以使用：

Node.js（安裝 npm/pnpm）
Hardhat 或 Truffle（Solidity 開發框架）

另外你會需要一個加密貨幣錢包來與合約互動（放心，在本教學中不會花到任何一毛錢）

MetaMask 錢包（測試和與合約互動）

三、第一個合約 Hello World

💻 第一個智能合約：HelloWorld

🎯 學習目標:開啟 Remix IDE 並建立新檔案理解 SPDX-License、pragma、contract、變數、建構子、函式等基礎語法逐步建構並解釋每個關鍵元素

圖: 開啟 Remix IDE (https://remix.ethereum.org)

圖: 在 Remix 建立新檔 HelloWorld.sol

步驟 1: 完整範本程式碼

// SPDX-License-Identifier: MIT
pragma solidity ^0.8.0;

contract HelloWorld {
    // 儲存訊息的變數
    string public message;

    // 建構函式，合約部署時會自動執行
    constructor() {
        message = "Hello, Solidity!";
    }

    // 設定新的訊息
    function setMessage(string memory _newMessage) public {
        message = _newMessage;
    }
}

步驟 2: SPDX-License-Identifier 和 pragma solidity

// SPDX-License-Identifier: MIT  // [註解] 宣告授權協議 MIT，讓他人知道可以自由使用此程式碼，為什麼？為了符合開源規範並避免法律糾紛
pragma solidity ^0.8.0;  // [註解] 指定 Solidity 編譯器版本，為什麼？確保新舊版本相容，避免語法不相容導致的編譯錯誤

步驟 3: contract HelloWorld

// SPDX-License-Identifier: MIT
pragma solidity ^0.8.0;

contract HelloWorld {  // [註解] 定義合約名稱，為什麼？這是智能合約的入口，所有邏輯都在此封裝，便於部署和管理
    // ...
}  // [註解] 合約結束，為什麼？將所有變數和函式封閉在合約內，確保獨立執行

步驟 4: 狀態變數與建構子

contract HelloWorld {
    // 儲存訊息的變數  // [註解] public 變數，為什麼？自動產生 getter 函式，讓外部可讀取狀態，持久儲存在區塊鏈上
    string public message;  // [註解] string 型別儲存文字，為什麼？適合訊息內容，public 確保可查詢

    // 建構函式，合約部署時會自動執行  // [註解] constructor 特殊函式，為什麼？初始化合約狀態，只執行一次，避免預設值不正確
    constructor() {  // [註解] 無參數建構子，為什麼？部署時自動呼叫，設定初始值
        message = "Hello, Solidity!";  // [註解] 初始化變數，為什麼？提供預設訊息，讓合約一部署就有可用狀態
    }  // [註解] 建構子結束，為什麼？完成初始化，後續函式才可依賴此狀態
}

步驟 5: setMessage 函式

// ... (前面的程式碼保持不變)

    // 設定新的訊息  // [註解] 公開函式，為什麼？允許外部使用者更新狀態，實現互動功能
    function setMessage(string memory _newMessage) public {  // [註解] public 修飾符和 memory 位置，為什麼？public 允許呼叫，memory 避免永久儲存參數以節省 Gas
        message = _newMessage;  // [註解] 更新狀態變數，為什麼？實現動態修改，改變區塊鏈狀態（會消耗 Gas）
    }  // [註解] 函式結束，為什麼？完成邏輯，返回控制權給呼叫者
}

四、編譯與部署

💻 編譯與部署 HelloWorld 合約

🎯 學習目標:使用 Remix Compiler 編譯合約在 Remix VM 環境部署並測試合約理解部署後的互動介面與 Gas 消耗

圖: 點擊 Remix 右側面板 Solidity Compiler

圖: 選擇正確版本 (0.8.x) 並按下 Compile HelloWorld.sol

圖: 沒有錯誤就會顯示綠色打勾

圖: 轉到 Deploy & Run Transactions 面板

圖: Environment 選擇 Remix VM (Cancun)，選正確合約並點擊 Deploy

圖: 下方出現 Deployed Contracts 表示成功，注意測試 ETH 扣除（測試幣無限使用，合約永久存在區塊鏈）

圖: 展開 HelloWorld，點擊 message 查看初始值（讀取免費）

圖: 輸入新訊息如「貓貓真可愛」，點擊 setMessage 更新（修改需 Gas）

五、Solidity 中的變數型別

💻 Solidity 變數型別範例

🎯 學習目標:理解 bool, uint/int, address, string, array, struct, enum 等型別認識各型別的限制與用途

步驟 1: bool 型別

bool public myBool = true;  // [註解] 布林值，為什麼？用於條件判斷如開關狀態，只存 true/false 以節省儲存空間

步驟 2: 整數型別

uint256 public myUint = 123;  // [註解] 無符號整數，為什麼？適合計數或正值，uint256 提供大範圍避免溢位
int public myInt = -123;  // [註解] 有符號整數，為什麼？允許負值，如債務計算

步驟 3: address 型別

address public myAddress = 0x1234567890123456789012345678901234567890;
myAddress.balance // 取得該錢包目前剩餘的存款  // [註解] 地址型別，為什麼？代表錢包或合約，用於轉帳或權限檢查，.balance 查詢餘額

步驟 4: string 型別

string public myString = "Hello";

myString.length; //error
myString[0]; //error  // [註解] 字串型別，為什麼？儲存文字但無 length 或索引存取，以 Gas 效率為優先，避免額外計算

步驟 5: 陣列

uint[] public numbers; // 動態大小的陣列  // [註解] 動態陣列，為什麼？大小可變，push 新增元素適合列表
uint[5] public fixedSizeNumbers; // 大小固定為 5 的陣列

numbers.push(123);  // [註解] 新增，為什麼？擴展陣列但消耗 Gas，因改變 storage

步驟 6: struct

struct Person {
    string name;
    uint age;
}  // [註解] 自定義結構，為什麼？組合多型別成一單位，如使用者資料，提升程式可讀性

Person public alice = Person("Alice", 30);  // [註解] 實例化，為什麼？初始化結構體，提供完整物件

步驟 7: enum

enum Status { Pending, Shipped, Completed, Rejected }  // [註解] 列舉，為什麼？定義有限狀態集，避免魔法數字，提升維護性

Status public currentStatus;  // [註解] 使用，為什麼？儲存狀態，易讀取如 currentStatus = Status.Shipped

六、變數類型：Local、State、Global

在 Solidity 中的變數根據其宣告位置可以分為 三大類：

Local 變數（函式內部變數）
State 變數（合約狀態變數）
Global 變數（區塊鏈資訊變數）

1. Local 變數

定義：

宣告在函式內部
僅存於函式執行期間（不會永久儲存到區塊鏈）
默認存於記憶體（memory）
不會影響智能合約的狀態，因此不會產生 Gas 費用

2. State 變數

定義：

宣告在函式之外，屬於整個合約
儲存在區塊鏈上（storage）
修改 State 變數時，會消耗 Gas（因為改變了區塊鏈狀態）

3. Global 變數

定義：

提供區塊鏈上的資訊
不需要手動宣告，直接可用
儲存方式根據類型不同，有些來自 storage，有些只是暫時變數

常見 Global 變數：

msg.sender呼叫合約的發送者地址
msg.value交易發送的 ETH 數量
block.timestamp當前區塊的時間戳
block.number當前區塊號
gasleft()剩餘 Gas 數量
tx.origin原始交易發起者
address(this).balance合約帳戶的 ETH 餘額

七、Data Locations：memory、storage、calldata

除了變數的類型（local、state、global），Solidity 也提供了 三種資料儲存方式
適用於陣列 (array)、結構 (struct)、字串 (string)、映射 (mapping) 等參考型別 (Reference Types)。

storage表示這個資料永遠儲存於區塊鏈上頭，**改變會消耗 Gas，**剛剛提到的 State 變數就屬於這一類

memory表示這個資料只是短暫出現在記憶體上，**交易結束後消失，**剛剛提到的 Local 變數就屬於這一類

calldata只讀記憶體（交易輸入）外部函式參數專用，不允許修改external 函式的輸入參數

八、瓦斯費，什麼是 Gas？

眼尖的同學應該發現，如果你修改了區塊鏈的資料是要花錢的！
不僅如此，在以太坊上，每當你執行一筆交易（例如呼叫智能合約、轉帳等），都需要向網路支付一筆 交易手續費。
這筆費用的計算方式並不是固定的，基本上對區塊鏈做越多操作會越貴。
而以太坊使用一種叫做 Gas 的單位來衡量交易在網路上執行所需的運算資源。

付款時使用的是 以太幣 (ETH)，當然１以太幣快 3000 美元，單位太大了，所以瓦斯費習慣以以 Gwei（10^-9 ETH）為單位計價。
哪怕是相同的操作，在不同時間段的瓦斯費都不同，在尖峰時刻的瓦斯費會比較昂貴。

計算交易手續費（以下僅供參考）

Gas Used：某次交易實際執行用掉多少 Gas
Gas Price：每單位 Gas 的價格，通常以 Gwei 為單位
交易手續費 (Tx Fee) = Gas Used × Gas Price

舉例：

你的交易執行消耗了 50,000 Gas
當前 Gas Price = 20 Gwei = 20 × 10−9^{-9} ETH
交易費用 = 50,000 × (20 × 10^-9) ETH = 0.001 ETH

哪些操作會消耗 Gas？

在智能合約中，大多數操作都會消耗 Gas，尤其是對區塊鏈「狀態 (state)」造成變化的操作。
下面列出一些常見「高 Gas 消耗」的動作：

寫入/修改區塊鏈上儲存 (storage)
- 最昂貴 的操作之一就是對合約的 storage 做寫入或更新。
- 例如：改變一個 state variable。
- 原因：永久儲存到區塊鏈資料庫，需要網路中所有節點同步保存。
新增資料到 mapping 或 array
- 與一般的 storage 更新類似，只要有寫入都會消耗較多 Gas。
- 動態陣列的 push() 也會往合約的永續狀態中寫入新元素。
刪除資料 (釋放 storage)
- 相較寫入，可以回收部分 Gas（因為釋放空間會有 Gas Refund），但一般來說整體仍需付出操作成本。
合約部署
- 部署（Deploy）是一項非常昂貴的操作，因為需要將整個智能合約程式碼上傳到區塊鏈。
- 智能合約一旦部署，就成為鏈上的永久程式碼。
呼叫其他合約
- 在合約中透過 call、delegatecall 或 interface 呼叫其他合約函式，需要額外的 Gas 來執行被呼叫的邏輯。
觸發事件 (Event)
- 在合約中 emit Event 會產生一筆鏈上日誌 (Log)，也會消耗 Gas。（一般比寫 storage 便宜，但還是要考量頻繁記錄事件帶來的額外開銷）
迴圈操作 (for/while loop)
- 每次迭代都需要額外的計算成本。
- 如果迴圈裡包含寫入 storage、呼叫其他合約、更複雜的邏輯，Gas 量會隨迴圈次數成倍增加。

哪些操作相對不會「直接」消耗 Gas？

只讀取狀態變數 (view function)
- 用錢包或前端呼叫 view 或 pure 函式，不會執行交易，也不會在鏈上留下任何記錄，因此不需支付額外 Gas。
- 但若在合約內部使用 view 或 pure 函式，仍然要計入該交易整體的執行成本——只是相對來說，只有計算的成本，但沒有對 storage 寫入的成本。
在函式內做記憶體層面的運算 (memory)
- 在 memory 或 calldata 中的操作只會產生交易執行中計算的 Gas，通常比修改 storage 要便宜許多，因為它不需要永久寫入區塊鏈。

注意：雖然「讀取數據」或「單純做計算」比寫入便宜很多，但「執行交易」本身仍有基礎費用，因為必須產生交易並在鏈上被礦工/驗證者驗證。

如何節省 Gas？

減少對 storage 的寫入
- 能在 memory、calldata 中處理就盡量不要寫進 storage。
- 例如先在 memory 中計算好，再一次性寫回 storage，或只在需要時更新 storage。
考慮資料結構選擇
- mapping 在查詢方面通常比 array 高效（尤其針對索引操作）；
- 但要根據具體邏輯權衡。
避免在迴圈中使用寫入或呼叫
- 如果可以把大量資料處理切分成多筆交易，或使用批量更新/分段的方式，讓單次交易的迴圈不至於過大。
事件 (Event) 的使用
- 雖然事件會消耗 Gas，但通常比 storage 寫入便宜且可以提供鏈上日誌。
- 取代在鏈上保存大型文字資料，而是用事件紀錄，日後可從鏈下檢索到。
版本與編譯器優化
- 使用新版本 Solidity 通常會有更多優化（如 0.8.x），
- 在 Remix 或 Hardhat 中開啟編譯器優化 optimizer（如設置 runs = 200 或其他數值）。

九、控制流程

💻 Solidity 控制流程範例

🎯 學習目標:使用 if/else 分支判斷實現 for/while 迴圈計算

步驟 1: if / else if / else

// SPDX-License-Identifier: MIT
pragma solidity ^0.8.0;

contract HelloWorld {
    string public result = "";

    constructor() {
        int256 val = 1;
        if (val == 0) {
            result = "Value is zero";
        } else if (val == 1) {
            result = "Value is one";
        } else {
            result = "Value is something else";
        }
    }
}

步驟 2: for 迴圈

// SPDX-License-Identifier: MIT
pragma solidity ^0.8.0;

contract HelloWorld {
    uint public sum = 0;

    constructor() {
        uint max = 100;
        for (uint i = 0; i < max; i++) {
            sum += i;
        }
    }
}

步驟 3: while 迴圈

// ... (前面的程式碼保持不變)

    constructor() {
        uint max = 100;
        uint i = 0;  // [註解] 初始化計數器，為什麼？while 需要手動管理迴圈變數，避免無限迴圈
        while (i < max) {  // [註解] 條件檢查，為什麼？決定是否繼續迴圈，防止 Gas 超限
            sum += i;  // [註解] 累加運算，為什麼？實現求和邏輯，每次迭代更新狀態（注意 Gas）
            i ++;  // [註解] 更新計數器，為什麼？推進迴圈進度，確保終止
        }  // [註解] 迴圈結束，為什麼？完成計算，sum 儲存結果
    }

十、函式 (Function)

函數就像是一個魔法盒子，我們可以把一系列的指令放進這個盒子裡，替這個盒子取一個名字
然後以後只要叫這個名字，就可以讓這些指令執行。

在 Solidity 中為了更方便使用者開發，我可以替函式加上一些設定

💻 Solidity 函式修飾符與類型

🎯 學習目標:理解 public, private, external 存取權限使用 view, pure, payable 功能修飾符

步驟 1: public 函式

// SPDX-License-Identifier: MIT
pragma solidity ^0.8.0;

contract HelloWorld {
    uint public count;

    // 這是一個 public 函式  // [註解] public 權限，為什麼？允許任何人呼叫，自動產生 getter/setter 便利外部互動
    function increment() public {  // [註解] 無參數 public 函式，為什麼？簡單更新計數，外部可觸發狀態變化
        count += 1;  // [註解] 修改狀態，為什麼？實現遞增，消耗 Gas 但提供功能
    }  // [註解] 函式結束，為什麼？原子操作，確保一致性
}

步驟 2: private 函式與變數

// ... (前面的程式碼保持不變)

    // 外部無法直接訪問該變數  // [註解] private 變數，為什麼？限制外部直接讀寫，但資料仍公開於鏈上（可爬取），用於內部邏輯
    // 請注意！該資料仍然公開於區塊鏈上頭，仍然可以爬取到該變數
    uint private innerCount;  // [註解] private 狀態變數，為什麼？隱藏內部計數，避免外部依賴

    // 這是一個 public 函式
    function increment() public {
        _increment(); // ✅ 合約內部可存取
    }

    // 這是一個 private 函式，習慣命名上最前面加上 _ 來表示這是 private
    function _increment() private {  // [註解] private 內部函式，為什麼？封裝邏輯，重用代碼而不暴露細節，提升安全性
        count += 1;
    }

步驟 3: external 函式

// ... (前面的程式碼保持不變)

    // 這是一個 public 函式
    function increment() public {
        this.externalIncrement(); // 內部調用必須透過 `this`  // [註解] 透過 this 間接呼叫，為什麼？模擬外部呼叫，但 internal 不直接支援
    }

    // 這是一個 external 函式  // [註解] external 權限，為什麼？優化 Gas，只允許外部呼叫，適合大量外部互動如 API
    function externalIncrement() external {
        count += 1;
    }

步驟 4: view 函式

// SPDX-License-Identifier: MIT
pragma solidity ^0.8.0;

contract ViewExample {
    uint public number = 42; // 狀態變數

    // 這個函式只是讀取狀態變數，並沒有改變它
    function getNumber() public view returns (uint) {  // [註解] view 修飾符，為什麼？保證不改狀態，讀取免交易/Gas，適合查詢
        return number;
    }
}

步驟 5: pure 函式

// SPDX-License-Identifier: MIT
pragma solidity ^0.8.0;

contract PureExample {
    // 這個函式純粹進行計算，沒有存取合約內的狀態變數
    function add(uint a, uint b) public pure returns (uint) {  // [註解] pure 修飾符，為什麼？純計算無狀態依賴，最大節省 Gas，可離線驗證
        return a + b;
    }
}

步驟 6: payable 函式

// SPDX-License-Identifier: MIT
pragma solidity ^0.8.0;

contract PayableExample {
    uint public balance;

    // 這個函式允許用戶發送 ETH 到合約
    function deposit() public payable {  // [註解] payable 修飾符，為什麼？允許接收 ETH，否則交易失敗，適合付費功能
        balance += msg.value; // msg.value 是發送的 ETH 數量  // [註解] 累加接收 ETH，為什麼？追蹤存款，使用 global 變數自動記錄
    }

    // 這個函式回傳合約內的 ETH 餘額
    function getBalance() public view returns (uint) {
        return address(this).balance;
    }
}

十一、錯誤處理 (Error Handling)

💻 Solidity 錯誤處理範例

🎯 學習目標:使用 require 檢查輸入與條件了解 revert 和 assert 的用途

步驟 1: require()

// SPDX-License-Identifier: MIT
pragma solidity ^0.8.0;

contract PayableExample {
    uint public balance;

    function withdraw(uint _amount) public {
        // _amount 須小於 balance 的金額，否則報錯
        require(_amount < balance, "合約中資金不足");  // [註解] require 條件檢查，為什麼？驗證輸入/狀態，失敗時 revert 並退款 Gas，常用權限/邊界檢查
        balance -= _amount;
    }

}

步驟 2: revert()

function doSomething() public {
    if (someConditionNotMet()) {
        revert("Condition not met");  // [註解] 自訂錯誤，為什麼？明確回滾狀態，提供除錯訊息，比 require 更靈活用於複雜邏輯
    }
    // ...
}

步驟 3: assert()

function testAssert(uint _x) public pure {
    assert(_x != 0); // _x 絕對不能為 0  // [註解] assert 不變量檢查，為什麼？偵測程式 bug，失敗不退 Gas（開發用），區別於使用者錯誤
}

進一步學習建議

掌握測試網部署：嘗試使用 MetaMask 連接測試網 (如 Sepolia、Goerli) 進行部署。
熟悉 Hardhat / Truffle：在本地進行單元測試與合約部署管理。
安全性考量：了解常見攻擊手法（Reentrancy, Integer Overflow 等）。
前端整合：透過 Web3.js 或 Ethers.js 連接你的 DApp 與合約。

目錄

一、Solidity 0 到 1：智能合約入門

什麼是 Solidity？

智能合約是什麼？

二、開始使用 Solidity

1. 安裝開發環境

三、第一個合約 Hello World

💻 第一個智能合約：HelloWorld

步驟 1: 完整範本程式碼

步驟 2: SPDX-License-Identifier 和 pragma solidity

步驟 3: contract HelloWorld

步驟 4: 狀態變數與建構子

步驟 5: setMessage 函式

四、編譯與部署

💻 編譯與部署 HelloWorld 合約

五、Solidity 中的變數型別

💻 Solidity 變數型別範例

步驟 1: bool 型別

步驟 2: 整數型別

步驟 3: address 型別

步驟 4: string 型別

步驟 5: 陣列

步驟 6: struct

步驟 7: enum

六、變數類型：Local、State、Global

1. Local 變數

2. State 變數

3. Global 變數

七、Data Locations：memory、storage、calldata

八、瓦斯費，什麼是 Gas？

計算交易手續費 （以下僅供參考）

哪些操作會消耗 Gas？

哪些操作相對不會「直接」消耗 Gas？

如何節省 Gas？

九、控制流程

💻 Solidity 控制流程範例

步驟 1: if / else if / else

步驟 2: for 迴圈

步驟 3: while 迴圈

十、函式 (Function)

💻 Solidity 函式修飾符與類型

步驟 1: public 函式

步驟 2: private 函式與變數

步驟 3: external 函式

步驟 4: view 函式

步驟 5: pure 函式

步驟 6: payable 函式

十一、錯誤處理 (Error Handling)

💻 Solidity 錯誤處理範例

步驟 1: require()

步驟 2: revert()

步驟 3: assert()

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