TON项目开发教程（一）：源码角度看如何在TON Chain上创建一个NFT

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。