剖析DeFi交易产品之UniswapV3：交易路由合约
SwapRouter 合约封装了面向用户的交易接口，但不再像 UniswapV2Router 一样根据不同交易场景拆分为了那么多函数，UniswapV3 的 SwapRouter 核心就只有 4 个交易函数：
exactInputSingle：指定输入数量的单池内交易exactOutputSingle：指定输出数量的单池内交易exactInput：指定输入数量和交易路径的交易exactOutput：指定输出数量和交易路径的交易
带 Single 的只支持单池内的交易，而不带 Single 的则支持跨不同池子的互换交易。
exactInputSingle
先来看简单的单池交易，以 exactInputSingle 为始，其代码实现如下：
struct ExactInputSingleParams {
address tokenIn; //输入token
address tokenOut; //输出token
uint24 fee; //手续费率
address recipient; //收款地址
uint256 deadline; //过期时间
uint256 amountIn; //指定的输入token数量
uint256 amountOutMinimum; //输出token的最小数量
uint160 sqrtPriceLimitX96; //限定的价格
}
function exactInputSingle(ExactInputSingleParams calldata params)
external
payable
override
checkDeadline(params.deadline)
returns (uint256 amountOut)
{
amountOut = exactInputInternal(
params.amountIn,
params.recipient,
params.sqrtPriceLimitX96,
SwapCallbackData({path: abi.encodePacked(params.tokenIn, params.fee, params.tokenOut), payer: msg.sender})
);
require(amountOut >= params.amountOutMinimum, 'Too little received');
}
其入参有 9 个参数，返回值就一个 amountOut，即输出的 token 数量。
从代码上可看出，实际的逻辑实现是在内部函数 exactInputInternal。查看该内部函数之前，我们先来了解下 SwapCallbackData。我们从上面代码可以看到，调用 exactInputInternal 时，最后一个传入的参数就是 SwapCallbackData，这其实是一个结构体，定义了两个属性：
struct SwapCallbackData {
bytes path;
address payer;
}
path 表示交易路径，在以上代码中，就是由 tokenIn、fee、tokenOut 这三个变量拼接而成。payer 表示支付输入 token 的地址，上面的就是 msg.sender。
接着，来看看内部函数 exactInputInternal 的代码实现：
function exactInputInternal(
uint256 amountIn,
address recipient,
uint160 sqrtPriceLimitX96,
SwapCallbackData memory data
) private returns (uint256 amountOut) {
// allow swapping to the router address with address 0
if (recipient == address(0)) recipient = address(this);
//从路径中解码出第一个池子
(address tokenIn, address tokenOut, uint24 fee) = data.path.decodeFirstPool();
//当tokenIn<tokenOUt时，则说明tokenIn为token0，所以是要将token0兑换成token1
bool zeroForOne = tokenIn < tokenOut;
//调用底层池子的swap函数执行交易
(int256 amount0, int256 amount1) =
getPool(tokenIn, tokenOut, fee).swap(
recipient,
zeroForOne,
amountIn.toInt256(),
sqrtPriceLimitX96 == 0
? (zeroForOne ? TickMath.MIN_SQRT_RATIO + 1 : TickMath.MAX_SQRT_RATIO - 1)
: sqrtPriceLimitX96,
abi.encode(data)
);
//返回amountOut
return uint256(-(zeroForOne ? amount1 : amount0));
}
首先，如果 recipient 地址为零地址的话，那会把 recipient 重置为当前合约地址。
接着，通过 data.path.decodeFirstPool() 从路径中解码得出 tokenIn、tokenOut 和 fee。decodeFirstPool 函数是在库合约 Path 里实现的。
布尔类型的 zeroForOne 表示底层 token0 和 token1 的兑换方向，为 true 表示用 token0 兑换 token1，false 则反之。因为底层的 token0 是小于 token1 的，所以，当 tokenIn 也小于 tokenOut 的时候，说明 tokenIn == token0，所以 zeroForOne 为 true。
然后，通过 getPool 函数可得到池子地址，再调用底层池子的 swap 函数来执行实际的交易逻辑。
最后，我们要得到的是 amountOut，这是 amount0 和 amount1 中的其中一个。我们已经知道，zeroForOne 为 true 的时候，tokenIn 等于 token0，所以 tokenOut 就是 token1，因此 amountOut 就是 amount1。另外，对底层池子来说，属于输出的时候，返回的数值是负数，即 amount1 其实是一个负数，因此需要再加个负号转为正数的 uint256 类型。
在这个函数里，我们可以看出并没有支付 token 的功能，但前面讲解 UniswapV3Pool 时已经了解到，支付是在回调函数 uniswapV3SwapCallback 里完成的。因为这个回调函数会涉及到所有 4 种交易类型，所以我们留到最后再来讲解。
exactOutputSingle
接着，来看 exactOutputSingle 函数的实现，其代码如下：
struct ExactOutputSingleParams {
address tokenIn; //输入token
address tokenOut; //输出token
uint24 fee; //手续费率
address recipient; //收款地址
uint256 deadline; //过期时间
uint256 amountOut; //指定的输出token数量
uint256 amountInMaximum; //输入token的最大数量
uint160 sqrtPriceLimitX96; //限定的价格
}
function exactOutputSingle(ExactOutputSingleParams calldata params)
external
payable
override
checkDeadline(params.deadline)
returns (uint256 amountIn)
{
// avoid an SLOAD by using the swap return data
amountIn = exactOutputInternal(
params.amountOut,
params.recipient,
params.sqrtPriceLimitX96,
SwapCallbackData({path: abi.encodePacked(params.tokenOut, params.fee, params.tokenIn), payer: msg.sender})
);
require(amountIn <= params.amountInMaximum, 'Too much requested');
// has to be reset even though we don't use it in the single hop case
amountInCached = DEFAULT_AMOUNT_IN_CACHED;
}
可看出，exactOutputSingle 函数的实现与 exactInputSingle 函数大同小异。首先，参数上，只有两个不同，exactInputSingle 函数指定的是 amountIn 和 amountOutMinimum；而 exactOutputSingle 函数改为了 amountOut 和 amountInMaximum，即输出是指定的，而输入则限制了最大值。其次，实际逻辑封装在了 exactOutputInternal 内部函数，而且传给该内部函数的最后一个参数的 path 组装顺序也不一样了，排在第一位的是 tokenOut。
核心实现还是在 exactOutputInternal 内部函数，其代码实现如下：
function exactOutputInternal(
uint256 amountOut,
address recipient,
uint160 sqrtPriceLimitX96,
SwapCallbackData memory data
) private returns (uint256 amountIn) {
// allow swapping to the router address with address 0
if (recipient == address(0)) recipient = address(this);
//从路径中解码出第一个池子
(address tokenOut, address tokenIn, uint24 fee) = data.path.decodeFirstPool();
//是否token0兑换token1
bool zeroForOne = tokenIn < tokenOut;
//调用底层池子的swap函数执行交易
(int256 amount0Delta, int256 amount1Delta) =
getPool(tokenIn, tokenOut, fee).swap(
recipient,
zeroForOne,
-amountOut.toInt256(), //指定输出需转为负数
sqrtPriceLimitX96 == 0
? (zeroForOne ? TickMath.MIN_SQRT_RATIO + 1 : TickMath.MAX_SQRT_RATIO - 1)
: sqrtPriceLimitX96,
abi.encode(data)
);
//确定amountIn和amountOut
uint256 amountOutReceived;
(amountIn, amountOutReceived) = zeroForOne
? (uint256(amount0Delta), uint256(-amount1Delta))
: (uint256(amount1Delta), uint256(-amount0Delta));
// it's technically possible to not receive the full output amount,
// so if no price limit has been specified, require this possibility away
if (sqrtPriceLimitX96 == 0) require(amountOutReceived == amountOut);
}
可见和 exactInputInternal 的实现也是大同小异。不过，有一个细节需要补充一下。因为是指定的输出数额，所以调用底层的 swap 函数时，第三个传参转为了负数，这也是前面讲解 UniswapV3Pool 的 swap 函数时讲过的，当指定的交易数额是输出的数额时，则需传负数。
和 exactInputInternal 一样，在当前函数里没有支付 token 的逻辑，也是统一在 uniswapV3SwapCallback 回调函数里去完成支付。
exactInput
exactInput 函数则用于处理跨多个池子的指定输入数量的交易，相比单池交易会复杂一些，而且这里面的逻辑还有点绕，我们来进行一一剖析。其实现代码如下：
struct ExactInputParams {
bytes path; //交易路径
address recipient; //收款地址
uint256 deadline; //过期时间
uint256 amountIn; //指定输入token数量
uint256 amountOutMinimum; //输出token的最小数量
}
function exactInput(ExactInputParams memory params)
external
payable
override
checkDeadline(params.deadline)
returns (uint256 amountOut)
{
//调用者需支付路径中的第一个代币
address payer = msg.sender;
//遍历路径
while (true) {
//路径中是否还存在多个池子
bool hasMultiplePools = params.path.hasMultiplePools();
//先前交换的输出成为后续交换的输入
params.amountIn = exactInputInternal(
params.amountIn,
hasMultiplePools ? address(this) : params.recipient,
0,
SwapCallbackData({
path: params.path.getFirstPool(), // 只需要路径里的第一个池子
payer: payer
})
);
//当路径依然由多个池子组成时，则继续循环，否则退出循环
if (hasMultiplePools) {
payer = address(this);
//跳过第一个token，作为下一轮的路径
params.path = params.path.skipToken();
} else {
//最后一次兑换，把前面设为了amountIn的重新赋值给amountOut
amountOut = params.amountIn;
break;
}
}
require(amountOut >= params.amountOutMinimum, 'Too little received');
}
其中，需要跨多个池子的路径编码方式如下图：
和 UniswapV2 一样，这个路径是由前端计算出来再传给合约的。寻找最优路径的算法也是和 UniswapV2 一样的思路。
exactInput 函数的核心实现逻辑是，循环处理路径中的每一个配对池，每处理完一个池子的交易，就从路径中移除第一个 token 和 fee，直到路径只剩下最后一个池子就结束循环。期间，每一次执行 exactInputInternal 后，将返回的 amounOut 作为下一轮的 amountIn。第一轮兑换时，payer 是合约的调用者，即 msg.sender，而输出代币的 recipient 则是当前合约地址。中间的每一次兑换，payer 和 recipient 都是当前合约地址。到最后一次兑换时，recipient 才转为用户传入的地址。
exactOutput
剩下最后一个函数 exactOutput 了，也是用于处理跨多个池子的的交易，而指定的是输出的数量。以下是其代码实现：
struct ExactOutputParams {
bytes path; //交易路径
address recipient; //收款地址
uint256 deadline; //过期时间
uint256 amountOut; //指定输出token数量
uint256 amountInMaximum; //输入token的最大数量
}
function exactOutput(ExactOutputParams calldata params)
external
payable
override
checkDeadline(params.deadline)
returns (uint256 amountIn)
{
// it's okay that the payer is fixed to msg.sender here, as they're only paying for the "final" exact output
// swap, which happens first, and subsequent swaps are paid for within nested callback frames
exactOutputInternal(
params.amountOut,
params.recipient,
0,
SwapCallbackData({path: params.path, payer: msg.sender})
);
amountIn = amountInCached;
require(amountIn <= params.amountInMaximum, 'Too much requested');
amountInCached = DEFAULT_AMOUNT_IN_CACHED;
}
可看到其逻辑就直接调用内部函数 exactOutputInternal 完成交易，并没有像 exactInput 一样的循环处理。但在整个流程中，其实还是进行了遍历路径的多次交易的，只是这个流程完成得比较隐晦。其关键其实是在 uniswapV3SwapCallback 回调函数里，后面我们会说到。
uniswapV3SwapCallback
以下就是回调函数的实现：
function uniswapV3SwapCallback(
int256 amount0Delta,
int256 amount1Delta,
bytes calldata _data
) external override {
require(amount0Delta > 0 || amount1Delta > 0);
//解码出_data数据
SwapCallbackData memory data = abi.decode(_data, (SwapCallbackData));
//解码出路径的第一个池子
(address tokenIn, address tokenOut, uint24 fee) = data.path.decodeFirstPool();
//校验callback的调用者
CallbackValidation.verifyCallback(factory, tokenIn, tokenOut, fee);
//用于判断当前需要支付的代币
(bool isExactInput, uint256 amountToPay) =
amount0Delta > 0
? (tokenIn < tokenOut, uint256(amount0Delta))
: (tokenOut < tokenIn, uint256(amount1Delta));
if (isExactInput) { //指定金额的是输入，直接执行支付
pay(tokenIn, data.payer, msg.sender, amountToPay);
} else { //指定金额的是输出
// either initiate the next swap or pay
if (data.path.hasMultiplePools()) {
// 路径里有多个池子时，则跳过路径的第一个token，使用下一个配对的池子进行交易
data.path = data.path.skipToken();
exactOutputInternal(amountToPay, msg.sender, 0, data);
} else { //只剩下一个池子，执行支付
amountInCached = amountToPay;
tokenIn = tokenOut; // swap in/out because exact output swaps are reversed
pay(tokenIn, data.payer, msg.sender, amountToPay);
}
}
}
另外，这个是 swap 时的回调函数。而之前的文章我们还讲了另一个回调函数 uniswapV3MintCallback 是添加流动性时的回调函数，两者是不同的，不要搞混了。
其逻辑实现并不复杂。首先，先把 _data 解码成 SwapCallbackData 结构体类型数据。接着，解码出路径的第一个池子。然后，通过 verifyCallback 校验调用当前回调函数的是否为底层 pool 合约，非底层 pool 合约是不允许调起回调函数的。
isExactInput 和 amountToPay 的赋值需要拆解一下才好理解。首先需知道，amount0Delta 和 amount1Delta 其实是一正一负的，正数是输入的，负数是输出的。因此，amount0Delta 大于 0 的话则 amountToPay 就是 amount0Delta，否则就是 amount1Delta 了。 amount0Delta 大于 0 也说明了输入的是 token0，因此，当 tokenIn < tokenOut 的时候，说明 tokenIn 就是 token0，也即是说用户指定的是输入数量，所以这时候的 isExactInput 即为 true。
当指定金额为输出的时候，也就是处理 exactOutput 和 exactOutputSingle 函数的时候。我们前面看到 exactOutput 的代码逻辑里并没有对路径进行遍历处理，这个遍历其实就是在这个回调函数里完成的。仔细看这段代码：
if (data.path.hasMultiplePools()) {
// 路径里有多个池子时，则跳过路径的第一个token，使用下一个配对的池子进行交易
data.path = data.path.skipToken();
exactOutputInternal(amountToPay, msg.sender, 0, data);
}
这不就是遍历路径多次执行 exactOutputInternal 了吗。
至此，SwapRouter 合约也讲解完了。