比特币原理第三讲-持久化和命令行接口

引言

到目前为止,我们已经构建了一个有工作量证明机制的区块链。有了工作量证明,挖矿也就有了着落。虽然目前距离一个有着完整功能的区块链越来越近了,但是它仍然缺少了一些重要的特性。在今天的内容中,我们会将区块链持久化到一个数据库中,然后会提供一个简单的命令行接口,用来完成一些与区块链的交互操作。本质上,区块链是一个分布式数据库,不过,我们暂时先忽略 “分布式” 这个部分,仅专注于 “存储” 这一点。

选择数据库

目前,我们的区块链实现里面并没有用到数据库,而是在每次运行程序时,简单地将区块链存储在内存中。那么一旦程序退出,所有的内容就都消失了。我们没有办法再次使用这条链,也没有办法与其他人共享,所以我们需要把它存储到磁盘上。

那么,我们要用哪个数据库呢?实际上,任何一个数据库都可以。在 比特币原始论文 中,并没有提到要使用哪一个具体的数据库,它完全取决于开发者如何选择。 Bitcoin Core ,最初由中本聪发布,现在是比特币的一个参考实现,它使用的是 LevelDB。而我们将要使用的是…

BoltDB

因为它:

非常简洁

用 Go 实现

不需要运行一个服务器

能够允许我们构造想要的数据结构

BoltDB GitHub 上的 README 是这么说的:

Bolt 是一个纯键值存储的 Go 数据库,启发自 Howard Chu 的 LMDB. 它旨在为那些无须一个像 Postgres 和 MySQL 这样有着完整数据库服务器的项目,提供一个简单,快速和可靠的数据库。

由于 Bolt 意在用于提供一些底层功能,简洁便成为其关键所在。它的 API 并不多,并且仅关注值的获取和设置。仅此而已。

听起来跟我们的需求完美契合!来快速过一下:

Bolt 使用键值存储,这意味着它没有像 SQL RDBMS (MySQL,PostgreSQL 等等)的表,没有行和列。相反,数据被存储为键值对(key-value pair,就像 Golang 的 map)。键值对被存储在 bucket 中,这是为了将相似的键值对进行分组(类似 RDBMS 中的表格)。因此,为了获取一个值,你需要知道一个 bucket 和一个键(key)。

需要注意的一个事情是,Bolt 数据库没有数据类型:键和值都是字节数组(byte array)。鉴于需要在里面存储 Go 的结构(准确来说,也就是存储Block(块)),我们需要对它们进行序列化,也就说,实现一个从 Go struct 转换到一个 byte array 的机制,同时还可以从一个 byte array 再转换回 Go struct。虽然我们将会使用 encoding/gob 来完成这一目标,但实际上也可以选择使用JSON,XML,Protocol Buffers等等。之所以选择使用encoding/gob, 是因为它很简单,而且是 Go 标准库的一部分。

虽然 BoltDB 的作者出于个人原因已经不在对其维护(见README), 不过关系不大,它已经足够稳定了,况且也有活跃的 fork:coreos/bblot。

数据库结构

在开始实现持久化的逻辑之前,我们首先需要决定到底要如何在数据库中进行存储。为此,我们可以参考 Bitcoin Core 的做法:

简单来说,Bitcoin Core 使用两个 “bucket” 来存储数据:

其中一个 bucket 是blocks,它存储了描述一条链中所有块的元数据

另一个 bucket 是chainstate,存储了一条链的状态,也就是当前所有的未花费的交易输出,和一些元数据

此外,出于性能的考虑,Bitcoin Core 将每个区块(block)存储为磁盘上的不同文件。如此一来,就不需要仅仅为了读取一个单一的块而将所有(或者部分)的块都加载到内存中。但是,为了简单起见,我们并不会实现这一点。

blocks中,key -> value为:

chainstatekey -> value为:

详情可见这里:_Data_Storage):_Data_Storage)

因为目前还没有交易,所以我们只需要blocksbucket。另外,正如上面提到的,我们会将整个数据库存储为单个文件,而不是将区块存储在不同的文件中。所以,我们也不会需要文件编号(file number)相关的东西。最终,我们会用到的键值对有:

32 字节的 block-hash -> block 结构

-> 链中最后一个块的 hash

这就是实现持久化机制所有需要了解的内容了。

序列化

上面提到,在 BoltDB 中,值只能是 类型,但是我们想要存储 结构。所以,我们需要使用 encoding/gob 来对这些结构进行序列化。

让我们来实现 的 方法(为了简洁起见,此处略去了错误处理):

这个部分比较直观:首先,我们定义一个 buffer 存储序列化之后的数据。然后,我们初始化一个 gob 并对 block 进行编码,结果作为一个字节数组返回。

接下来,我们需要一个解序列化的函数,它会接受一个字节数组作为输入,并返回一个 . 它不是一个方法(method),而是一个单独的函数(function):

这就是序列化部分的内容了。

持久化

让我们从 函数开始。在之前的实现中, 会创建一个新的 实例,并向其中加入创世块。而现在,我们希望它做的事情有:

打开一个数据库文件

检查文件里面是否已经存储了一个区块链

如果已经存储了一个区块链:

创建一个新的 实例

设置 实例的 tip 为数据库中存储的最后一个块的哈希

如果没有区块链:

创建创世块

存储到数据库

将创世块哈希保存为最后一个块的哈希

创建一个新的 实例,初始时 tip 指向创世块(tip 有尾部,尖端的意思,在这里 tip 存储的是最后一个块的哈希)

代码大概是这样:

来一段一段地看下代码:

这是打开一个 BoltDB 文件的标准做法。注意,即使不存在这样的文件,它也不会返回错误。

在 BoltDB 中,数据库操作通过一个事务(transaction)进行操作。有两种类型的事务:只读(read-only)和读写(read-write)。这里,打开的是一个读写事务(),因为我们可能会向数据库中添加创世块。

这里是函数的核心。在这里,我们先获取了存储区块的 bucket:如果存在,就从中读取 键;如果不存在,就生成创世块,创建 bucket,并将区块保存到里面,然后更新 键以存储链中最后一个块的哈希。

另外,注意创建 一个新的方式:

这次,我们不在里面存储所有的区块了,而是仅存储区块链的 。另外,我们存储了一个数据库连接。因为我们想要一旦打开它的话,就让它一直运行,直到程序运行结束。因此, 的结构现在看起来是这样:

接下来我们想要更新的是 方法:现在向链中加入区块,就不是像之前向一个数组中加入一个元素那么简单了。从现在开始,我们会将区块存储在数据库里面:

继续来一段一段分解开来:

这是 BoltDB 事务的另一个类型(只读)。在这里,我们会从数据库中获取最后一个块的哈希,然后用它来挖出一个新的块的哈希:

检查区块链

现在,产生的所有块都会被保存到一个数据库里面,所以我们可以重新打开一个链,然后向里面加入新块。但是在实现这一点后,我们失去了之前一个非常好的特性:再也无法打印区块链的区块了,因为现在不是将区块存储在一个数组,而是放到了数据库里面。让我们来解决这个问题!

BoltDB 允许对一个 bucket 里面的所有 key 进行迭代,但是所有的 key 都以字节序进行存储,而且我们想要以区块能够进入区块链中的顺序进行打印。此外,因为我们不想将所有的块都加载到内存中(因为我们的区块链数据库可能很大!或者现在可以假装它可能很大),我们将会一个一个地读取它们。故而,我们需要一个区块链迭代器():

每当要对链中的块进行迭代时,我们就会创建一个迭代器,里面存储了当前迭代的块哈希()和数据库的连接()。通过 ,迭代器逻辑上被附属到一个区块链上(这里的区块链指的是存储了一个数据库连接的 实例),并且通过 方法进行创建:

注意,迭代器的初始状态为链中的 tip,因此区块将从尾到头(创世块为头),也就是从最新的到最旧的进行获取。实际上,选择一个 tip 就是意味着给一条链“投票”。一条链可能有多个分支,最长的那条链会被认为是主分支。在获得一个 tip (可以是链中的任意一个块)之后,我们就可以重新构造整条链,找到它的长度和需要构建它的工作。这同样也意味着,一个 tip 也就是区块链的一种标识符。

只会做一件事情:返回链中的下一个块。

这就是数据库部分的内容了!

CLI

到目前为止,我们的实现还没有提供一个与程序交互的接口:目前只是在 函数中简单执行了 和 。是时候改变了!现在我们想要拥有这些命令:

所有命令行相关的操作都会通过 结构进行处理:

它的 “入口” 是 函数:

我们会使用标准库里面的 flag 包来解析命令行参数:

首先,我们创建两个子命令: 和 , 然后给 添加 标志。 没有任何标志。

然后,我们检查用户提供的命令,解析相关的 子命令:

接着检查解析是哪一个子命令,并调用相关函数:

这部分内容跟之前的很像,唯一的区别是我们现在使用的是 对区块链中的区块进行迭代:

记得不要忘了对 函数作出相应的修改:

注意,无论提供什么命令行参数,都会创建一个新的链。

这就是今天的所有内容了! 来看一下是不是如期工作:

参考:

Full source codes

Bitcoin Core Data Storage:_Data_Storage):_Data_Storage)

boltdb

encoding/gob

flag

part_3

Building Blockchain in Go. Part 3: Persistence and CLI

配套项目地址:https://github.com/suifengqjn/PublicChain

  • 发表于:
  • 原文链接https://kuaibao.qq.com/s/20180806G1VTMY00?refer=cp_1026
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