用 Go 构建一个区块链 -- Part 3: 持久化和命令行接口

以你之姓@ 2022-06-07 01:42 186阅读 0赞

翻译的系列文章我已经放到了 GitHub 上：[blockchain-tutorial][]，后续如有更新都会在 GitHub 上，可能就不在这里同步了。如果想直接运行代码，也可以 clone GitHub 上的教程仓库，进入 src 目录执行 `make` 即可。

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## 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。虽然目前的实现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][Link 1] 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：

1.  非常简单和简约
2.  用 Go 实现
3.  不需要运行一个服务器
4.  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**（块）Block**），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][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。

## 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：

1.  其中一个 bucket 是 **blocks**，它存储了描述一条链中所有块的元数据
2.  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。

在 **blocks** 中，**key -> value** 为：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="center">key</th> 
   <th align="center">value</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="center"><code>b</code> + 32 字节的 block hash</td> 
   <td align="center">block index record</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center"><code>f</code> + 4 字节的 file number</td> 
   <td align="center">file information record</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center"><code>l</code> + 4 字节的 file number</td> 
   <td align="center">the last block file number used</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center"><code>R</code> + 1 字节的 boolean</td> 
   <td align="center">是否正在 reindex</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center"><code>F</code> + 1 字节的 flag name length + flag name string</td> 
   <td align="center">1 byte boolean: various flags that can be on or off</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center"><code>t</code> + 32 字节的 transaction hash</td> 
   <td align="center">transaction index record</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

在 **chainstate**，**key -> value** 为：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="center">key</th> 
   <th align="center">value</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="center"><code>c</code> + 32 字节的 transaction hash</td> 
   <td align="center">unspent transaction output record for that transaction</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center"><code>B</code></td> 
   <td align="center">32 字节的 block hash: the block hash up to which the database represents the unspent transaction outputs</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

详情可见 **[这里][Link 2]**。

因为目前还没有交易，所以我们只需要 **blocks** bucket。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：

1.  32 字节的 block-hash -> block 结构
2.  `l` \-> 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 `[]byte` 类型，但是我们想要存储 `Block` 结构。所以，我们需要使用 [encoding/gob][encoding_gob] 来对这些结构进行序列化。

让我们来实现 `Block` 的 `Serialize` 方法（为了简洁起见，此处略去了错误处理）：

func (b *Block) Serialize() []byte {
        var result bytes.Buffer
        encoder := gob.NewEncoder(&result)
    
        err := encoder.Encode(b)
    
        return result.Bytes()
    }

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` encoder 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 `Block`. 它不是一个方法（method），而是一个单独的函数（function）：

func DeserializeBlock(d []byte) *Block {
        var block Block
    
        decoder := gob.NewDecoder(bytes.NewReader(d))
        err := decoder.Decode(&block)
    
        return &block
    }

这就是序列化部分的内容了。

## 持久化 ##

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

1.  打开一个数据库文件
2.  检查文件里面是否已经存储了一个区块链
3.  如果已经存储了一个区块链：  
    
    
    1.  创建一个新的 `Blockchain` 实例
    2.  设置 `Blockchain` 实例的 tip 为数据库中存储的最后一个块的哈希
4.  如果没有区块链：  
    
    
    1.  创建创世块
    2.  存储到数据库
    3.  将创世块哈希保存为最后一个块的哈希
    4.  创建一个新的 `Blockchain` 实例，其 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：

func NewBlockchain() *Blockchain {
        var tip []byte
        db, err := bolt.Open(dbFile, 0600, nil)
    
        err = db.Update(func(tx *bolt.Tx) error {
            b := tx.Bucket([]byte(blocksBucket))
    
            if b == nil {
                genesis := NewGenesisBlock()
                b, err := tx.CreateBucket([]byte(blocksBucket))
                err = b.Put(genesis.Hash, genesis.Serialize())
                err = b.Put([]byte("l"), genesis.Hash)
                tip = genesis.Hash
            } else {
                tip = b.Get([]byte("l"))
            }
    
            return nil
        })
    
        bc := Blockchain{tip, db}
    
        return &bc
    }

来一段一段地看下代码：

db, err := bolt.Open(dbFile, 0600, nil)

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。

err = db.Update(func(tx *bolt.Tx) error {
    ...
    })

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（`db.Update(...)`），因为我们可能会向数据库中添加创世块。

b := tx.Bucket([]byte(blocksBucket))
    
    if b == nil {
        genesis := NewGenesisBlock()
        b, err := tx.CreateBucket([]byte(blocksBucket))
        err = b.Put(genesis.Hash, genesis.Serialize())
        err = b.Put([]byte("l"), genesis.Hash)
        tip = genesis.Hash
    } else {
        tip = b.Get([]byte("l"))
    }

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 `l` 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 `l` 键以存储链中最后一个块的哈希。

另外，注意创建 `Blockchain` 一个新的方式：

bc := Blockchain{tip, db}

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 tip。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，`Blockchain` 的结构现在看起来是这样：

type Blockchain struct {
        tip []byte
        db  *bolt.DB
    }

接下来我们想要更新的是 `AddBlock` 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：

func (bc *Blockchain) AddBlock(data string) {
        var lastHash []byte
    
        err := bc.db.View(func(tx *bolt.Tx) error {
            b := tx.Bucket([]byte(blocksBucket))
            lastHash = b.Get([]byte("l"))
    
            return nil
        })
    
        newBlock := NewBlock(data, lastHash)
    
        err = bc.db.Update(func(tx *bolt.Tx) error {
            b := tx.Bucket([]byte(blocksBucket))
            err := b.Put(newBlock.Hash, newBlock.Serialize())
            err = b.Put([]byte("l"), newBlock.Hash)
            bc.tip = newBlock.Hash
    
            return nil
        })
    }

继续来一段一段分解开来：

err := bc.db.View(func(tx *bolt.Tx) error {
        b := tx.Bucket([]byte(blocksBucket))
        lastHash = b.Get([]byte("l"))
    
        return nil
    })

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：

newBlock := NewBlock(data, lastHash)
    b := tx.Bucket([]byte(blocksBucket))
    err := b.Put(newBlock.Hash, newBlock.Serialize())
    err = b.Put([]byte("l"), newBlock.Hash)
    bc.tip = newBlock.Hash

## 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：我们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（BlockchainIterator）：

type BlockchainIterator struct {
        currentHash []byte
        db          *bolt.DB
    }

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（currentHash）和数据库的连接（db）。通过 `db`，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 `Blockchain` 实例），并且通过 `Blockchain` 方法进行创建：

func (bc *Blockchain) Iterator() *BlockchainIterator {
        bci := &BlockchainIterator{bc.tip, bc.db}
    
        return bci
    }

注意，迭代器的初始状态为链中的 tip，因此区块将从头到尾，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。

`BlockchainIterator` 只会做一件事情：返回链中的下一个块。

func (i *BlockchainIterator) Next() *Block {
        var block *Block
    
        err := i.db.View(func(tx *bolt.Tx) error {
            b := tx.Bucket([]byte(blocksBucket))
            encodedBlock := b.Get(i.currentHash)
            block = DeserializeBlock(encodedBlock)
    
            return nil
        })
    
        i.currentHash = block.PrevBlockHash
    
        return block
    }

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 `main` 函数中简单执行了 `NewBlockchain` 和 `bc.AddBlock` 。是时候改变了！现在我们想要拥有这些命令：

blockchain_go addblock "Pay 0.031337 for a coffee"
    blockchain_go printchain

所有命令行相关的操作都会通过 `CLI` 结构进行处理：

type CLI struct {
        bc *Blockchain
    }

它的 “入口” 是 `Run` 函数：

func (cli *CLI) Run() {
        cli.validateArgs()
    
        addBlockCmd := flag.NewFlagSet("addblock", flag.ExitOnError)
        printChainCmd := flag.NewFlagSet("printchain", flag.ExitOnError)
    
        addBlockData := addBlockCmd.String("data", "", "Block data")
    
        switch os.Args[1] {
        case "addblock":
            err := addBlockCmd.Parse(os.Args[2:])
        case "printchain":
            err := printChainCmd.Parse(os.Args[2:])
        default:
            cli.printUsage()
            os.Exit(1)
        }
    
        if addBlockCmd.Parsed() {
            if *addBlockData == "" {
                addBlockCmd.Usage()
                os.Exit(1)
            }
            cli.addBlock(*addBlockData)
        }
    
        if printChainCmd.Parsed() {
            cli.printChain()
        }
    }

我们会使用标准库里面的 [flag][] 包来解析命令行参数：

addBlockCmd := flag.NewFlagSet("addblock", flag.ExitOnError)
    printChainCmd := flag.NewFlagSet("printchain", flag.ExitOnError)
    addBlockData := addBlockCmd.String("data", "", "Block data")

首先，我们创建两个子命令: `addblock` 和 `printchain`, 然后给 `addblock` 添加 `-data` 标志。`printchain` 没有任何标志。

switch os.Args[1] {
    case "addblock":
        err := addBlockCmd.Parse(os.Args[2:])
    case "printchain":
        err := printChainCmd.Parse(os.Args[2:])
    default:
        cli.printUsage()
        os.Exit(1)
    }

然后，我们检查用户提供的命令，解析相关的 `flag` 子命令：

if addBlockCmd.Parsed() {
        if *addBlockData == "" {
            addBlockCmd.Usage()
            os.Exit(1)
        }
        cli.addBlock(*addBlockData)
    }
    
    if printChainCmd.Parsed() {
        cli.printChain()
    }

接着检查解析是哪一个子命令，并调用相关函数：

func (cli *CLI) addBlock(data string) {
        cli.bc.AddBlock(data)
        fmt.Println("Success!")
    }
    
    func (cli *CLI) printChain() {
        bci := cli.bc.Iterator()
    
        for {
            block := bci.Next()
    
            fmt.Printf("Prev. hash: %x\n", block.PrevBlockHash)
            fmt.Printf("Data: %s\n", block.Data)
            fmt.Printf("Hash: %x\n", block.Hash)
            pow := NewProofOfWork(block)
            fmt.Printf("PoW: %s\n", strconv.FormatBool(pow.Validate()))
            fmt.Println()
    
            if len(block.PrevBlockHash) == 0 {
                break
            }
        }
    }

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 `BlockchainIterator` 对区块链中的区块进行迭代：

记得不要忘了对 `main` 函数作出相应的修改：

func main() {
        bc := NewBlockchain()
        defer bc.db.Close()
    
        cli := CLI{bc}
        cli.Run()
    }

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：

$ blockchain_go printchain
    No existing blockchain found. Creating a new one...
    Mining the block containing "Genesis Block" 000000edc4a82659cebf087adee1ea353bd57fcd59927662cd5ff1c4f618109b
    
    Prev. hash:
    Data: Genesis Block
    Hash: 000000edc4a82659cebf087adee1ea353bd57fcd59927662cd5ff1c4f618109b
    PoW: true
    
    $ blockchain_go addblock -data "Send 1 BTC to Ivan"
    Mining the block containing "Send 1 BTC to Ivan" 000000d7b0c76e1001cdc1fc866b95a481d23f3027d86901eaeb77ae6d002b13
    
    Success!
    
    $ blockchain_go addblock -data "Pay 0.31337 BTC for a coffee"
    Mining the block containing "Pay 0.31337 BTC for a coffee" 000000aa0748da7367dec6b9de5027f4fae0963df89ff39d8f20fd7299307148
    
    Success!
    
    $ blockchain_go printchain
    Prev. hash: 000000d7b0c76e1001cdc1fc866b95a481d23f3027d86901eaeb77ae6d002b13
    Data: Pay 0.31337 BTC for a coffee
    Hash: 000000aa0748da7367dec6b9de5027f4fae0963df89ff39d8f20fd7299307148
    PoW: true
    
    Prev. hash: 000000edc4a82659cebf087adee1ea353bd57fcd59927662cd5ff1c4f618109b
    Data: Send 1 BTC to Ivan
    Hash: 000000d7b0c76e1001cdc1fc866b95a481d23f3027d86901eaeb77ae6d002b13
    PoW: true
    
    Prev. hash:
    Data: Genesis Block
    Hash: 000000edc4a82659cebf087adee1ea353bd57fcd59927662cd5ff1c4f618109b
    PoW: true

![test][]

## 总结 ##

在下篇文章中，我们将会实现地址，钱包，（可能实现）交易。尽请收听！

链接  
\- [Full source codes][]  
\- [Bitcoin Core Data Storage][Link 2]  
\- [boltdb][README]  
\- [encoding/gob][encoding_gob]  
\- [flag][]

本文源码：[part\_3][Full source codes]

原文：[Building Blockchain in Go. Part 3: Persistence and CLI][Building Blockchain in Go. Part 3_ Persistence and CLI]

[blockchain-tutorial]: https://github.com/liuchengxu/blockchain-tutorial
[Link 1]: https://bitcoin.org/bitcoin.pdf
[Bitcoin Core]: https://github.com/bitcoin/bitcoin
[LevelDB]: https://github.com/google/leveldb
[README]: https://github.com/boltdb/bolt
[encoding_gob]: https://golang.org/pkg/encoding/gob/
[Link 2]: https://en.bitcoin.it/wiki/Bitcoin_Core_0.11_%28ch_2%29:_Data_Storage
[flag]: https://golang.org/pkg/flag/
[test]: /images/20220607/6124d9d091af4d6e8b3fbce37e2c4231.png
[Full source codes]: https://github.com/Jeiwan/blockchain_go/tree/part_3
[Building Blockchain in Go. Part 3_ Persistence and CLI]: https://jeiwan.cc/posts/building-blockchain-in-go-part-3/