1.前言

到目前為止我們了解區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及簡易版的挖礦（pow共識機(jī)制）。接下來我們將一起了解區(qū)塊鏈的存儲憎蛤，注意：區(qū)塊鏈本質(zhì)上一款分布式數(shù)據(jù)庫龄毡，這里不實(shí)現(xiàn)分布式，我們這先了解區(qū)塊鏈存儲部分朵逝。

2.知識準(zhǔn)備

這里我們將會用道boltdb數(shù)據(jù)庫來存儲我們的數(shù)據(jù)傻工。

3.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

我們看看比特幣數(shù)據(jù)庫是怎么存儲的霞溪。

簡單理解,比特幣使用了兩個"buckets"(桶)來存儲數(shù)據(jù)：

• blocks 描述鏈上所有區(qū)塊的元數(shù)據(jù)孵滞。
• chainstate 存儲區(qū)塊鏈的狀態(tài)，指的是當(dāng)前所有的UTXO（未花費(fèi)交易輸出）以及一些元數(shù)據(jù)鸯匹。

"在比特幣的世界里既沒有賬戶坊饶，也沒有余額，只有分散到區(qū)塊鏈里的UTXO"

另外殴蓬，塊在磁盤上作為單獨(dú)的文件存儲匿级。 這是為了達(dá)到性能目的而完成的：讀取單個塊不需要將全部（或部分）全部加載到內(nèi)存中。 我們不會執(zhí)行這個染厅。

在blocks這個桶中,存儲的是鍵值對：

#塊索引記
'b' + 32-byte block hash -> block index record
#文件信息記錄
'f' + 4-byte file number -> file information record
#使用的最后一個塊文件編號
'l' -> 4-byte file number: the last block file number used
#是否處于重建索引的進(jìn)程當(dāng)中
'R' -> 1-byte boolean: whether we're in the process of reindexing
#各種可以打開或關(guān)閉的flag標(biāo)志
'F' + 1-byte flag name length + flag name string -> 1 byte boolean: various flags that can be on or off
#交易索引記錄
't' + 32-byte transaction hash -> transaction index record

在 chainstate 這個桶中根蟹，存儲的鍵值對：

#某筆交易的UTXO記錄
'c' + 32-byte transaction hash -> unspent transaction output record for that transaction
#數(shù)據(jù)庫表示未使用的事務(wù)輸出的塊散列
'B' -> 32-byte block hash: the block hash up to which the database represents the unspent transaction outputs

比特幣存儲詳情

由于我們還沒有交易，因此我們只會封裝bucket糟秘。 另外简逮，如上所述，我們將整個DB存儲為單個文件尿赚，而不將塊存儲在單獨(dú)的文件中散庶。 所以我們不需要任何與文件編號有關(guān)的東西。 因此凌净，這些是我們將使用的鍵 - >值對：

#區(qū)塊數(shù)據(jù)與區(qū)塊hash的鍵值對
32-byte block-hash -> Block structure (serialized)
#鏈中最后一個塊的散列
'l' -> the hash of the last block in a chain

4.序列化

由于這里Key與Value采用[]byte的形式存儲,所以我們需要序列化,采用Go提供的encoding/gob來實(shí)現(xiàn)序列化與反序列化悲龟。

//序列化Block
func (b *Block) Serialize() []byte  {
    var result bytes.Buffer
    encoder := gob.NewEncoder(&result)
    err := encoder.Encode(b)
    if err != nil {
        log.Panic(err)
    }
    return result.Bytes()
}
//反序列化
func DeserializeBlock(d []byte) *Block {
    var block Block

    decoder := gob.NewDecoder(bytes.NewReader(d))
    err := decoder.Decode(&block)
    if err != nil {
        log.Panic(err)
    }

    return &block
}

5.存儲區(qū)塊數(shù)據(jù)流程圖

存儲區(qū)塊數(shù)據(jù)流程

代碼實(shí)現(xiàn)：

// 創(chuàng)建一個新的區(qū)塊鏈和創(chuàng)世塊
func NewBlockchain() *Blockchain {
    var tip []byte
    //打開數(shù)據(jù)庫
    db, err := bolt.Open(dbFile, 0600, nil)
    if err != nil {
        log.Panic(err)
    }
    
    err = db.Update(func(tx *bolt.Tx) error {
        b := tx.Bucket([]byte(blocksBucket))
        
        if b == nil {
            fmt.Println("No existing blockchain found. Creating a new one...")
            genesis := NewGenesisBlock()

            b, err := tx.CreateBucket([]byte(blocksBucket))
            if err != nil {
                log.Panic(err)
            }
            err = b.Put(genesis.Hash, genesis.Serialize())
            if err != nil {
                log.Panic(err)
            }
            err = b.Put([]byte("l"), genesis.Hash)
            if err != nil {
                log.Panic(err)
            }
            tip = genesis.Hash
        } else {
            tip = b.Get([]byte("l"))
        }
        return nil
    })
    if err != nil {
        log.Panic(err)
    }
    bc := Blockchain{tip, db}
    return &bc
}

這是打開BoltDB文件的標(biāo)準(zhǔn)方式。 注意冰寻，如果沒有這樣的文件须教，它不會返回錯誤。

添加區(qū)塊方法AddBlock:現(xiàn)在我們添加區(qū)塊并不會向數(shù)組添加元素那么簡單斩芭，我們將block存儲在DB中：

//添加區(qū)塊
func (bc *Blockchain) AddBlock(data string)  {
    var lastHash []byte //最后一個區(qū)塊hash
    //查詢數(shù)據(jù)庫中最后一塊的hash
    err :=bc.db.View(func(tx *bolt.Tx) error {
        b :=tx.Bucket([]byte(blocksBucket))
        lastHash=b.Get([]byte("1"))//最新的一塊hash的key我們知道為"l"
        return nil
    })

    if err!=nil{
        log.Panic(err)
    }
    //利最后的一塊hash轻腺，挖掘一塊新的區(qū)塊出來
    newBlock :=NewBlock(data,lastHash)
    //在挖掘新塊之后，我們將其序列化表示保存到數(shù)據(jù)塊中并更新"l"划乖，該密鑰現(xiàn)在存儲新塊的哈希贬养。
    err=bc.db.Update(func(tx *bolt.Tx) error {
        b :=tx.Bucket([]byte(blocksBucket))
        err :=b.Put(newBlock.Hash,newBlock.Serialize())
        if err!=nil{
            log.Panic(err)
        }
        err = b.Put([]byte("l"), newBlock.Hash)
        if err != nil {
            log.Panic(err)
        }
        bc.tip = newBlock.Hash
        return nil
    })
}

好了存儲區(qū)塊桶實(shí)現(xiàn)了，接下來我們想實(shí)現(xiàn)查看區(qū)塊鏈的區(qū)塊數(shù)據(jù)琴庵。

6.檢索區(qū)塊鏈

BoltDB允許迭代桶中的所有鍵误算，但鍵以字節(jié)排序的順序存儲，我們希望塊按照它們在區(qū)塊鏈中的順序進(jìn)行打印迷殿。另外儿礼，因?yàn)槲覀儾幌雽⑺袎K加載到內(nèi)存中（我們的區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫可能很大，或者我們假裝它可以）庆寺，我們將逐個讀取它們蚊夫。為此，我們需要一個區(qū)塊鏈迭代器：

// 區(qū)塊鏈迭代器用于迭代區(qū)塊
type BlockchainIterator struct {
    currentHash []byte //當(dāng)前的hash
    db          *bolt.DB //數(shù)據(jù)庫
}

每次我們想要遍歷區(qū)塊鏈中的塊時止邮，都會創(chuàng)建一個迭代器这橙，它將存儲當(dāng)前迭代的塊散列和到數(shù)據(jù)庫的連接。由于后者导披，迭代器在邏輯上被附加到區(qū)塊鏈（它是一個Blockchain存儲數(shù)據(jù)庫連接的實(shí)例）屈扎，因此在一個Blockchain方法中創(chuàng)建：

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

BlockchainIterator 只會做一件事：它會從區(qū)塊鏈返回下一個區(qū)塊。

// 迭代下一區(qū)塊
func (i *BlockchainIterator) Next() *Block {
    var block *Block

    err := i.db.View(func(tx *bolt.Tx) error {
        b := tx.Bucket([]byte(blocksBucket))
        //查詢區(qū)塊
        encodedBlock := b.Get(i.currentHash)
        block = DeserializeBlock(encodedBlock)

        return nil
    })
    if err != nil {
        log.Panic(err)
    }
       //將前一個區(qū)塊
    i.currentHash = block.PrevBlockHash

    return block
}

7.CLI

目前為止我們并沒有提供任何接口與程序交互撩匕，都是通過main函數(shù)里面來調(diào)用方法鹰晨，我們想通過命令的方式來執(zhí)行這些方法。封裝一個cli：

type CLI struct {
    bc *block.Blockchain //區(qū)塊鏈
}

提供一個接口供main調(diào)用接口止毕。

//啟動接口函數(shù)
func Start(bc *block.Blockchain)interface{}  {
    cl := CLI{bc}
    cl.run()//執(zhí)行命令方法
    return  nil
}
//打印用法
func (cli *CLI) printUsage()  {
    fmt.Println("Usage:")
    fmt.Println("  addblock -data BLOCK_DATA - add a block to the blockchain")
    fmt.Println("  printchain - print all the blocks of the blockchain")
}
//校驗(yàn)參數(shù)
func (cli *CLI) validateArgs() {
    if len(os.Args) < 2 {
        cli.printUsage()
        os.Exit(1)
    }
}
//添加區(qū)塊數(shù)據(jù)
func (cli *CLI) addBlock(data string) {
    cli.bc.AddBlock(data)
    fmt.Println("Success!")
}
//打印區(qū)塊鏈上所有區(qū)塊數(shù)據(jù)
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)

        fmt.Printf("PoW: %s\n", strconv.FormatBool(block.Validate()))
        fmt.Println()
        //創(chuàng)世塊是沒有前一個區(qū)塊的模蜡，所以PrevBlockHash的值是沒有的
        if len(block.PrevBlockHash) == 0 {
            break
        }
    }
}

// 執(zhí)行命令方法
func (cli *CLI) run() {
    cli.validateArgs()//校驗(yàn)參數(shù)
    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:])
        if err != nil {
            log.Panic(err)
        }
    case "printchain":
        err := printChainCmd.Parse(os.Args[2:])
        if err != nil {
            log.Panic(err)
        }
    default:
        cli.printUsage()
        os.Exit(1)
    }

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

    if printChainCmd.Parsed() {
        cli.printChain()
    }
}

修改main

func main() {
    bc := block.NewBlockchain()
    defer block.Close(bc)
    cli.Start(bc)
}

構(gòu)建go項(xiàng)目命令：

C:\go-worke\src\github.com\study-bitcion-go>go build github.com/study-bitcion-go

命令方式添加一個數(shù)據(jù)：

C:\go-worke\src\github.com\study-bitcion-go>study-bitcion-go addblock -data "even send tom 1.000000BTC"
Mining the block containing "even send tom 1.000000BTC"
 Dig into mine  0000042bec2da2fc8a2b1aebabd0a855d93b46d5f512356d385d744a95edd635

Success!

迭代區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)：

C:\go-worke\src\github.com\study-bitcion-go>study-bitcion-go printchain
Prev. hash: 00000220260f77c875a787d79c61e2b16307914895a417438a7809b9dc7f9fb4
Data: even send tom 1.000000BTC
Hash: 0000042bec2da2fc8a2b1aebabd0a855d93b46d5f512356d385d744a95edd635
PoW: true

Prev. hash:
Data: Genesis Block
Hash: 00000220260f77c875a787d79c61e2b16307914895a417438a7809b9dc7f9fb4
PoW: true

本章實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)持久化存儲，命令方式啟動扁凛。后續(xù)我們將實(shí)現(xiàn)錢包忍疾、交易、網(wǎng)絡(luò)等谨朝。

資料

• 原文來源：https://jeiwan.cc/posts/building-blockchain-in-go-part-3/
• 本文源碼：https://github.com/Even521/study-bitcion-go/tree/part3
• java學(xué)習(xí)：http://www.reibang.com/p/66c065018c7a
• 區(qū)塊鏈基礎(chǔ)視頻學(xué)習(xí)：https://www.bilibili.com/video/av19620321/
• 區(qū)塊鏈測試demo：https://anders.com/blockchain/blockchain.html
• 區(qū)塊鏈Q(jìng)Q交流群：489512556