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基于Java語言構建區塊鏈(三)—— 持久化 & 命令行

asoren / 1445人閱讀

摘要:我們該選擇哪一款數據庫呢事實上,在比特幣白皮書中并沒有明確指定使用哪一種的數據庫,因此這個由開發人員自己決定。詳見精通比特幣第二版第章節交易的輸入與輸出此外,每個區塊數據都是以多帶帶的文件形式存儲在磁盤上。資料源代碼精通比特幣第二版


最終內容請以原文為準:https://wangwei.one/posts/35c...
引言

上一篇 文章我們實現了區塊鏈的工作量證明機制(Pow),盡可能地實現了挖礦。但是距離真正的區塊鏈應用還有很多重要的特性沒有實現。今天我們來實現區塊鏈數據的存儲機制,將每次生成的區塊鏈數據保存下來。有一點需要注意,區塊鏈本質上是一款分布式的數據庫,我們這里不實現"分布式",只聚焦于數據存儲部分。

數據庫選擇

到目前為止,我們的實現機制中還沒有區塊存儲這一環節,導致我們的區塊每次生成之后都保存在了內存中。這樣不便于我們重新使用區塊鏈,每次都要從頭開始生成區塊,也不能夠跟他人共享我們的區塊鏈,因此,我們需要將其存儲在磁盤上。

我們該選擇哪一款數據庫呢?事實上,在《比特幣白皮書》中并沒有明確指定使用哪一種的數據庫,因此這個由開發人員自己決定。中本聰 開發的 Bitcoin Core 中使用的是LevelDB。原文 Building Blockchain in Go. Part 3: Persistence and CLI 中使用的是 BoltDB ,對Go語言支持比較好。

但是我們這里使用的是Java來實現,BoltDB不支持Java,這里我們選用 Rocksdb

RocksDB是由Facebook數據庫工程團隊開發和維護的一款key-value存儲引擎,比LevelDB性能更加強大,有關Rocksdb的詳細介紹,請移步至官方文檔:https://github.com/facebook/r... ,這里不多做介紹。
數據結構

在我們開始實現數據持久化之前,我們先要確定我們該如何去存儲我們的數據。為此,我們先來看看比特幣是怎么做的。

簡單來講,比特幣使用了兩個"buckets(桶)"來存儲數據:

blocks. 描述鏈上所有區塊的元數據.

chainstate. 存儲區塊鏈的狀態,指的是當前所有的UTXO(未花費交易輸出)以及一些元數據.

“在比特幣的世界里既沒有賬戶,也沒有余額,只有分散到區塊鏈里的UTXO。”

詳見:《精通比特幣》第二版 第06章節 —— 交易的輸入與輸出

此外,每個區塊數據都是以多帶帶的文件形式存儲在磁盤上。這樣做是出于性能的考慮:當讀取某一個多帶帶的區塊數據時,不需要加載所有的區塊數據到內存中來。

blocks 這個桶中,存儲的鍵值對:

"b" + 32-byte block hash -> block index record

區塊的索引記錄

"f" + 4-byte file number -> file information record

文件信息記錄

"l" -> 4-byte file number: the last block file number used

最新的一個區塊所使用的文件編碼

"R" -> 1-byte boolean: whether we"re in the process of reindexing

是否處于重建索引的進程當中

"F" + 1-byte flag name length + flag name string -> 1 byte boolean: various flags that can be on or off

各種可以打開或關閉的flag標志

"t" + 32-byte transaction hash -> transaction index record

交易索引記錄

chainstate 這個桶中,存儲的鍵值對:

"c" + 32-byte transaction hash -> unspent transaction output record for that transaction

某筆交易的UTXO記錄

"B" -> 32-byte block hash: the block hash up to which the database represents the unspent transaction outputs

數據庫所表示的UTXO的區塊Hash(抱歉,這一點我還沒弄明白……)

由于我們還沒有實現交易相關的特性,因此,我們這里只使用 block 桶。另外,前面提到過的,這里我們不會實現各個區塊數據各自存儲在獨立的文件上,而是統一存放在一個文件里面。因此,我們不要存儲和文件編碼相關的數據,這樣一來,我們所用到的鍵值對就簡化為:

32-byte block-hash -> Block structure (serialized)

區塊數據與區塊hash的鍵值對

"l" -> the hash of the last block in a chain

最新一個區塊hash的鍵值對

序列化

RocksDB的Key與Value只能以byte[]的形式進行存儲,這里我們需要用到序列化與反序列化庫 Kryo,代碼如下:

package one.wangwei.blockchain.util;

import com.esotericsoftware.kryo.Kryo;
import com.esotericsoftware.kryo.io.Input;
import com.esotericsoftware.kryo.io.Output;

/**
 * 序列化工具類
 *
 * @author wangwei
 * @date 2018/02/07
 */
public class SerializeUtils {

    /**
     * 反序列化
     *
     * @param bytes 對象對應的字節數組
     * @return
     */
    public static Object deserialize(byte[] bytes) {
        Input input = new Input(bytes);
        Object obj = new Kryo().readClassAndObject(input);
        input.close();
        return obj;
    }

    /**
     * 序列化
     *
     * @param object 需要序列化的對象
     * @return
     */
    public static byte[] serialize(Object object) {
        Output output = new Output(4096, -1);
        new Kryo().writeClassAndObject(output, object);
        byte[] bytes = output.toBytes();
        output.close();
        return bytes;
    }
}
持久化

上面已經說過,我們這里使用RocksDB,我們先寫一個相關的工具類RocksDBUtils,主要的功能如下:

putLastBlockHash:保存最新一個區塊的Hash值

getLastBlockHash:查詢最新一個區塊的Hash值

putBlock:保存區塊

getBlock:查詢區塊

注意:BoltDB 支持 Bucket 的特性,而RocksDB 不支持,我們這里采用統一前綴的方式進行處理。
RocksDBUtils
package one.wangwei.blockchain.util;

import lombok.Getter;
import one.wangwei.blockchain.block.Block;
import org.rocksdb.Options;
import org.rocksdb.RocksDB;
import org.rocksdb.RocksDBException;

/**
 * RocksDB 工具類
 *
 * @author wangwei
 * @date 2018/02/27
 */
public class RocksDBUtils {

    /**
     * 區塊鏈數據文件
     */
    private static final String DB_FILE = "blockchain.db";
    /**
     * 區塊桶前綴
     */
    private static final String BLOCKS_BUCKET_PREFIX = "blocks_";

    private volatile static RocksDBUtils instance;

    public static RocksDBUtils getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (RocksDBUtils.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new RocksDBUtils();
                }
            }
        }
        return instance;
    }

    @Getter
    private RocksDB rocksDB;

    private RocksDBUtils() {
        initRocksDB();
    }

    /**
     * 初始化RocksDB
     */
    private void initRocksDB() {
        try {
            rocksDB = RocksDB.open(new Options().setCreateIfMissing(true), DB_FILE);
        } catch (RocksDBException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    /**
     * 保存最新一個區塊的Hash值
     *
     * @param tipBlockHash
     */
    public void putLastBlockHash(String tipBlockHash) throws Exception {
        rocksDB.put(SerializeUtils.serialize(BLOCKS_BUCKET_PREFIX + "l"), SerializeUtils.serialize(tipBlockHash));
    }

    /**
     * 查詢最新一個區塊的Hash值
     *
     * @return
     */
    public String getLastBlockHash() throws Exception {
        byte[] lastBlockHashBytes = rocksDB.get(SerializeUtils.serialize(BLOCKS_BUCKET_PREFIX + "l"));
        if (lastBlockHashBytes != null) {
            return (String) SerializeUtils.deserialize(lastBlockHashBytes);
        }
        return "";
    }

    /**
     * 保存區塊
     *
     * @param block
     */
    public void putBlock(Block block) throws Exception {
        byte[] key = SerializeUtils.serialize(BLOCKS_BUCKET_PREFIX + block.getHash());
        rocksDB.put(key, SerializeUtils.serialize(block));
    }

    /**
     * 查詢區塊
     *
     * @param blockHash
     * @return
     */
    public Block getBlock(String blockHash) throws Exception {
        byte[] key = SerializeUtils.serialize(BLOCKS_BUCKET_PREFIX + blockHash);
        return (Block) SerializeUtils.deserialize(rocksDB.get(key));
    }

}
創建區塊鏈

現在我們來優化 Blockchain.newBlockchain 接口的代碼邏輯,改為如下邏輯:

代碼如下:

/**
  * 

創建區塊鏈

* * @return */ public static Blockchain newBlockchain() throws Exception { String lastBlockHash = RocksDBUtils.getInstance().getLastBlockHash(); if (StringUtils.isBlank(lastBlockHash)) { Block genesisBlock = Block.newGenesisBlock(); lastBlockHash = genesisBlock.getHash(); RocksDBUtils.getInstance().putBlock(genesisBlock); RocksDBUtils.getInstance().putLastBlockHash(lastBlockHash); } return new Blockchain(lastBlockHash); }

修改 Blockchain 的數據結構,只記錄最新一個區塊鏈的Hash值

public class Blockchain {
    
    @Getter
    private String lastBlockHash;

    private Blockchain(String lastBlockHash) {
        this.lastBlockHash = lastBlockHash;
    }
}

每次挖礦完成后,我們也需要將最新的區塊信息保存下來,并且更新最新區塊鏈Hash值:

/**
 * 

添加區塊

* * @param data */ public void addBlock(String data) throws Exception { String lastBlockHash = RocksDBUtils.getInstance().getLastBlockHash(); if (StringUtils.isBlank(lastBlockHash)) { throw new Exception("Fail to add block into blockchain ! "); } this.addBlock(Block.newBlock(lastBlockHash, data)); } /** *

添加區塊

* * @param block */ public void addBlock(Block block) throws Exception { RocksDBUtils.getInstance().putLastBlockHash(block.getHash()); RocksDBUtils.getInstance().putBlock(block); this.lastBlockHash = block.getHash(); }

到此,存儲部分的功能就實現完畢,我們還缺少一個功能:

檢索區塊鏈

現在,我們所有的區塊都保存到了數據庫,因此,我們能夠重新打開已有的區塊鏈并且向其添加新的區塊。但這也導致我們再也無法打印出區塊鏈中所有區塊的信息,因為,我們沒有將區塊存儲在數組當中。讓我們來修復這個瑕疵!

我們在Blockchain中創建一個內部類 BlockchainIterator ,作為區塊鏈的迭代器,通過區塊之前的hash連接來依次迭代輸出區塊信息,代碼如下:

public class Blockchain {
 
    ....
    
    /**
     * 區塊鏈迭代器
     */
    public class BlockchainIterator {

        private String currentBlockHash;

        public BlockchainIterator(String currentBlockHash) {
            this.currentBlockHash = currentBlockHash;
        }

        /**
         * 是否有下一個區塊
         *
         * @return
         */
        public boolean hashNext() throws Exception {
            if (StringUtils.isBlank(currentBlockHash)) {
                return false;
            }
            Block lastBlock = RocksDBUtils.getInstance().getBlock(currentBlockHash);
            if (lastBlock == null) {
                return false;
            }
            // 創世區塊直接放行
            if (lastBlock.getPrevBlockHash().length() == 0) {
                return true;
            }
            return RocksDBUtils.getInstance().getBlock(lastBlock.getPrevBlockHash()) != null;
        }

        
        /**
         * 返回區塊
         *
         * @return
         */
        public Block next() throws Exception {
            Block currentBlock = RocksDBUtils.getInstance().getBlock(currentBlockHash);
            if (currentBlock != null) {
                this.currentBlockHash = currentBlock.getPrevBlockHash();
                return currentBlock;
            }
            return null;
        }
    }   
    
    ....    
}
測試
/**
 * 測試
 *
 * @author wangwei
 * @date 2018/02/05
 */
public class BlockchainTest {

    public static void main(String[] args) {
        try {
            Blockchain blockchain = Blockchain.newBlockchain();

            blockchain.addBlock("Send 1.0 BTC to wangwei");
            blockchain.addBlock("Send 2.5 more BTC to wangwei");
            blockchain.addBlock("Send 3.5 more BTC to wangwei");

            for (Blockchain.BlockchainIterator iterator = blockchain.getBlockchainIterator(); iterator.hashNext(); ) {
                Block block = iterator.next();

                if (block != null) {
                    boolean validate = ProofOfWork.newProofOfWork(block).validate();
                    System.out.println(block.toString() + ", validate = " + validate);
                }
            }

        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}


/*輸出*/

Block{hash="0000012f87a0510dd0ee7048a6bd52db3002bae7d661126dc28287bd6c23189a", prevBlockHash="0000024b2c23c4fb06c2e2c1349275d415efe17a51db24cd4883da0067300ddf", data="Send 3.5 more BTC to wangwei", timeStamp=1519724875, nonce=369110}, validate = true
Block{hash="0000024b2c23c4fb06c2e2c1349275d415efe17a51db24cd4883da0067300ddf", prevBlockHash="00000b14fefb51ba2a7428549d469bcf3efae338315e7289d3e6dc4caf589d79", data="Send 2.5 more BTC to wangwei", timeStamp=1519724872, nonce=896348}, validate = true
Block{hash="00000b14fefb51ba2a7428549d469bcf3efae338315e7289d3e6dc4caf589d79", prevBlockHash="0000099ced1b02f40c750c5468bb8c4fd800ec9f46fea5d8b033e5d054f0f703", data="Send 1.0 BTC to wangwei", timeStamp=1519724869, nonce=673955}, validate = true
Block{hash="0000099ced1b02f40c750c5468bb8c4fd800ec9f46fea5d8b033e5d054f0f703", prevBlockHash="", data="Genesis Block", timeStamp=1519724866, nonce=840247}, validate = true
命令行界面

CLI 部分的內容,這里不做詳細介紹,具體可以去查看文末的Github源碼鏈接。大致步驟如下:

配置

添加pom.xml配置


   
    ...
    
    
        commons-cli
        commons-cli
        1.4
    
    
    ...
    
    
        org.apache.maven.plugins
        maven-assembly-plugin
        3.1.0
        
            
                
                    true
                    lib/
                    one.wangwei.blockchain.cli.Main
                
            
            
                jar-with-dependencies
            
        
        
            
                make-assembly
                
                package
                
                
                    single
                
            
        
    
    
    ...
   
項目工程打包
$ mvn clean && mvn package
執行命令
# 打印幫助信息
$ java -jar blockchain-java-jar-with-dependencies.jar -h 

# 添加區塊
$ java -jar blockchain-java-jar-with-dependencies.jar -add "Send 1.5 BTC to wangwei"
$ java -jar blockchain-java-jar-with-dependencies.jar -add "Send 2.5 BTC to wangwei"
$ java -jar blockchain-java-jar-with-dependencies.jar -add "Send 3.5 BTC to wangwei"

# 打印區塊鏈
$ java -jar blockchain-java-jar-with-dependencies.jar -print
總結

本篇我們實現了區塊鏈的存儲功能,接下來我們將實現地址、交易、錢包這一些列的功能。

資料

源代碼:https://github.com/wangweiX/b...

https://jeiwan.cc/posts/build...

《精通比特幣》第二版

文章版權歸作者所有,未經允許請勿轉載,若此文章存在違規行為,您可以聯系管理員刪除。

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