基于Java語言構(gòu)建區(qū)塊鏈（三）—— 持久化 & 命令行

asoren 發(fā)布于2019-06-27 18:19 / 1455人閱讀

摘要：我們該選擇哪一款數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫，因此這個由開發(fā)人員自己決定。詳見精通比特幣第二版第章節(jié)交易的輸入與輸出此外，每個區(qū)塊數(shù)據(jù)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(nèi)容請以原文為準：https://wangwei.one/posts/35c...

引言

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

數(shù)據(jù)庫選擇

到目前為止，我們的實現(xiàn)機制中還沒有區(qū)塊存儲這一環(huán)節(jié)，導致我們的區(qū)塊每次生成之后都保存在了內(nèi)存中。這樣不便于我們重新使用區(qū)塊鏈，每次都要從頭開始生成區(qū)塊，也不能夠跟他人共享我們的區(qū)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫，因此這個由開發(fā)人員自己決定。中本聰開發(fā)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(xiàn)，BoltDB不支持Java，這里我們選用 Rocksdb

RocksDB是由Facebook數(shù)據(jù)庫工程團隊開發(fā)和維護的一款key-value存儲引擎，比LevelDB性能更加強大，有關(guān)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(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

在我們開始實現(xiàn)數(shù)據(jù)持久化之前，我們先要確定我們該如何去存儲我們的數(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)：

blocks. 描述鏈上所有區(qū)塊的元數(shù)據(jù).

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

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

詳見：《精通比特幣》第二版第06章節(jié) —— 交易的輸入與輸出

此外，每個區(qū)塊數(shù)據(jù)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(qū)塊數(shù)據(jù)時，不需要加載所有的區(qū)塊數(shù)據(jù)到內(nèi)存中來。

在 blocks 這個桶中，存儲的鍵值對：

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

區(qū)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(qū)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(guān)閉的flag標志

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

交易索引記錄

在 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(shù)據(jù)庫所表示的UTXO的區(qū)塊Hash（抱歉，這一點我還沒弄明白……）

由于我們還沒有實現(xiàn)交易相關(guān)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(xiàn)各個區(qū)塊數(shù)據(jù)各自存儲在獨立的文件上，而是統(tǒng)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(guān)的數(shù)據(jù)，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(qū)塊數(shù)據(jù)與區(qū)塊hash的鍵值對

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

最新一個區(qū)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(jié)數(shù)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(jīng)說過，我們這里使用RocksDB，我們先寫一個相關(guān)的工具類RocksDBUtils，主要的功能如下：

putLastBlockHash：保存最新一個區(qū)塊的Hash值

getLastBlockHash：查詢最新一個區(qū)塊的Hash值

putBlock：保存區(qū)塊

getBlock：查詢區(qū)塊

注意：BoltDB 支持 Bucket 的特性，而RocksDB 不支持，我們這里采用統(tǒng)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(qū)塊鏈數(shù)據(jù)文件
     */
    private static final String DB_FILE = "blockchain.db";
    /**
     * 區(qū)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(qū)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(qū)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(qū)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(qū)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(chuàng)建區(qū)塊鏈

現(xiàn)在我們來優(yōu)化 Blockchain.newBlockchain 接口的代碼邏輯，改為如下邏輯：

代碼如下：

/**
  *  創(chuàng)建區(qū)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(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，只記錄最新一個區(qū)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(qū)塊信息保存下來，并且更新最新區(qū)塊鏈Hash值：

/**
 *  添加區(qū)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(qū)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(xiàn)完畢，我們還缺少一個功能：

檢索區(qū)塊鏈

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

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

public class Blockchain {
 
    ....
    
    /**
     * 區(qū)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(qū)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(chuàng)世區(qū)塊直接放行
            if (lastBlock.getPrevBlockHash().length() == 0) {
                return true;
            }
            return RocksDBUtils.getInstance().getBlock(lastBlock.getPrevBlockHash()) != null;
        }

        
        /**
         * 返回區(qū)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(nèi)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(zhí)行命令

# 打印幫助信息
$ java -jar blockchain-java-jar-with-dependencies.jar -h 

# 添加區(qū)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(qū)塊鏈
$ java -jar blockchain-java-jar-with-dependencies.jar -print

總結(jié)

本篇我們實現(xiàn)了區(qū)塊鏈的存儲功能，接下來我們將實現(xiàn)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

云服務器 GPU云服務器基于區(qū)塊鏈基于區(qū)塊鏈的基于區(qū)塊鏈技術(shù) 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的

文章版權(quán)歸作者所有，未經(jīng)允許請勿轉(zhuǎn)載,若此文章存在違規(guī)行為，您可以聯(lián)系管理員刪除。

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asoren

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