用Go语言建立一个简单的区块链part3：持久化和命令行接口
持久化和命令行接口
引言
到目前為止，我們已經(jīng)構(gòu)建了一個(gè)有工作量證明機(jī)制的區(qū)塊鏈。有了工作量證明，挖礦也就有了著落。雖然目前距離一個(gè)有著完整功能的區(qū)塊鏈越來越近了，但是它仍然缺少了一些重要的特性。在今天的內(nèi)容中，我們會(huì)將區(qū)塊鏈持久化到一個(gè)數(shù)據(jù)庫中，然后會(huì)提供一個(gè)簡單的命令行接口，用來完成一些與區(qū)塊鏈的交互操作。本質(zhì)上，區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€(gè)分布式數(shù)據(jù)庫，不過，我們暫時(shí)先忽略 “分布式” 這個(gè)部分，僅專注于 “存儲(chǔ)” 這一點(diǎn)。
選擇數(shù)據(jù)庫
目前，我們的區(qū)塊鏈實(shí)現(xiàn)里面并沒有用到數(shù)據(jù)庫，而是在每次運(yùn)行程序時(shí)，簡單地將區(qū)塊鏈存儲(chǔ)在內(nèi)存中。那么一旦程序退出，所有的內(nèi)容就都消失了。我們沒有辦法再次使用這條鏈，也沒有辦法與其他人共享，所以我們需要把它存儲(chǔ)到磁盤上。
那么，我們要用哪個(gè)數(shù)據(jù)庫呢？實(shí)際上，任何一個(gè)數(shù)據(jù)庫都可以。在 比特幣原始論文 中，并沒有提到要使用哪一個(gè)具體的數(shù)據(jù)庫，它完全取決于開發(fā)者如何選擇。 Bitcoin Core ，最初由中本聰發(fā)布，現(xiàn)在是比特幣的一個(gè)參考實(shí)現(xiàn)，它使用的是 LevelDB。而我們將要使用的是…
BoltDB
因?yàn)樗?#xff1a;
1、非常簡潔
2、用 Go 實(shí)現(xiàn)
3、不需要運(yùn)行一個(gè)服務(wù)器
4、能夠允許我們構(gòu)造想要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
BoltDB GitHub 上的 README 是這么說的：
Bolt 是一個(gè)純鍵值存儲(chǔ)的 Go 數(shù)據(jù)庫，啟發(fā)自 Howard Chu 的 LMDB. 它旨在為那些無須一個(gè)像 Postgres 和 MySQL 這樣有著完整數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的項(xiàng)目，提供一個(gè)簡單，快速和可靠的數(shù)據(jù)庫。
由于 Bolt 意在用于提供一些底層功能，簡潔便成為其關(guān)鍵所在。它的 API 并不多，并且僅關(guān)注值的獲取和設(shè)置。僅此而已。
聽起來跟我們的需求完美契合！來快速過一下：
Bolt 使用鍵值存儲(chǔ)，這意味著它沒有像 SQL RDBMS （MySQL，PostgreSQL 等等）的表，沒有行和列。相反，數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)為鍵值對(duì)（key-value pair，就像 Golang 的 map）。鍵值對(duì)被存儲(chǔ)在 bucket 中，這是為了將相似的鍵值對(duì)進(jìn)行分組（類似 RDBMS 中的表格）。因此，為了獲取一個(gè)值，你需要知道一個(gè) bucket 和一個(gè)鍵（key）。
需要注意的一個(gè)事情是，Bolt 數(shù)據(jù)庫沒有數(shù)據(jù)類型：鍵和值都是字節(jié)數(shù)組（byte array）。鑒于需要在里面存儲(chǔ) Go 的結(jié)構(gòu)（準(zhǔn)確來說，也就是存儲(chǔ)Block（塊）），我們需要對(duì)它們進(jìn)行序列化，也就說，實(shí)現(xiàn)一個(gè)從 Go struct 轉(zhuǎn)換到一個(gè) byte array 的機(jī)制，同時(shí)還可以從一個(gè) byte array 再轉(zhuǎn)換回 Go struct。雖然我們將會(huì)使用 encoding/gob 來完成這一目標(biāo)，但實(shí)際上也可以選擇使用 JSON, XML, Protocol Buffers 等等。之所以選擇使用 encoding/gob, 是因?yàn)樗芎唵?#xff0c;而且是 Go 標(biāo)準(zhǔn)庫的一部分。
雖然 BoltDB 的作者出于個(gè)人原因已經(jīng)不在對(duì)其維護(hù)（見README）, 不過關(guān)系不大，它已經(jīng)足夠穩(wěn)定了，況且也有活躍的 fork:coreos/bblot。
數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)
在開始實(shí)現(xiàn)持久化的邏輯之前，我們首先需要決定到底要如何在數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行存儲(chǔ)。為此，我們可以參考 Bitcoin Core 的做法：
簡單來說，Bitcoin Core 使用兩個(gè) “bucket” 來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)：
其中一個(gè) bucket 是 blocks，它存儲(chǔ)了描述一條鏈中所有塊的元數(shù)據(jù)
另一個(gè) bucket 是 chainstate，存儲(chǔ)了一條鏈的狀態(tài)，也就是當(dāng)前所有的未花費(fèi)的交易輸出，和一些元數(shù)據(jù)
此外，出于性能的考慮，Bitcoin Core 將每個(gè)區(qū)塊（block）存儲(chǔ)為磁盤上的不同文件。如此一來，就不需要僅僅為了讀取一個(gè)單一的塊而將所有（或者部分）的塊都加載到內(nèi)存中。但是，為了簡單起見，我們并不會(huì)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。
因?yàn)槟壳斑€沒有交易，所以我們只需要 blocks bucket。另外，正如上面提到的，我們會(huì)將整個(gè)數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)為單個(gè)文件，而不是將區(qū)塊存儲(chǔ)在不同的文件中。所以，我們也不會(huì)需要文件編號(hào)（file number）相關(guān)的東西。最終，我們會(huì)用到的鍵值對(duì)有：
1、32 字節(jié)的 block-hash -> block 結(jié)構(gòu)
2、l -> 鏈中最后一個(gè)塊的 hash
這就是實(shí)現(xiàn)持久化機(jī)制所有需要了解的內(nèi)容了。
序列化
上面提到，在 BoltDB 中，值只能是 []byte 類型，但是我們想要存儲(chǔ) Block 結(jié)構(gòu)。所以，我們需要使用 encoding/gob 來對(duì)這些結(jié)構(gòu)進(jìn)行序列化。
讓我們來實(shí)現(xiàn) Block 的 Serialize 方法（為了簡潔起見，此處略去了錯(cuò)誤處理）：
func (b *Block) Serialize() []byte {var result bytes.Bufferencoder := gob.NewEncoder(&result)err := encoder.Encode(b)return result.Bytes() }這個(gè)部分比較直觀：首先，我們定義一個(gè) buffer 存儲(chǔ)序列化之后的數(shù)據(jù)。然后，我們初始化一個(gè) gob encoder 并對(duì) block 進(jìn)行編碼，結(jié)果作為一個(gè)字節(jié)數(shù)組返回。
接下來，我們需要一個(gè)解序列化的函數(shù)，它會(huì)接受一個(gè)字節(jié)數(shù)組作為輸入，并返回一個(gè) Block. 它不是一個(gè)方法（method），而是一個(gè)單獨(dú)的函數(shù)（function）：
func DeserializeBlock(d []byte) *Block {var block Blockdecoder := gob.NewDecoder(bytes.NewReader(d))err := decoder.Decode(&block)return &block }這就是序列化部分的內(nèi)容了。
持久化
讓我們從 NewBlockchain 函數(shù)開始。在之前的實(shí)現(xiàn)中，NewBlockchain 會(huì)創(chuàng)建一個(gè)新的 Blockchain 實(shí)例，并向其中加入創(chuàng)世塊。而現(xiàn)在，我們希望它做的事情有：
打開一個(gè)數(shù)據(jù)庫文件
檢查文件里面是否已經(jīng)存儲(chǔ)了一個(gè)區(qū)塊鏈
如果已經(jīng)存儲(chǔ)了一個(gè)區(qū)塊鏈：
創(chuàng)建一個(gè)新的 Blockchain 實(shí)例
設(shè)置 Blockchain 實(shí)例的 tip 為數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的最后一個(gè)塊的哈希
如果沒有區(qū)塊鏈：
創(chuàng)建創(chuàng)世塊
存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫
將創(chuàng)世塊哈希保存為最后一個(gè)塊的哈希
創(chuàng)建一個(gè)新的 Blockchain 實(shí)例，初始時(shí) tip 指向創(chuàng)世塊（tip 有尾部，尖端的意思，在這里 tip 存儲(chǔ)的是最后一個(gè)塊的哈希）
代碼大概是這樣：
來一段一段地看下代碼：
db, err := bolt.Open(dbFile, 0600, nil)這是打開一個(gè) BoltDB 文件的標(biāo)準(zhǔn)做法。注意，即使不存在這樣的文件，它也不會(huì)返回錯(cuò)誤。
err = db.Update(func(tx *bolt.Tx) error { ... })在 BoltDB 中，數(shù)據(jù)庫操作通過一個(gè)事務(wù)（transaction）進(jìn)行操作。有兩種類型的事務(wù)：只讀（read-only）和讀寫（read-write）。這里，打開的是一個(gè)讀寫事務(wù)（db.Update(…)），因?yàn)槲覀兛赡軙?huì)向數(shù)據(jù)庫中添加創(chuàng)世塊。
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")) }這里是函數(shù)的核心。在這里，我們先獲取了存儲(chǔ)區(qū)塊的 bucket：如果存在，就從中讀取 l 鍵；如果不存在，就生成創(chuàng)世塊，創(chuàng)建 bucket，并將區(qū)塊保存到里面，然后更新 l 鍵以存儲(chǔ)鏈中最后一個(gè)塊的哈希。
另外，注意創(chuàng)建 Blockchain 一個(gè)新的方式：
bc := Blockchain{tip, db}這次，我們不在里面存儲(chǔ)所有的區(qū)塊了，而是僅存儲(chǔ)區(qū)塊鏈的 tip。另外，我們存儲(chǔ)了一個(gè)數(shù)據(jù)庫連接。因?yàn)槲覀兿胍坏┐蜷_它的話，就讓它一直運(yùn)行，直到程序運(yùn)行結(jié)束。因此，Blockchain 的結(jié)構(gòu)現(xiàn)在看起來是這樣：
type Blockchain struct {tip []bytedb *bolt.DB }接下來我們想要更新的是 AddBlock 方法：現(xiàn)在向鏈中加入?yún)^(qū)塊，就不是像之前向一個(gè)數(shù)組中加入一個(gè)元素那么簡單了。從現(xiàn)在開始，我們會(huì)將區(qū)塊存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫里面：
func (bc *Blockchain) AddBlock(data string) {var lastHash []byteerr := 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.Hashreturn nil}) }繼續(xù)來一段一段分解開來：
err := bc.db.View(func(tx *bolt.Tx) error {b := tx.Bucket([]byte(blocksBucket))lastHash = b.Get([]byte("l"))return nil })這是 BoltDB 事務(wù)的另一個(gè)類型（只讀）。在這里，我們會(huì)從數(shù)據(jù)庫中獲取最后一個(gè)塊的哈希，然后用它來挖出一個(gè)新的塊的哈希：
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檢查區(qū)塊鏈
現(xiàn)在，產(chǎn)生的所有塊都會(huì)被保存到一個(gè)數(shù)據(jù)庫里面，所以我們可以重新打開一個(gè)鏈，然后向里面加入新塊。但是在實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)后，我們失去了之前一個(gè)非常好的特性：再也無法打印區(qū)塊鏈的區(qū)塊了，因?yàn)楝F(xiàn)在不是將區(qū)塊存儲(chǔ)在一個(gè)數(shù)組，而是放到了數(shù)據(jù)庫里面。讓我們來解決這個(gè)問題！
BoltDB 允許對(duì)一個(gè) bucket 里面的所有 key 進(jìn)行迭代，但是所有的 key 都以字節(jié)序進(jìn)行存儲(chǔ)，而且我們想要以區(qū)塊能夠進(jìn)入?yún)^(qū)塊鏈中的順序進(jìn)行打印。此外，因?yàn)槲覀儾幌雽⑺械膲K都加載到內(nèi)存中（因?yàn)槲覀兊膮^(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫可能很大！或者現(xiàn)在可以假裝它可能很大），我們將會(huì)一個(gè)一個(gè)地讀取它們。故而，我們需要一個(gè)區(qū)塊鏈迭代器（BlockchainIterator）：
type BlockchainIterator struct {currentHash []bytedb *bolt.DB }每當(dāng)要對(duì)鏈中的塊進(jìn)行迭代時(shí)，我們就會(huì)創(chuàng)建一個(gè)迭代器，里面存儲(chǔ)了當(dāng)前迭代的塊哈希（currentHash）和數(shù)據(jù)庫的連接（db）。通過 db，迭代器邏輯上被附屬到一個(gè)區(qū)塊鏈上（這里的區(qū)塊鏈指的是存儲(chǔ)了一個(gè)數(shù)據(jù)庫連接的 Blockchain 實(shí)例），并且通過 Blockchain 方法進(jìn)行創(chuàng)建：
func (bc *Blockchain) Iterator() *BlockchainIterator {bci := &BlockchainIterator{bc.tip, bc.db}return bci }注意，迭代器的初始狀態(tài)為鏈中的 tip，因此區(qū)塊將從尾到頭（創(chuàng)世塊為頭），也就是從最新的到最舊的進(jìn)行獲取。實(shí)際上，選擇一個(gè) tip 就是意味著給一條鏈“投票”。一條鏈可能有多個(gè)分支，最長的那條鏈會(huì)被認(rèn)為是主分支。在獲得一個(gè) tip （可以是鏈中的任意一個(gè)塊）之后，我們就可以重新構(gòu)造整條鏈，找到它的長度和需要構(gòu)建它的工作。這同樣也意味著，一個(gè) tip 也就是區(qū)塊鏈的一種標(biāo)識(shí)符。
BlockchainIterator 只會(huì)做一件事情：返回鏈中的下一個(gè)塊。
func (i *BlockchainIterator) Next() *Block {var block *Blockerr := 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.PrevBlockHashreturn block }這就是數(shù)據(jù)庫部分的內(nèi)容了！
CLI
到目前為止，我們的實(shí)現(xiàn)還沒有提供一個(gè)與程序交互的接口：目前只是在 main 函數(shù)中簡單執(zhí)行了 NewBlockchain 和 bc.AddBlock 。是時(shí)候改變了！現(xiàn)在我們想要擁有這些命令：
blockchain_go addblock "Pay 0.031337 for a coffee" blockchain_go printchain所有命令行相關(guān)的操作都會(huì)通過 CLI 結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理：
type CLI struct {bc *Blockchain }它的 “入口” 是 Run 函數(shù)：
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()} }我們會(huì)使用標(biāo)準(zhǔn)庫里面的 flag 包來解析命令行參數(shù)：
addBlockCmd := flag.NewFlagSet("addblock", flag.ExitOnError) printChainCmd := flag.NewFlagSet("printchain", flag.ExitOnError) addBlockData := addBlockCmd.String("data", "", "Block data")首先，我們創(chuàng)建兩個(gè)子命令: addblock 和 printchain, 然后給 addblock 添加 -data 標(biāo)志。printchain 沒有任何標(biāo)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，我們檢查用戶提供的命令，解析相關(guān)的 flag 子命令：
if addBlockCmd.Parsed() {if *addBlockData == "" {addBlockCmd.Usage()os.Exit(1)}cli.addBlock(*addBlockData) }if printChainCmd.Parsed() {cli.printChain() }接著檢查解析是哪一個(gè)子命令，并調(diào)用相關(guān)函數(shù)：
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}} }這部分內(nèi)容跟之前的很像，唯一的區(qū)別是我們現(xiàn)在使用的是 BlockchainIterator 對(duì)區(qū)塊鏈中的區(qū)塊進(jìn)行迭代：
記得不要忘了對(duì) main 函數(shù)作出相應(yīng)的修改：
func main() {bc := NewBlockchain()defer bc.db.Close()cli := CLI{bc}cli.Run() }注意，無論提供什么命令行參數(shù)，都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)新的鏈。
這就是今天的所有內(nèi)容了! 來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" 000000edc4a82659cebf087adee1ea353bd57fcd59927662cd5ff1c4f618109bPrev. 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" 000000d7b0c76e1001cdc1fc866b95a481d23f3027d86901eaeb77ae6d002b13Success!$ blockchain_go addblock -data "Pay 0.31337 BTC for a coffee" Mining the block containing "Pay 0.31337 BTC for a coffee" 000000aa0748da7367dec6b9de5027f4fae0963df89ff39d8f20fd7299307148Success!$ blockchain_go printchain Prev. hash: 000000d7b0c76e1001cdc1fc866b95a481d23f3027d86901eaeb77ae6d002b13 Data: Pay 0.31337 BTC for a coffee Hash: 000000aa0748da7367dec6b9de5027f4fae0963df89ff39d8f20fd7299307148 PoW: truePrev. hash: 000000edc4a82659cebf087adee1ea353bd57fcd59927662cd5ff1c4f618109b Data: Send 1 BTC to Ivan Hash: 000000d7b0c76e1001cdc1fc866b95a481d23f3027d86901eaeb77ae6d002b13 PoW: truePrev. hash: Data: Genesis Block Hash: 000000edc4a82659cebf087adee1ea353bd57fcd59927662cd5ff1c4f618109b PoW: true
我已經(jīng)在百度云盤上傳了本節(jié)和之前的代碼，需要的朋友可以點(diǎn)擊上面的鏈接進(jìn)行下載：(永久有效)
鏈接:https://pan.baidu.com/s/1uXnHD4xkKhlarwmy4FOwlQ 密碼:8fmw
注意：本demo需要自行下載Boltdb數(shù)據(jù)庫。
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的用Go语言建立一个简单的区块链part3：持久化和命令行接口的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
- 上一篇： 用Go语言建立一个简单的区块链part2
- 下一篇： 用Go语言建立一个简单的区块链part4