从0到1简易区块链开发手册V0.3-数据持久化与创世区块

Author: brucefeng

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Email: brucefeng@brucefeng.com

编程语言:Golang

1.BoltDB简介

Bolt是一个纯粹Key/Value模型的程序。该项目的目标是为不需要完整数据库服务器（如Postgres或MySQL）的项目提供一个简单，快速，可靠的数据库。

BoltDB只需要将其链接到你的应用程序代码中即可使用BoltDB提供的API来高效的存取数据。而且BoltDB支持完全可序列化的ACID事务，让应用程序可以更简单的处理复杂操作。

其源码地址为:https://github.com/boltdb/bolt

2.BoltDB特性

BoltDB设计源于LMDB，具有以下特点：

• 使用Go语言编写
• 不需要服务器即可运行

• 支持数据结构

• 直接使用API存取数据，没有查询语句；
• 支持完全可序列化的ACID事务，这个特性比LevelDB强；
• 数据保存在内存映射的文件里。没有wal、线程压缩和垃圾回收；
• 通过COW技术，可实现无锁的读写并发，但是无法实现无锁的写写并发，这就注定了读性能超高，但写性能一般，适合与读多写少的场景。

BoltDB是一个Key/Value（键/值）存储，这意味着没有像SQL RDBMS（MySQL，PostgreSQL等）中的表，没有行，没有列。相反，数据作为键值对存储（如在Golang Maps中）。键值对存储在Buckets中，它们旨在对相似的对进行分组（这与RDBMS中的表类似）。因此，为了获得Value(值)，需要知道该Value所在的桶和钥匙。

3.BoltDB简单使用

//通过go get下载并import 
import "github.com/boltdb/bolt" 

3.1 打开或创建数据库

db, err := bolt.Open("my.db", 0600, nil)
if err != nil {
   log.Fatal(err)
}
defer db.Close()

• 执行注意点

如果通过goland程序运行创建的my.db会保存在

GOPATH /src/Project目录下
如果通过go build main.go ; ./main 执行生成的my.db，会保存在当前目录GOPATH /src/Project/package下

3.2 数据库操作

//1. 调用Update方法进行数据的写入
err = db.Update(func(tx *bolt.Tx) error {
//2.通过CreateBucket()方法创建BlockBucket(表)，初次使用创建
   b, err := tx.CreateBucket([]byte("BlockBucket"))
   if err != nil {
      return fmt.Errorf("Create bucket :%s", err)
   }

//3.通过Put()方法往表里面存储一条数据(key,value)，注意类型必须为[]byte
   if b != nil {
      err := b.Put([]byte("l"), []byte("Send $100 TO Bruce"))
      if err != nil {
         log.Panic("数据存储失败..")
      }
   }

   return nil
})

//数据Update失败，退出程序
if err != nil {
   log.Panic(err)
}

//1.打开数据库
db, err := bolt.Open("my.db", 0600, nil)
if err != nil {
   log.Fatal(err)
}
defer db.Close()

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

//2.通过Bucket()方法打开BlockBucket表
   b := tx.Bucket([]byte("BlockBucket"))
//3.通过Put()方法往表里面存储数据
   if b != nil {
      err := b.Put([]byte("l"), []byte("Send $200 TO Fengyingcong"))
      err =  b.Put([]byte("ll"), []byte("Send $100 TO Bruce"))
      if err != nil {
         log.Panic("数据存储失败..")
      }
   }

   return nil
})
//更新失败
if err != nil {
   log.Panic(err)
}

//1.打开数据库
db, err := bolt.Open("my.db", 0600, nil)
if err != nil {
   log.Fatal(err)
}
defer db.Close()

//2.通过View方法获取数据
err = db.View(func(tx *bolt.Tx) error {

//3.打开BlockBucket表，获取表对象

   b := tx.Bucket([]byte("BlockBucket"))

//4.Get()方法通过key读取value
   if b != nil {
      data := b.Get([]byte("l"))
      fmt.Printf("%s\n", data)
      data = b.Get([]byte("ll"))
      fmt.Printf("%s\n", data)
   }

   return nil
})

if err != nil {
   log.Panic(err)
}

4.通过BoltDB存储区块

该代码包含对BoltDB的数据库创建，表创建，区块添加，区块查询操作

//1.创建一个区块对象block
block := BLC.NewBlock("Send $500 to Tom", 1, []byte{0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0})

//2. 打印区块对象相关信息
fmt.Printf("区块的Hash信息为:\t%x\n", block.Hash)
fmt.Printf("区块的数据信息为:\t%v\n", string(block.Data))
fmt.Printf("区块的随机数为:\t%d\n", block.Nonce)

//3. 打开数据库
db, err := bolt.Open("my.db", 0600, nil)
if err != nil {
   log.Fatal(err)
}
defer db.Close()

//4. 更新数据
err = db.Update(func(tx *bolt.Tx) error {

//4.1 打开BlockBucket表对象
   b := tx.Bucket([]byte("blocks"))
//4.2 如果表对象不存在，创建表对象
   if b == nil {
      b, err = tx.CreateBucket([]byte("blocks"))
      if err != nil {
         log.Panic("Block Table Create Failed")
      }
   }

   //4.3 往表里面存储一条数据(key,value)
   err = b.Put([]byte("l"), block.Serialize())
   if err != nil {
      log.Panic("数据存储失败..")
   }
   return nil
})

//更新失败,返回错误
if err != nil {
   log.Panic("数据更新失败")
}

//5. 查看数据
err = db.View(func(tx *bolt.Tx) error {

//5.1打开BlockBucket表对象
   b := tx.Bucket([]byte("blocks"))

   if b != nil {
       //5.2 取出key=“l”对应的value
      blockData := b.Get([]byte("l"))
        //5.3反序列化   
      block := BLC.DeserializeBlock(blockData)
 //6. 打印区块对象相关信息
    fmt.Printf("区块的Hash信息为:\t%x\n", block.Hash)
    fmt.Printf("区块的数据信息为:\t%v\n", string(block.Data))
    fmt.Printf("区块的随机数为:\t%d\n", block.Nonce)
   }

   return nil
})
//数据查看失败
if err != nil {
   log.Panic("数据更新失败")
}

五.创建创世区块

1.概念

北京时间2009年1月4日2时15分5秒，比特币的第一个区块诞生了。随着时间往后推移，不断有新的区块被添加到链上，所有后续区块都可以追溯到第一个区块。第一个区块就被人们称为创世区块。

2. 工作量证明

在比特币世界中，获取区块记账权的过程称之为挖矿，一个矿工成功后，他会把之前打包好的网络上的交易记录到一页账本上，同步给其他人。因为这个矿工能够最先计算出超难数学题的正确答案，说明这个矿工付出了工作量，是一个有权利记账的人，因此其他人也会同意这一页账单。这种依靠工作量来证明记账权，大家来达成共识的机制叫做“工作量证明”，简而言之结果可以证明你付出了多少工作量。Proof Of Work简称“PoW”，关于其原理跟代码实现，我们在后面的代码分析中进行讲解说明。

2.1 定义结构体

type ProofOfWork struct {
    Block  *Block   //要验证的block
    Target *big.Int //目标hash
}

2.2 创建工作量证明对象

const TargetBit = 16 //目标哈希的0个个数,16,20,24,28
func NewProofOfWork(block *Block) *ProofOfWork {
    //1.创建pow对象
    pow := &ProofOfWork{}
    //2.设置属性值
    pow.Block = block
    target := big.NewInt(1)           // 目标hash，初始值为1
    target.Lsh(target, 256-TargetBit) //左移256-16
    pow.Target = target
    return pow

}

我们首先设定一个难度系数值为16，即目标哈希前导0的个数，0的个数越多，挖矿难度越大，此处我们创建一个函数NewProofOfWork用于返回Pow对象。

目标Hash的长度为256bit，通过64个16进制byte进行展示,如下所示为前导0为16/4=4的哈希

0000c01d342fc51cb030f93979343de70ab771855dd8ca28e6f5888737759747

• 通过big.NewInt创建一个BigInt对象target
• 对target进行通过左移(256-TargetBit)位操作

2.3 将int64类型转[]byte

func IntToHex(num int64) []byte {
    buff := new(bytes.Buffer)
    //将二进制数据写入w
    //
    err := binary.Write(buff, binary.BigEndian, num)
    if err != nil {
        log.Panic(err)
    }
    //转为[]byte并返回
    return buff.Bytes()
}

通过func Write(w io.Writer, order ByteOrder, data interface{}) error方法将一个int64的整数转为二进制后，每8bit一个byte，转为[]byte

2.4 拼接区块属性数据

func (pow *ProofOfWork) prepareData(nonce int64) []byte {
    data := bytes.Join([][]byte{
        IntToHex(pow.Block.Height),
        pow.Block.PrevBlockHash,
        IntToHex(pow.Block.TimeStamp),
        pow.Block.HashTransactions(),
        IntToHex(nonce),
        IntToHex(TargetBit),
    }, []byte{})
    return data

}

通过bytes.Join方法将区块相关属性进行拼接成字节数组

2.5 "挖矿"方法

func (pow *ProofOfWork) Run() ([]byte, int64) {

    var nonce int64 = 0
    var hash [32]byte
    for {
        //1.根据nonce获取数据
        data := pow.prepareData(nonce)
        //2.生成hash
        hash = sha256.Sum256(data) //[32]byte
        fmt.Printf("\r%d,%x", nonce, hash)
        //3.验证：和目标hash比较
        /*
        func (x *Int) Cmp(y *Int) (r int)
        Cmp compares x and y and returns:

           -1 if x <  y
            0 if x == y
           +1 if x >  y
        目的：target > hashInt,成功
         */
        hashInt := new(big.Int)
        hashInt.SetBytes(hash[:])

        if pow.Target.Cmp(hashInt) == 1 {
            break
        }

        nonce++
    }
    fmt.Println()
    return hash[:], nonce

}

代码思路

• 设置nonce值：0,1,2.......
• block-->拼接数组，产生hash
• 比较实际hash和pow的目标hash

不断更改nonce的值，计算hash，直到小于目标hash。

2.6 验证区块

func (pow *ProofOfWork) IsValid() bool {
   hashInt := new(big.Int)
   hashInt.SetBytes(pow.Block.Hash)
   return pow.Target.Cmp(hashInt) == 1
}

判断方式同挖矿中的策略

3.区块创建

3.1 定义结构体

type Block struct {
    //字段属性
    //1.高度：区块在区块链中的编号，第一个区块也叫创世区块，一般设定为0
    Height int64
    //2.上一个区块的Hash值
    PrevBlockHash []byte
    //3.数据：Txs，交易数据
    Txs []*Transaction
    //4.时间戳
    TimeStamp int64
    //5.自己的hash
    Hash []byte
    //6.Nonce
    Nonce int64
}

关于属性的定义，在代码的注释中比较清晰了，需要提一下的就是创世区块的PrevBlockHash一般设定为0 ，高度也一般设定为0

3.2 创建创世区块

func CreateGenesisBlock(txs []*Transaction) *Block{

    return NewBlock(txs,make([]byte,32,32),0)
}

设定创世区块的PrevBlockHash为0，区块高度为0

3.3 序列化区块对象

func (block *Block) Serialize()[]byte{
    //1.创建一个buff
    var buf bytes.Buffer

    //2.创建一个编码器
    encoder:=gob.NewEncoder(&buf)

    //3.编码
    err:=encoder.Encode(block)
    if err != nil{
        log.Panic(err)
    }

    return buf.Bytes()
}

通过gob库的Encode方法将Block对象序列化成字节数组，用于持久化存储

3.4 字节数组反序列化

func DeserializeBlock(blockBytes [] byte) *Block{
    var block Block
    //1.先创建一个reader
    reader:=bytes.NewReader(blockBytes)
    //2.创建×××
    decoder:=gob.NewDecoder(reader)
    //3.解码
    err:=decoder.Decode(&block)
    if err != nil{
        log.Panic(err)
    }
    return &block
}

定义一个函数，用于将[]byte反序列化为block对象

4.区块链创建

4.1 定义结构体

type BlockChain struct {
    DB  *bolt.DB //对应的数据库对象
    Tip [] byte  //存储区块中最后一个块的hash值
}

定义区块链结构体属性DB用于存储对应的数据库对象，Tip用于存储区块中最后一个块的Hash值

4.2 判断数据库是否存在

const DBName  = "blockchain.db" //数据库的名字
const BlockBucketName = "blocks" //定义bucket

定义数据库名字以及定义用于存储区块数据的bucket(表)名

func dbExists() bool {
    if _, err := os.Stat(DBName); os.IsNotExist(err) {  
        return false //表示文件不存在
    }
    return true //表示文件存在
}

需要注意IsNotExist返回true,则表示不存在成立，返回值为true，则dbExists函数的返回值则需要返回false，否则，返回true

4.3 创建带有创世区块的区块链

func CreateBlockChainWithGenesisBlock(address string) {

    /*
    1.判断数据库如果存在，直接结束方法
    2.数据库不存在，创建创世区块，并存入到数据库中
     */
    if dbExists() {
        fmt.Println("数据库已经存在，无法创建创世区块")
        return
    }

    //数据库不存在
    fmt.Println("数据库不存在")
    fmt.Println("正在创建创世区块")
    /*
    1.创建创世区块
    2.存入到数据库中
     */
    //创建一个txs--->CoinBase
    txCoinBase := NewCoinBaseTransaction(address)

    genesisBlock := CreateGenesisBlock([]*Transaction{txCoinBase})
    db, err := bolt.Open(DBName, 0600, nil)
    if err != nil {
        log.Panic(err)
    }
    defer db.Close()

    err = db.Update(func(tx *bolt.Tx) error {
        //创世区块序列化后，存入到数据库中
        b, err := tx.CreateBucketIfNotExists([]byte(BlockBucketName))
        if err != nil {
            log.Panic(err)
        }

        if b != nil {
            err = b.Put(genesisBlock.Hash, genesisBlock.Serialize())
            if err != nil {
                log.Panic(err)
            }
            b.Put([]byte("l"), genesisBlock.Hash)
        }
        return nil
    })
    if err != nil {
        log.Panic(err)
    }
    //return &BlockChain{db, genesisBlock.Hash}
}

代码分析

(1) 判断数据库是否存在，如果不存在，证明还没有创建创世区块，如果存在，则提示创世区块已存在，直接返回

    if dbExists() {
        fmt.Println("数据库已经存在，无法创建创世区块")
        return
    }

(2) 如果数据库不存在，则提示开始调用相关函数跟方法创建创世区块

    fmt.Println("数据库不存在")
    fmt.Println("正在创建创世区块")

(3) 创建一个交易数组Txs

关于交易这一部分内容，将在后面一个章节中进行详细说明，篇幅会非常长，这也是整个课程体系中最为繁琐，知识点最广的地方，届时慢慢分析

txCoinBase := NewCoinBaseTransaction(address)

通过函数NewCoinBaseTransaction创建一个CoinBase交易

func NewCoinBaseTransaction(address string) *Transaction {
   txInput := &TxInput{[]byte{}, -1, nil, nil}
   txOutput := NewTxOutput(10, address)
   txCoinBaseTransaction := &Transaction{[]byte{}, []*TxInput{txInput}, []*TxOutput{txOutput}}
   //设置交易ID
   txCoinBaseTransaction.SetID()
   return txCoinBaseTransaction
}

(4) 生成创世区块

genesisBlock := CreateGenesisBlock([]*Transaction{txCoinBase})

(5) 打开/创建数据库

    db, err := bolt.Open(DBName, 0600, nil)
    if err != nil {
        log.Panic(err)
    }
    defer db.Close()

通过bolt.Open方法打开(如果不存在则创建)数据库文件，注意数据库关闭操作不能少，用defer实现延迟关闭。

(6) 将数据写入数据库

    err = db.Update(func(tx *bolt.Tx) error {
        b, err := tx.CreateBucketIfNotExists([]byte(BlockBucketName))
        if err != nil {
            log.Panic(err)
        }

        if b != nil {
            err = b.Put(genesisBlock.Hash, genesisBlock.Serialize())
            if err != nil {
                log.Panic(err)
            }
            b.Put([]byte("l"), genesisBlock.Hash)
        }
        return nil
    })
    if err != nil {
        log.Panic(err)
    }

通过db.Upadate方法进行数据更新操作

• 创建/打开存储区块的Bucket：BlockBucketName
• 将创世区块序列化后存入Bucket中
  • 通过Put方法更新K/V值(Key:区块哈希，Value:区块序列化后的字节数组)
  • 通过Put方法更新Key为“l”的Value为最新区块哈希值，此处即genesisBlock.Hash

5.命令行调用

func (cli *CLI) CreateBlockChain(address string) {
    CreateBlockChainWithGenesisBlock(address)
}

测试命令

$ ./mybtc  createblockchain -address 1DHPNHKfk9uUdog2f2xBvx9dq4NxpF5Q4Q

返回结果

数据库不存在
正在创建创世区块
32325,00005c7b4246aa88bd1f9664c665d6424d1522f569d981691ac2b5b5d15dd8d9

本章节介绍了如何创建一个带有创世区块的区块链，并持久化存储至数据库blockchain.db

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