基於Java語言構建區塊鏈（三）—— 持久化 & 命令行

阿新 • • 發佈：2018-03-28

java 分布式編程語言程序員

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。有一點需要註意，區塊鏈本質上是一款分布式的數據庫，我們這裏不實現"分布式"，只聚焦於數據存儲部分。

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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後都保存在了內存中。這樣不便於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》中並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。

但是我們這裏使用的是Java來實現，BoltDB不支持Java，這裏我們選用 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... ，這裏不多做介紹。

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麽做的。

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.
“在比特幣的世界裏既沒有賬戶，也沒有余額，只有分散到區塊鏈裏的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單獨的文件形式存儲在磁盤上。這樣做是出於性能的考慮：當讀取某一個單獨的區塊數據時，不需要加載所有的區塊數據到內存中來。

在 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
是否處於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標誌
‘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
數據庫所表示的UTXO的區塊Hash（抱歉，這一點我還沒弄明白……）
由於我們還沒有實現交易相關的特性，因此，我們這裏只使用 block 桶。另外，前面提到過的，這裏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裏面。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，這裏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，我們這裏使用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
註意：BoltDB 支持 Bucket 的特性，而RocksDB 不支持，我們這裏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_BUCKETPREFIX = "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;
}

}
每次挖礦完成後，我們也需要將最新的區塊信息保存下來，並且更新最新區塊鏈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並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 ，作為區塊鏈的叠代器，通過區塊之前的hash連接來依次叠代輸出區塊信息，代碼如下：

public class Blockchain {

....

/**
 * 區塊鏈叠代器
 */
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，這裏不做詳細介紹，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

...

<dependency>
    <groupId>commons-cli</groupId>
    <artifactId>commons-cli</artifactId>
    <version>1.4</version>
</dependency>

...

<plugin>
    <groupId>org.apache.maven.plugins</groupId>
    <artifactId>maven-assembly-plugin</artifactId>
    <version>3.1.0</version>
    <configuration>
        <archive>
            <manifest>
                <addClasspath>true</addClasspath>
                <classpathPrefix>lib/</classpathPrefix>
                <mainClass>one.wangwei.blockchain.cli.Main</mainClass>
            </manifest>
        </archive>
        <descriptorRefs>
            <descriptorRef>jar-with-dependencies</descriptorRef>
        </descriptorRefs>
    </configuration>
    <executions>
        <execution>
            <id>make-assembly</id>
            <!-- this is used for inheritance merges -->
            <phase>package</phase>
            <!-- 指定在打包節點執行jar包合並操作 -->
            <goals>
                <goal>single</goal>
            </goals>
        </execution>
    </executions>
</plugin>

...

</project>
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
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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。

基於Java語言構建區塊鏈（三）—— 持久化 & 命令行

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打印幫助信息

添加區塊

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基於Java語言構建區塊鏈（三）—— 持久化 & 命令列

基於Java語言構建區塊鏈（一）—— 基本原型

基於Java語言構建區塊鏈（二）—— 工作量證明

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