基於Java語言構建區塊鏈（三）—— 持久化 & 命令列

阿新 • • 發佈：2018-11-05

這裡寫圖片描述

文章的主要思想和內容均來自：https://jeiwan.cc/posts/building-blockchain-in-go-part-3/

原文連結：https://wangwei.one/posts/35c768a3.html

引言

上一篇文章我們實現了區塊鏈的工作量證明機制（Pow），儘可能地實現了挖礦。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資料的儲存機制，將每次生成的區塊鏈資料儲存下來。有一點需要注意，區塊鏈本質上是一款分散式的資料庫，我們這裡不實現”分散式”，只聚焦於資料儲存部分。

資料庫選擇

到目前為止，我們的實現機制中還沒有區塊儲存這一環節，導致我們的區塊每次生成之後都儲存在了記憶體中。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，我們需要將其儲存在磁碟上。

我們該選擇哪一款資料庫呢？事實上，在《比特幣白皮書》中並沒有明確指定使用哪一種的資料庫，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語言支援比較好。

但是我們這裡使用的是Java來實現，BoltDB不支援Java，這裡我們選用 Rocksdb

RocksDB是由Facebook資料庫工程團隊開發和維護的一款key-value儲存引擎，比LevelDB效能更加強大，有關Rocksdb的詳細介紹，請移步至官方文件：

https://github.com/facebook/rocksdb ，這裡不多做介紹。

資料結構

在我們開始實現資料持久化之前，我們先要確定我們該如何去儲存我們的資料。為此，我們先來看看比特幣是怎麼做的。

簡單來講，比特幣使用了兩個”buckets(桶)”來儲存資料：

blocks. 描述鏈上所有區塊的元資料.
chainstate. 儲存區塊鏈的狀態，指的是當前所有的UTXO（未花費交易輸出）以及一些元資料.

“在比特幣的世界裡既沒有賬戶，也沒有餘額，只有分散到區塊鏈裡的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，每個區塊資料都是以單獨的檔案形式儲存在磁碟上。這樣做是出於效能的考慮：當讀取某一個單獨的區塊資料時，不需要載入所有的區塊資料到記憶體中來。

在 blocks 這個桶中，儲存的鍵值對：

‘b’ + 32-byte block hash -> block index record

區塊的索引記錄
‘f’ + 4-byte file number -> file information record

檔案資訊記錄
‘l’ -> 4-byte file number: the last block file number used

最新的一個區塊所使用的檔案編碼
‘R’ -> 1-byte boolean: whether we’re in the process of reindexing

是否處於重建索引的程序當中
‘F’ + 1-byte flag name length + flag name string -> 1 byte boolean: various flags that can be on or off

各種可以開啟或關閉的flag標誌
‘t’ + 32-byte transaction hash -> transaction index record

交易索引記錄

在 chainstate 這個桶中，儲存的鍵值對：

‘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

資料庫所表示的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，我們這裡只使用 block 桶。另外，前面提到過的，這裡我們不會實現各個區塊資料各自儲存在獨立的檔案上，而是統一存放在一個檔案裡面。因此，我們不要儲存和檔案編碼相關的資料，這樣一來，我們所用到的鍵值對就簡化為：

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

區塊資料與區塊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[]的形式進行儲存，這裡我們需要用到序列化與反序列化庫 Kryo，程式碼如下：

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 物件對應的位元組陣列
     * @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 需要序列化的物件
     * @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，我們這裡使用RocksDB，我們先寫一個相關的工具類RocksDBUtils，主要的功能如下：

putLastBlockHash：儲存最新一個區塊的Hash值
getLastBlockHash：查詢最新一個區塊的Hash值
putBlock：儲存區塊
getBlock：查詢區塊

注意：BoltDB 支援 Bucket 的特性，而RocksDB 不支援，我們這裡採用統一字首的方式進行處理。

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 {

    /**
     * 區塊鏈資料檔案
     */
    private static final String DB_FILE = "blockchain.db";
    /**
     * 區塊桶字首
     */
    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();
        }
    }

    /**
     * 儲存最新一個區塊的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 "";
    }

    /**
     * 儲存區塊
     *
     * @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));
    }

}

建立區塊鏈

現在我們來優化 Blockchain.newBlockchain 介面的程式碼邏輯，改為如下邏輯：

程式碼如下：

/**
  * <p> 建立區塊鏈 </p>
  *
  * @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 的資料結構，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資訊儲存下來，並且更新最新區塊鏈Hash值：

/**
 * <p> 新增區塊  </p>
 *
 * @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));
}

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

到此，儲存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，我們所有的區塊都儲存到了資料庫，因此，我們能夠重新開啟已有的區塊鏈並且向其新增新的區塊。但這也導致我們再也無法打印出區塊鏈中所有區塊的資訊，因為，我們沒有將區塊儲存在陣列當中。讓我們來修復這個瑕疵！

我們在Blockchain中建立一個內部類 BlockchainIterator ，作為區塊鏈的迭代器，通過區塊之前的hash連線來依次迭代輸出區塊資訊，程式碼如下：

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

命令列介面

CLI 部分的內容，這裡不做詳細介紹，具體可以去檢視文末的Github原始碼連結。大致步驟如下：

配置

新增pom.xml配置

<project>

    ...

    <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包合併操作 -->
                <goals>
                    <goal>single</goal>
                </goals>
            </execution>
        </executions>
    </plugin>

    ...

</project>

專案工程打包

$ mvn clean && mvn package

執行命令

# 列印幫助資訊
$ java -jar blockchain-java-jar-with-dependencies.jar -h 

# 新增區塊
$ 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"

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

總結

本篇我們實現了區塊鏈的儲存功能，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 & 命令列

引言

資料庫選擇

資料結構

序列化

持久化

RocksDBUtils

建立區塊鏈

檢索區塊鏈

測試

命令列介面

配置

專案工程打包

執行命令

總結

資料

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（三）—— 持久化 & 命令行

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

基於Java語言構建區塊鏈（六）—— 交易（Merkle Tree）

基於Go語言構建區塊鏈：part1

java設計模式--責任鏈（三）

學習區塊鏈（三）--HelloWorld智慧合約

【Docker】基於例項專案的叢集部署（三）Linux基礎命令

用go編寫區塊鏈系列之3--持久化與命令列

（三）ubuntu之命令列彙總

[原始碼和文件分享]基於java語言的FTP伺服器（Ping測試工具軟體）

Java對數組的操作（三）—比較兩個數組中的元素是否同樣的最簡單方法

java加密算法入門（三）-非對稱加密詳解

C語言攻略指南（三）流程控制篇

JAVA基礎——編程練習（三）

12.5-全棧Java筆記:Java網絡編程（三）

java之 ------ 圖形界面（三）

Java並發程序設計（三） Java內存模型和線程安全

Java語言基礎學習筆記（七）

基於Java語言構建區塊鏈（三）—— 持久化 & 命令列

引言

資料庫選擇

資料結構

序列化

持久化

RocksDBUtils

建立區塊鏈

檢索區塊鏈

測試

命令列介面

配置

專案工程打包

執行命令

總結

資料

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