比特幣原始碼分析:VersionBits模組解析

BIP9允許部署多個向後相容的軟分叉，通過曠工在一個目標周期內投票，如果達到啟用閾值nRuleChangeActivationThreshold,就能成功的啟用該升級。在實現方面，通過重定義區塊頭資訊中的version欄位，將version欄位解釋為bit vector，每一個bit可以用來跟蹤一個獨立的部署，在滿足啟用條件之後，該部署將會生效，同時該bit可以被其他部署使用。目前通過BIP9成功進行軟分叉有BIP68, 112, 113, 於2016-07-04 ，高度：419328成功啟用. BIP9部署設定

每一個進行部署的BIP9，都必須設定bit位、開始時間、到期時間。

struct BIP9Deployment {    int bit;    int64_t nStartTime;    int64_t nTimeout;};// namespace:Consensusstruct Params {    ...    uint32_t nRuleChangeActivationThreshold;            uint32_t nMinerConfirmationWindow;    BIP9Deployment vDeployments[MAX_VERSION_BITS_DEPLOYMENTS]; // BIP9    uint256 powLimit;    bool fPowAllowMinDifficultyBlocks;    bool fPowNoRetargeting;    int64_t nPowTargetSpacing;    int64_t nPowTargetTimespan;    ...  };

bit通過1 << bit方式轉換成一個uint32_t的整數，在檢驗一個BIP9部署是否成功啟用的時候使用了Condition(...)函數，來驗證一個區塊是否贊成該部署。

bool Condition(const CBlockIndex *pindex, const Consensus::Params &params) const {    return ((            (pindex->nVersion & VERSIONBITS_TOP_MASK) ==VERSIONBITS_TOP_BITS) &&             (pindex->nVersion & Mask(params)) != 0);}uint32_t Mask(const Consensus::Params &params) const {    return ((uint32_t)1) << params.vDeployments[id].bit;}

邏輯分析 首先驗證該version是有效version設定(001) 驗證塊的版本號碼中是否設定了指定的bit位 Mask()函數通過將1左移BIP9部署中設定的bit，產生一個該區塊代表的version

開始時間和到期時間主要為了在檢查BIP9部署狀態時，提供狀態判斷的依據和臨界值。比如如果區塊的中位元時間超過了到期時間nTimeTimeout，則判斷該BIP9部署已經失敗(後面會詳細拆解)。

if (pindexPrev->GetMedianTimePast() >= nTimeTimeout) {    stateNext = THRESHOLD_FAILED;} else if (pindexPrev->GetMedianTimePast() >= nTimeStart) {    stateNext = THRESHOLD_STARTED;}if (pindexPrev->GetMedianTimePast() >= nTimeTimeout) {    stateNext = THRESHOLD_FAILED;    break;}

部署狀態轉換

BIP9部署中定義了所有軟分叉升級的初始狀態均為THRESHOLD_DEFINED,並定義創始區塊狀態為THRESHOLD_DEFINED, 另外如果在程式中遇到blockIndex為nullptr時，均返回THRESHOLD_DEFINED狀態。

具體轉換過程如下：THRESHOLD_DEFINED為軟分叉的初始狀態，如果過去中位元時間(MTP)大於nStartTIme，則狀態轉換為THRESHOLD_STARTED，如果MTP大於等於nTimeout，則狀態轉換成THRESHOLD_FAILED；如果在一個目標周期(2016個區塊)內贊成升級的區塊數量佔95%以上(大約1915個區塊)，則狀態轉換成THRESHOLD_LOCKED_IN，否則轉換成THRESHOLD_FAILED；在THRESHOLD_LOCKED_IN之後的下一個目標周期，狀態轉換成THRESHOLD_ACTIVE，同時該部署將保持該狀態。

enum ThresholdState {    THRESHOLD_DEFINED,    THRESHOLD_STARTED,    THRESHOLD_LOCKED_IN,    THRESHOLD_ACTIVE,    THRESHOLD_FAILED,};

商務邏輯

基類AbstractThresholdConditionChecker定義了通過共識規則檢查BIP9部署的狀態。有如下方法，其中最後兩個方法在基類中實現，子類繼承了該方法的實現: Condition(...)檢測一個區塊是否贊成一個軟分叉升級：首先驗證該區塊version是否有效version格式, 然後檢測該version是否設定了相應個bit位 BeginTime(...)返回共識規則中的開始投票時間(採用MTP驗證 pindexPrev->GetMedianTimePast() >= nTimeStart) EndTime(...)返回共識規則中的設定的到期時間 Period(...)返回共識規則中的一個目標周期(當前主鏈的目標周期為2016個區塊) Threshold(...)返回nRuleChangeActivationThreshold，表示滿足軟分叉升級的最低要求 GetStateFor(...)在提供共識規則、開始檢索的區塊索引、以及之前緩衝的狀態資料判斷當前部署的狀態(後面會詳細分析其邏輯) GetStateSinceHeightFor(...)函數的作用是尋找從哪個區塊高度開始，該部署的狀態就已經和當前一致

class AbstractThresholdConditionChecker {protected:    virtual bool Condition(const CBlockIndex *pindex, const Consensus::Params &params) const = 0;    virtual int64_t BeginTime(const Consensus::Params &params) const = 0;    virtual int64_t EndTime(const Consensus::Params &params) const = 0;    virtual int Period(const Consensus::Params &params) const = 0;    virtual int Threshold(const Consensus::Params &params) const = 0;    public:    ThresholdState GetStateFor(const CBlockIndex *pindexPrev, const Consensus::Params &params, ThresholdConditionCache &cache) const;    int GetStateSinceHeightFor(const CBlockIndex *pindexPrev, const Consensus::Params &params, ThresholdConditionCache &cache) const;};

類VersionBitsConditionChecker繼承了AbstractThresholdConditionChecker。實現了: BeginTime(const Consensus::Params &params) EndTime(const Consensus::Params &params) Period(const Consensus::Params &params) Threshold(const Consensus::Params &params) Condition(const CBlockIndex *pindex, const Consensus::Params &params)

class VersionBitsConditionChecker : public AbstractThresholdConditionChecker {private:// maybe: DEPLOYMENT_TESTDUMMY,DEPLOYMENT_CSV,MAX_VERSION_BITS_DEPLOYMENTS    const Consensus::DeploymentPos id;protected:    int64_t BeginTime(const Consensus::Params &params) const {        return params.vDeployments[id].nStartTime;    }    int64_t EndTime(const Consensus::Params &params) const {        return params.vDeployments[id].nTimeout;    }    int Period(const Consensus::Params &params) const {        return params.nMinerConfirmationWindow;    }    int Threshold(const Consensus::Params &params) const {        return params.nRuleChangeActivationThreshold;    }    bool Condition(const CBlockIndex *pindex, const Consensus::Params &params) const {        return ((                (pindex->nVersion & VERSIONBITS_TOP_MASK) == VERSIONBITS_TOP_BITS) && (pindex->nVersion & Mask(params)) != 0);    }        ...}

另個一重要的類VersionBitsCache,包括一個方法和一個數組。該數組作為記憶體緩衝使用，該數組的成員是一個map，當檢查一個BIP9部署的狀態時，如果在檢查過程中判斷出部署狀態，該map會以區塊索引為索引值，以狀態資訊(int)為值,緩衝起來，在下次檢查時可以在該區塊位置直接得到其狀態資訊，對程式起到了最佳化的作用，避免重複的檢索。

struct VersionBitsCache {    ThresholdConditionCache caches[Consensus::MAX_VERSION_BITS_DEPLOYMENTS];    void Clear();};typedef std::map<const CBlockIndex *, ThresholdState> ThresholdConditionCache;

另外WarningBitsConditionChecker類也繼承了AbstractThresholdConditionChecker類，實現了對未知升級的追蹤與警告。一旦nVersion中有未預料到的位被設定成1，mask將會產生非零的值。當未知升級被檢測到處THRESHOLD_LOCKED_IN狀態，軟體應該警告使用者即將到來未知的軟分叉。在下一個目標周期，處於THRESHOLD_ACTIVE狀態是，更應該強調警告使用者。

需要說明的是：未知升級只有處於LOCKED_IN或ACTIVE的條件下才會發出警告

...WarningBitsConditionChecker checker(bit);ThresholdState state = checker.GetStateFor(pindex, chainParams.GetConsensus(), warningcache[bit]);if (state == THRESHOLD_ACTIVE || state == THRESHOLD_LOCKED_IN) {    if (state == THRESHOLD_ACTIVE) {        std::string strWarning =            strprintf(_("Warning: unknown new rules activated (versionbit %i)"), bit);        SetMiscWarning(strWarning);        if (!fWarned) {            AlertNotify(strWarning);            fWarned = true;        }    } else {        warningMessages.push_back(            strprintf("unknown new rules are about to activate (versionbit %i)", bit));    }}...

代碼拆解 GetAncestor(int height)函數在整個模組中的使用率非常高，其作用就是為了返回指定高度的區塊索引，作用非常簡單但是其代碼邏輯不太好理解。可以把整個區塊鏈簡單的看成就是一個鏈表結構，為了獲得指定高度的節點資訊，一般通過依次移動指標到指定區塊即可。在該模組中，使用CBlockIndex類中的pskip欄位，配合GetSkipHeight(int height)函數，能夠快速定位到指定高度的區塊，最佳化了執行的效率。

CBlockIndex *CBlockIndex::GetAncestor(int height) {    if (height > nHeight || height < 0) {        return nullptr;    }    CBlockIndex *pindexWalk = this;    int heightWalk = nHeight;    while (heightWalk > height) {        int heightSkip = GetSkipHeight(heightWalk);        int heightSkipPrev = GetSkipHeight(heightWalk - 1);        if (pindexWalk->pskip != nullptr &&            (heightSkip == height || (heightSkip > height && !(heightSkipPrev < heightSkip - 2 && heightSkipPrev >= height)))) {            pindexWalk = pindexWalk->pskip;            heightWalk = heightSkip;        } else {            assert(pindexWalk->pprev);            pindexWalk = pindexWalk->pprev;            heightWalk--;        }    }    return pindexWalk;}static inline int GetSkipHeight(int height) {    if (height < 2) {        return 0;    }        return (height & 1) ? InvertLowestOne(InvertLowestOne(height - 1)) + 1 : InvertLowestOne(height);}

在整個模組中進行時間比較判斷是都使用了GetMedianTimePast(), 其作用就是找出當前區塊前的10個區塊，排序後，返回第5個元素的nTime

enum { nMedianTimeSpan = 11 };int64_t GetMedianTimePast() const {    int64_t pmedian[nMedianTimeSpan];        int64_t *pbegin = &pmedian[nMedianTimeSpan];    int64_t *pend = &pmedian[nMedianTimeSpan];    const CBlockIndex *pindex = this;    for (int i = 0; i < nMedianTimeSpan && pindex; i++, pindex = pindex->pprev) {        *(--pbegin) = pindex->GetBlockTime();    }    std::sort(pbegin, pend);        return pbegin[(pend - pbegin) / 2];} 

邏輯如下: 建立包含11個元素的數組，包括該區塊和之前的10個區塊 pbegin、pend兩個遊標(數組遊標)指向數組末端 遍曆11個區塊，pindex遊標不斷地向前移動 數組遊標向前移動，並將pindex擷取的時間戳記賦值給數組 對數組排序(排序的原因是:區塊時間戳記是不可靠的欄位，其大小與建立區塊順序可能不一致) 11個區塊去中間的元素，也就是數組下標為5的元素，因為是奇數個元素，所以不用進行判斷下標無效的問題 GetStateFor(...)函數在整個模組中至關重要，負責擷取BIP9部署的狀態資訊。首先說明的是在一個目標周期之內，一個BIP9部署的狀態是相同的，也就是說部署狀態只會在難度目標發生改變之後才會更新。GetStateFor(...)函數擷取的是上一個目標周期的最後一個區塊的狀態，如果該狀態可以判斷出部署狀態則得出結果，並將結果儲存在VersionBitsCache結構體中；如果該狀態已經存在於緩衝中則直接返回結果；最後如果該區塊無法得出狀態資訊，則會依次尋找(pindexPrev.nHeight - nPeriod)高度的狀態資訊，直到能夠得出結果。如果直到nullptr也沒有，則返回THRESHOLD_DEFINED。其中比較重要的是，如果一個區塊表明該部署狀態處於THRESHOLD_STARTED，則會進行更為詳細的判斷，以證明其狀態是否以及失敗或者可以進入LOCKED_IN階段。

ThresholdState AbstractThresholdConditionChecker::GetStateFor(...){...if (pindexPrev != nullptr) {        pindexPrev = pindexPrev->GetAncestor(            pindexPrev->nHeight - ((pindexPrev->nHeight + 1) % nPeriod));    }        std::vector<const CBlockIndex *> vToCompute;        while (cache.count(pindexPrev) == 0) {         if (pindexPrev