基於Java語言構建區塊鏈（三）—— 持久化 & 命令列

標籤：java   分布式   程式設計語言   程式員   

引言
上一篇 文章我們實現了區塊鏈的工作量證明機制（Pow），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，將每次產生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布式的資料庫，我們這裡不實現"分布式"，只聚焦於資料存放區部分。

給大家推薦一個java內部學習群：725633148，進群找管理免費領取學習資料和視頻。沒有錯就是免費領取！大佬小白都歡迎，大家一起學習共同進步！

資料庫選擇

到目前為止，我們的實現機制中還沒有區Block Storage這一環節，導致我們的區塊每次產生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，每次都要從頭開始產生區塊，也不能夠跟他人共用我們的區塊鏈，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，請移步至官方文檔：https://github.com/facebook/r... ，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中繼資料.
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）以及一些中繼資料.
“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，儲存的索引值對：

‘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，儲存的索引值對：

‘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，我們所用到的索引值對就簡化為：

32-byte block-hash -> Block structure (serialized)
區塊資料與區塊hash的索引值對
‘l‘ -> the hash of the last block in a chain
最新一個區塊hash的索引值對
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還原序列化庫 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 {

  /**

  • 還原序列化
  • @param bytes 對象對應的位元組數組
  • @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，我們這裡採用統一首碼的方式進行處理。
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";
    /**
  • 區塊桶首碼
    */
    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();
    }
    }

  /**

  • 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
現在我們來最佳化 Blockchain.newBlockchain 介面的代碼邏輯，改為如下邏輯：

代碼如下：

/**

• <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 {

@Getterprivate 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> 添加區塊 </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> 添加區塊 </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添加新的區塊。但這也導致我們再也無法列印出區塊鏈中所有區塊的資訊，因為，我們沒有將區Block Storage在數組當中。讓我們來修複這個瑕疵！

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串連來依次迭代輸出區塊資訊，代碼如下：

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;        }        // 創世區塊直接允許存取        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，具體可以去查看文末的Github源碼連結。大致步驟如下：

配置

添加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包合併作業 -->            <goals>                <goal>single</goal>            </goals>        </execution>    </executions></plugin>...

</project>
項目工程打包

$ mvn clean && mvn package
執行命令

列印協助資訊

$ 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"

列印區塊鏈

$ java -jar blockchain-java-jar-with-dependencies.jar -print
給大家推薦一個java內部學習群：725633148，進群找管理免費領取學習資料和視頻。沒有錯就是免費領取！大佬小白都歡迎，大家一起學習共同進步！

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