Author: brucefeng
Email: [email protected]
編程語言:Golang
1.BoltDB簡介
Bolt是一個純粹Key/Value模型的程序。該項目的目標是爲不需要完整數據庫服務器（如Postgres或MySQL）的項目提供一個簡單，快速，可靠的數據庫。
BoltDB只需要將其鏈接到你的應用程序代碼中即可使用BoltDB提供的API來高效的存取數據。而且BoltDB支持完全可序列化的ACID事務，讓應用程序可以更簡單的處理複雜操作。
其源碼地址爲:https://github.com/boltdb/bolt
2.BoltDB特性
BoltDB設計源於LMDB，具有以下特點：
- 使用Go語言編寫
- 不需要服務器即可運行
-
支持數據結構
- 直接使用API存取數據，沒有查詢語句；
- 支持完全可序列化的ACID事務，這個特性比LevelDB強；
- 數據保存在內存映射的文件裏。沒有wal、線程壓縮和垃圾回收；
- 通過COW技術，可實現無鎖的讀寫併發，但是無法實現無鎖的寫寫併發，這就註定了讀性能超高，但寫性能一般，適合與讀多寫少的場景。
BoltDB是一個Key/Value（鍵/值）存儲，這意味着沒有像SQL RDBMS（MySQL，PostgreSQL等）中的表，沒有行，沒有列。相反，數據作爲鍵值對存儲（如在Golang Maps中）。鍵值對存儲在Buckets中，它們旨在對相似的對進行分組（這與RDBMS中的表類似）。因此，爲了獲得Value(值)，需要知道該Value所在的桶和鑰匙。
3.BoltDB簡單使用
//通過go get下載並import
import "github.com/boltdb/bolt" 3.1 打開或創建數據庫
db, err := bolt.Open("my.db", 0600, nil)
if err != nil {
log.Fatal(err)
}
defer db.Close()- 執行注意點
如果通過goland程序運行創建的my.db會保存在
GOPATH /src/Project目錄下
如果通過go build main.go ; ./main 執行生成的my.db，會保存在當前目錄GOPATH /src/Project/package下3.2 數據庫操作
(1) 創建數據庫表與數據寫入操作
//1. 調用Update方法進行數據的寫入
err = db.Update(func(tx *bolt.Tx) error {
//2.通過CreateBucket()方法創建BlockBucket(表)，初次使用創建
b, err := tx.CreateBucket([]byte("BlockBucket"))
if err != nil {
return fmt.Errorf("Create bucket :%s", err)
}
//3.通過Put()方法往表裏面存儲一條數據(key,value)，注意類型必須爲[]byte
if b != nil {
err := b.Put([]byte("l"), []byte("Send $100 TO Bruce"))
if err != nil {
log.Panic("數據存儲失敗..")
}
}
return nil
})
//數據Update失敗，退出程序
if err != nil {
log.Panic(err)
}(2) 數據寫入
//1.打開數據庫
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.通過Bucket()方法打開BlockBucket表
b := tx.Bucket([]byte("BlockBucket"))
//3.通過Put()方法往表裏面存儲數據
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("數據存儲失敗..")
}
}
return nil
})
//更新失敗
if err != nil {
log.Panic(err)
}(3) 數據讀取
//1.打開數據庫
db, err := bolt.Open("my.db", 0600, nil)
if err != nil {
log.Fatal(err)
}
defer db.Close()
//2.通過View方法獲取數據
err = db.View(func(tx *bolt.Tx) error {
//3.打開BlockBucket表，獲取表對象
b := tx.Bucket([]byte("BlockBucket"))
//4.Get()方法通過key讀取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.通過BoltDB存儲區塊
該代碼包含對BoltDB的數據庫創建，表創建，區塊添加，區塊查詢操作
//1.創建一個區塊對象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. 打印區塊對象相關信息
fmt.Printf("區塊的Hash信息爲:\t%x\n", block.Hash)
fmt.Printf("區塊的數據信息爲:\t%v\n", string(block.Data))
fmt.Printf("區塊的隨機數爲:\t%d\n", block.Nonce)
//3. 打開數據庫
db, err := bolt.Open("my.db", 0600, nil)
if err != nil {
log.Fatal(err)
}
defer db.Close()
//4. 更新數據
err = db.Update(func(tx *bolt.Tx) error {
//4.1 打開BlockBucket表對象
b := tx.Bucket([]byte("blocks"))
//4.2 如果表對象不存在，創建表對象
if b == nil {
b, err = tx.CreateBucket([]byte("blocks"))
if err != nil {
log.Panic("Block Table Create Failed")
}
}
//4.3 往表裏面存儲一條數據(key,value)
err = b.Put([]byte("l"), block.Serialize())
if err != nil {
log.Panic("數據存儲失敗..")
}
return nil
})
//更新失敗,返回錯誤
if err != nil {
log.Panic("數據更新失敗")
}
//5. 查看數據
err = db.View(func(tx *bolt.Tx) error {
//5.1打開BlockBucket表對象
b := tx.Bucket([]byte("blocks"))
if b != nil {
//5.2 取出key=“l”對應的value
blockData := b.Get([]byte("l"))
//5.3反序列化
block := BLC.DeserializeBlock(blockData)
//6. 打印區塊對象相關信息
fmt.Printf("區塊的Hash信息爲:\t%x\n", block.Hash)
fmt.Printf("區塊的數據信息爲:\t%v\n", string(block.Data))
fmt.Printf("區塊的隨機數爲:\t%d\n", block.Nonce)
}
return nil
})
//數據查看失敗
if err != nil {
log.Panic("數據更新失敗")
}五.創建創世區塊
1.概念
北京時間2009年1月4日2時15分5秒，比特幣的第一個區塊誕生了。隨着時間往後推移，不斷有新的區塊被添加到鏈上，所有後續區塊都可以追溯到第一個區塊。第一個區塊就被人們稱爲創世區塊。
2. 工作量證明
在比特幣世界中，獲取區塊記賬權的過程稱之爲挖礦，一個礦工成功後，他會把之前打包好的網絡上的交易記錄到一頁賬本上，同步給其他人。因爲這個礦工能夠最先計算出超難數學題的正確答案，說明這個礦工付出了工作量，是一個有權利記賬的人，因此其他人也會同意這一頁賬單。這種依靠工作量來證明記賬權，大家來達成共識的機制叫做“工作量證明”，簡而言之結果可以證明你付出了多少工作量。Proof Of Work簡稱“PoW”，關於其原理跟代碼實現，我們在後面的代碼分析中進行講解說明。
2.1 定義結構體
type ProofOfWork struct {
Block *Block //要驗證的block
Target *big.Int //目標hash
}2.2 創建工作量證明對象
const TargetBit = 16 //目標哈希的0個個數,16,20,24,28
func NewProofOfWork(block *Block) *ProofOfWork {
//1.創建pow對象
pow := &ProofOfWork{}
//2.設置屬性值
pow.Block = block
target := big.NewInt(1) // 目標hash，初始值爲1
target.Lsh(target, 256-TargetBit) //左移256-16
pow.Target = target
return pow
}我們首先設定一個難度係數值爲16，即目標哈希前導0的個數，0的個數越多，挖礦難度越大，此處我們創建一個函數NewProofOfWork用於返回Pow對象。
目標Hash的長度爲256bit，通過64個16進制byte進行展示,如下所示爲前導0爲16/4=4的哈希
0000c01d342fc51cb030f93979343de70ab771855dd8ca28e6f5888737759747- 通過big.NewInt創建一個BigInt對象target
- 對target進行通過左移(256-TargetBit)位操作
2.3 將int64類型轉[]byte
func IntToHex(num int64) []byte {
buff := new(bytes.Buffer)
//將二進制數據寫入w
//
err := binary.Write(buff, binary.BigEndian, num)
if err != nil {
log.Panic(err)
}
//轉爲[]byte並返回
return buff.Bytes()
}通過
func Write(w io.Writer, order ByteOrder, data interface{}) error方法將一個int64的整數轉爲二進制後，每8bit一個byte，轉爲[]byte
2.4 拼接區塊屬性數據
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
}通過bytes.Join方法將區塊相關屬性進行拼接成字節數組
2.5 "挖礦"方法
func (pow *ProofOfWork) Run() ([]byte, int64) {
var nonce int64 = 0
var hash [32]byte
for {
//1.根據nonce獲取數據
data := pow.prepareData(nonce)
//2.生成hash
hash = sha256.Sum256(data) //[32]byte
fmt.Printf("\r%d,%x", nonce, hash)
//3.驗證：和目標hash比較
/*
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
}
代碼思路
- 設置nonce值：0,1,2.......
- block-->拼接數組，產生hash
- 比較實際hash和pow的目標hash
不斷更改nonce的值，計算hash，直到小於目標hash。
2.6 驗證區塊
func (pow *ProofOfWork) IsValid() bool {
hashInt := new(big.Int)
hashInt.SetBytes(pow.Block.Hash)
return pow.Target.Cmp(hashInt) == 1
}判斷方式同挖礦中的策略
3.區塊創建
3.1 定義結構體
type Block struct {
//字段屬性
//1.高度：區塊在區塊鏈中的編號，第一個區塊也叫創世區塊，一般設定爲0
Height int64
//2.上一個區塊的Hash值
PrevBlockHash []byte
//3.數據：Txs，交易數據
Txs []*Transaction
//4.時間戳
TimeStamp int64
//5.自己的hash
Hash []byte
//6.Nonce
Nonce int64
}關於屬性的定義，在代碼的註釋中比較清晰了，需要提一下的就是創世區塊的PrevBlockHash一般設定爲0 ，高度也一般設定爲0
3.2 創建創世區塊
func CreateGenesisBlock(txs []*Transaction) *Block{
return NewBlock(txs,make([]byte,32,32),0)
}設定創世區塊的PrevBlockHash爲0，區塊高度爲0
3.3 序列化區塊對象
func (block *Block) Serialize()[]byte{
//1.創建一個buff
var buf bytes.Buffer
//2.創建一個編碼器
encoder:=gob.NewEncoder(&buf)
//3.編碼
err:=encoder.Encode(block)
if err != nil{
log.Panic(err)
}
return buf.Bytes()
}通過gob庫的Encode方法將Block對象序列化成字節數組，用於持久化存儲
3.4 字節數組反序列化
func DeserializeBlock(blockBytes [] byte) *Block{
var block Block
//1.先創建一個reader
reader:=bytes.NewReader(blockBytes)
//2.創建×××
decoder:=gob.NewDecoder(reader)
//3.解碼
err:=decoder.Decode(&block)
if err != nil{
log.Panic(err)
}
return &block
}
定義一個函數，用於將[]byte反序列化爲block對象
4.區塊鏈創建
4.1 定義結構體
type BlockChain struct {
DB *bolt.DB //對應的數據庫對象
Tip [] byte //存儲區塊中最後一個塊的hash值
}定義區塊鏈結構體屬性DB用於存儲對應的數據庫對象，Tip用於存儲區塊中最後一個塊的Hash值
4.2 判斷數據庫是否存在
const DBName = "blockchain.db" //數據庫的名字
const BlockBucketName = "blocks" //定義bucket定義數據庫名字以及定義用於存儲區塊數據的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,則表示不存在成立，返回值爲true，則dbExists函數的返回值則需要返回false，否則，返回true
4.3 創建帶有創世區塊的區塊鏈
func CreateBlockChainWithGenesisBlock(address string) {
/*
1.判斷數據庫如果存在，直接結束方法
2.數據庫不存在，創建創世區塊，並存入到數據庫中
*/
if dbExists() {
fmt.Println("數據庫已經存在，無法創建創世區塊")
return
}
//數據庫不存在
fmt.Println("數據庫不存在")
fmt.Println("正在創建創世區塊")
/*
1.創建創世區塊
2.存入到數據庫中
*/
//創建一個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 {
//創世區塊序列化後，存入到數據庫中
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}
}代碼分析
(1) 判斷數據庫是否存在，如果不存在，證明還沒有創建創世區塊，如果存在，則提示創世區塊已存在，直接返回
if dbExists() {
fmt.Println("數據庫已經存在，無法創建創世區塊")
return
}(2) 如果數據庫不存在，則提示開始調用相關函數跟方法創建創世區塊
fmt.Println("數據庫不存在")
fmt.Println("正在創建創世區塊")(3) 創建一個交易數組Txs
關於交易這一部分內容，將在後面一個章節中進行詳細說明，篇幅會非常長，這也是整個課程體系中最爲繁瑣，知識點最廣的地方，屆時慢慢分析
txCoinBase := NewCoinBaseTransaction(address)通過函數NewCoinBaseTransaction創建一個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}}
//設置交易ID
txCoinBaseTransaction.SetID()
return txCoinBaseTransaction
}(4) 生成創世區塊
genesisBlock := CreateGenesisBlock([]*Transaction{txCoinBase})(5) 打開/創建數據庫
db, err := bolt.Open(DBName, 0600, nil)
if err != nil {
log.Panic(err)
}
defer db.Close()通過bolt.Open方法打開(如果不存在則創建)數據庫文件，注意數據庫關閉操作不能少，用defer實現延遲關閉。
(6) 將數據寫入數據庫
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)
}通過db.Upadate方法進行數據更新操作
- 創建/打開存儲區塊的Bucket：BlockBucketName
- 將創世區塊序列化後存入Bucket中
- 通過Put方法更新K/V值(Key:區塊哈希，Value:區塊序列化後的字節數組)
- 通過Put方法更新Key爲“l”的Value爲最新區塊哈希值，此處即genesisBlock.Hash
5.命令行調用
func (cli *CLI) CreateBlockChain(address string) {
CreateBlockChainWithGenesisBlock(address)
}測試命令
$ ./mybtc createblockchain -address 1DHPNHKfk9uUdog2f2xBvx9dq4NxpF5Q4Q返回結果
數據庫不存在
正在創建創世區塊
32325,00005c7b4246aa88bd1f9664c665d6424d1522f569d981691ac2b5b5d15dd8d9本章節介紹瞭如何創建一個帶有創世區塊的區塊鏈，並持久化存儲至數據庫blockchain.db
$ ls
BLC Wallets.dat blockchain.db main.go mybtc