【以太坊源码分析】从一个典型的交易流程和挖矿流程看以太坊源码

一、 典型交易流程源码

入口在StateProcessor的Process()函数，具体为什么在这里，可以从下一节中的挖矿源码分析中看到。

1. 根据硬分叉改变一些stateDB的状态（由于以太坊历史上有一些硬分叉的过程，所有现在的源码很多位置都有对于硬分叉的判断，本系列源码分析只关注主流程，以后不再赘述有关硬分叉的部分）
2. 循环执行区块中的交易，这一部分是整个交易流程的核心部分，所有对交易的验证、奖励、gas的计算、evm的执行都在这部分，主要分为以下几部分：

• a) state初始设置，如交易hash、块hash等已有信息。

• b) 执行交易，返回receipt和logs。这里返回的receipt是虚拟机执行的每一步的结果，logs是对应的日志，返回这两个并形成merkle根是为了快速验证每一步的结果都是正确的。
  * statedb.Prepare(tx.Hash(), block.Hash(), i)函数做一些准备工作，包括创建evm虚拟环境等；
  * 由ApplyTransaction()函数进行具体的交易执行（包括转账和智能合约的相关动作），交付gas，这里的gas包括支付给矿工的gas和refundGas；
  * 更新merkle根。

  在这个部分中，第一次出现了merkle树的概念，在这里的作用是把每一个小的hash由树的形式最终计算出一个merkle root，任何一个小的hash的改变都将导致merkle root的改变，这样我们在区块链中就可以通过merkle root快速验证区块中的数据是否被篡改。
  Gas在以太坊中的作用相信大家已经都了解了，但是这里还出现了一个refundGas，根据源码来看，这笔是返回给发起交易的账户的，具体为什么要这样做还不清楚，这部分在以太坊黄皮书中有讲述（计算方式），感兴趣的读者可以自己去看一下https://ethereum.stackexchange.com/questions/594/what-are-the-limits-to-gas-refunds。

3. 最后是调用共识中的Finalize函数，这个函数主要是完成一些对区块挖掘者的奖励等最后收尾工作，值得注意的是这个函数中的操作一般不会写入merkle根，这也是为什么每个矿工挖出来的区块都奖励了自己（和其他矿工生成的区块有一笔交易不同），也可以通过其他矿工的验证。

二、挖矿

挖矿的源码包在miner目录下，其中stress_clique.go和stress_ethash.go都是测试共识的代码，其余几个才是主要挖矿的代码。Miner对象核心就是worker对象，Worker对象主要用于准备当前区块环境，比如这个区块包含的交易等。然后调用共识引擎挖矿，以pow为例，主要就是算随机数然后填充到当前区块中，完成挖掘。我们从miner.go开始看起。

1. 这个部分主要是构造一个miner对象，这部分主要是构造worker对象、监听相关事件、启动相关的一些线程，接下来我们具体来看。

• a) 构造worker对象以及导入相关配置（如chainConfig），worker对象主要是准备区块，所以在worker对象中会订阅跟交易相关的事件，这里订阅了三个事件：
  • eth.TxPool().SubscribeNewTxsEvent，这个是TxPool对象发出的，指的是一个新的交易tx被加入了TxPool，这时如果worker没有处于挖掘中，那么就去执行这个tx，并把它收纳进Work.txs数组，为下次挖掘新区块备用。
  • eth.BlockChain().SubscribeChainHeadEvent， ChainHeadEvent是指区块链中已经加入了一个新的区块作为整个链的链头，这时worker的回应是立即开始准备挖掘下一个新区块
  • eth.BlockChain().SubscribeChainSideEvent ChainSideEvent指区块链中加入了一个新区块作为当前链头的旁支，worker会把这个区块收纳进possibleUncles[]数组，作为下一个挖掘新区块可能的Uncle之一
• b) 启动线程work.mainLoop、work.newWorkLoop、worker.resultLoop、worker.taskLoop。
  • i. work.mainLoop
    挖矿主循环，这里面又会监听几个事件，newWorkCh代表一个新的区块需要提交挖矿；chainSideCh代表发现了一个叔区块，我们需要视情况而定加入到当前区块中，重新开始挖矿（一个区块最多包含两个叔区块）；txsCh代表接收到一个新的交易，如果没有开始挖掘，则执行这个交易，加入当前区块中（上一部分中交易执行的入口就是从这里发现的）。
  • ii. work.newWorkLoop
    这里主要是work主线程，负责提交任务。这里主要涉及到三个比较重要的函数，分别是commit()、recalcRecommit()、clearPending()。Commit用于提交任务，发送newWorkReq到上一步中的newWorkCh通；，recalcRecommit是根据反馈计算一个等待时间；clearPending是清除当前在等待的任务。搞清楚这几个函数的作用之后，这里面监听的事件就很容易明白了，概括一下就是要么等待，要么就是清除队列准备提交（相信读者经过上面的学习这里应该很容易看懂，篇幅有限，笔者不再赘述）。
  • iii. worker.resultLoop
    结果处理，用于处理封装好之后的区块。通过resultCh接收到封装好的区块之后，做一个简单的验证（可能由于resubmit导致区块重复），构造好logs和event，发送相关事件。最后将这个块插入到unconfirmed链中。
    注意，这里第一次出现了unconfirmed这个概念，这相当于未确认的块，所有挖出来或者接收的区块都会先插入到这个地方，后续遇到这个我们再详细讲。
    iv. worker.taskLoop
    这是负责连接worker和agent的地方，newWorkLoop中的commit函数会发送taskCh到taskLoop中，由taskLoop调用agent进行seal。也就是说，taskLoop负责把worker的任务推送到具体的engine。

2. 经过上述过程，整个worker对象已经运行起来了，miner的核心就是这个worker，接下来就是启动miner.update()。这个函数首先订阅了downloader的相关的几个事件。收到Downloader的StartEvent时，意味者此时本节点正在从其他节点下载新区块，这时miner会立即停止进行中的挖掘工作，并继续监听；如果收到DoneEvent或FailEvent时，意味本节点的下载任务已结束-无论下载成功或失败-此时都可以开始挖掘新区块，并且此时会退出Downloader事件的监听。也就是说，只要接收到来自其他节点的区块，本节点就会自动停止当前区块的挖掘，转向下一个区块。

三、 总结

这一节我们从典型的交易流程讲起，从而拓展到挖矿的过程。其实以太坊中最核心的就是挖矿和交易的处理，个人认为如果能自己把这个流程梳理清楚了，其他的部分也就不在话下。以太坊其他的部分，比如rpc、event、downloader、p2p等等，其实都是在为这整个过程做服务。其他的模块我们多多少少都能在这一次的源码分析中看见，这一部分也是区块链创新的核心所在。
接下来是我对以太坊的一些感悟：

• Gas是以太坊的灵魂，正是由了这个部分，整个系统才作为一个完善的系统一直在运行。
• 以太坊另一个大的创新就是EVM，这正是区别于比特币的东西，也正是这个把区块链又往前推动了一大步，让区块链处理业务变成了可能，包括后来的fabric、BCOS、EOS等系统都保留了虚拟机这个东西。
• 为了保证分叉的减少，以太坊另一个创新在于引入了叔区块的概念，不能被引入主链的区块有机会作为叔区块存在。这样大大减少了孤块的产生，减少了分叉，提升了整个网络的安全性。值得注意的是叔区块也是有一定奖励的（感兴趣的读者可以自行搜索，不再赘述）。
• 等待区块确认这个概念是用unconfirmed chain实现的，通过这个集合的移动，我们明白了区块确认的原理（笔者以前一直以为未确认只是业界共识，没有在代码中实现）。

以下是我读源码的一些收获：

• 在整个系统中event是一个很重要的存在，我们发现事件的订阅和退订似乎无处不在。整个系统用event串联了起来，我觉得有必要去仔细学习以下以太坊的event的使用。
• Miner过程中大量的使用了协程，我想这也是大型项目使用go语言的原因吧。每个协程都各自为战，然后由通道将不同协程串联起来。这样完成了整个系统的解耦，也使得整个系统有更好的可扩展性（我觉得这一点值得我们好好学习，建议读者去看Go并发编程实战这本书），我觉得mainLoop、newWorkLoop、resultLoop、taskLoop这几个协程的协作是一个很好的例子。
• 跟上一篇博客结论相同，这次miner源码分析中，我们发现了整个过程只是在构建一个miner对象，同时启动了一些协程。源码过程核心就是构造需要的对象（miner），在这个过程中启动工作协程。

四、参考文献

https://github.com/ethereum/go-ethereum 以太坊源码go-ethereum
https://blog.csdn.net/KeenCryp/article/details/86586132 refundGas说明
https://blog.csdn.net/teaspring/article/details/78050274 以太坊源码分析
https://github.com/ZtesoftCS/go-ethereum-code-analysis/blob/master/miner挖矿部分源码分析CPU挖矿.md 以太坊源码分析
https://blog.csdn.net/u012412689/article/details/88534757 本系列上一篇博客

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