5.4 以太坊源码详解4

MPT(实现快速查找以节省存储空间) 
背景

• Trie：用于快速检索的多叉树，查找速度快、但是需要耗费大量的存储空间
• Patricia Trie：耗费的空间更小
• Merkle Tree：Merkle树是一种用于快速验证内容完整性的数据结构，其基本原理是分别计算树的叶⼦结点的hash值，然后把叶⼦结点的hash值拼接在⼀起，再计算⼀次hash作为其⽗结点的hash值，依次向上直到根结点，根结点的hash值称为Merkle Root。 可以看出，如果想要获得相同的Merkle Root，所有⼦结点的内容都必须相同，这样就可以⽤来验证树的内容有没有被篡改

概念

• MPT：MPT融合了了上⾯面3种数据结构，但是⼜又有⼀一些细微的差别。
• MPT是⽤用来检索字节数据的，因此是16叉树，分别代表0x0~0xF。

结构 
MPT定义4种结点类型：

1. 空结点（NULL）
2. 分⽀支结点（branch node）：包含16个分⽀支，以及1个value
3. 扩展结点（extension node）：只有1个子结点
4. 叶子结点（leaf node）：没有⼦子结点，包含⼀一个value

HP编码

• MPT树中另外一个重要的概念是一个特殊的十六进制前缀(hex-prefix, 
  HP)编码，用来对key进行编码。因为字母表是16进制的，所以每个节点可能有16个孩子。因为有两种[key,value]节点(叶节点和扩展节点)，引进一种特殊的终止符标识来标识key所对应的是值是真实的值，还是其他节点的hash。如果终止符标记被打开，那么key对应的是叶节点，对应的值是真实的value。如果终止符标记被关闭，那么值就是用于在数据块中查询对应的节点的hash。无论key奇数长度还是偶数长度，HP都可以对其进行编码。最后我们注意到一个单独的hex字符或者4bit二进制数字，即一个nibble。
• HP编码很简单。一个nibble被加到key前（下图中的prefix），对终止符的状态和奇偶性进行编码。最低位表示奇偶性，第二低位编码终止符状态。如果key是偶数长度，那么加上另外一个nibble，值为0来保持整体的偶特性。

源码分析

• 以太坊中的MPT的实现源代码：trie/trie.go以及trie/node.go。trie.go主要实现struct 
  Trie以及MPT树的各种操作：查询，添加，删除。node.go实现了四种节点以及从持久化数据库中解析node。理解了Node的实现，Trie的实现很容易理解。有关MPT中的四种节点，node.go的实现如下：

  type (
      // 分支节点
      fullNode struct {
          Children [17]node // Actual trie node data to encode/decode (needs custom encoder)
          flags    nodeFlag
      }
      // 实现叶子节点和扩展节点
      shortNode struct {
          Key   []byte
          Val   node
          flags nodeFlag
      }
      hashNode  []byte
      valueNode []byte
  )
  // 每个节点的哈希信息
  type nodeFlag struct {
      hash  hashNode // cached hash of the node (may be nil)
      gen   uint16   // cache generation counter
      dirty bool     // whether the node has changes that must be written to the database
  }

  总结
• MPT是以太坊用来存储“状态”的数据结构，综合了Trie，Patrica Trie以及Merkletree的优点
• MPT的key是用HEX编码，在持久化存储时，会转换为HP编码。以太坊的go语言实现中，用fullNode表达分支节点，用shortNode表示叶子节点和扩展节点。

 

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