作者：freewind
比原项目仓库：
Github地址：https://github.com/Bytom/bytom
Gitee地址：https://gitee.com/BytomBlockchain/bytom
当我们以bytom init --chain_id=solonet建立比原单机节点用于本地测试时，很快会发现自己将面临一个尴尬的问题：余额为0。就算我们使用bytom node --mining开启挖矿，理论上由于我们是单机状态，本机算力就是全网算力，应该每次都能够挖到，但是不知道为什么，在我尝试的时候发现总是挖不到，所以打算简单研究一下比原的挖矿流程，看看有没有办法能改点什么，给自己单机多挖点BTM以方便后面的测试。
所以在今天我打算通过源代码分析一下比原的挖矿流程，但是考虑到它肯定会涉及到比原的核心，所以太复杂的地方我就会先跳过，那些地方时机成熟的时候会彻底研究一下。
如果我们快速搜索一下，就能发现在比原代码中有一个类型叫CPUMiner，我们围绕着它应该就可以了。
首先还是从比原启动开始，看看CPUMiner是如何被启动的。
下面是bytom node --mining对应的入口函数：
cmd/bytomd/main.go#L54-L57
func main() {
cmd := cli.PrepareBaseCmd(commands.RootCmd, "TM", os.ExpandEnv(config.DefaultDataDir()))
cmd.Execute()
}
复制代码由于传入了参数node，所以创建Node并启动：
cmd/bytomd/commands/run_node.go#L41-L54
func runNode(cmd *cobra.Command, args []string) error {
// Create & start node
n := node.NewNode(config)
if _, err := n.Start(); err != nil {
// ...
}
复制代码在创建一个Node对象的时候，也会创建CPUMiner对象：
node/node.go#L59-L142
func NewNode(config *cfg.Config) *Node {
// ...
node.cpuMiner = cpuminer.NewCPUMiner(chain, accounts, txPool, newBlockCh)
node.miningPool = miningpool.NewMiningPool(chain, accounts, txPool, newBlockCh)
// ...
return node
}
复制代码这里可以看到创建了两个与挖矿相关的东西，一个是NewCPUMiner，另一个是miningPool。我们先看NewCPUMiner对应的代码：
mining/cpuminer/cpuminer.go#L282-L293
func NewCPUMiner(c *protocol.Chain, accountManager *account.Manager, txPool *protocol.TxPool, newBlockCh chan *bc.Hash) *CPUMiner {
return &CPUMiner{
chain: c,
accountManager: accountManager,
txPool: txPool,
numWorkers: defaultNumWorkers,
updateNumWorkers: make(chan struct{}),
queryHashesPerSec: make(chan float64),
updateHashes: make(chan uint64),
newBlockCh: newBlockCh,
}
}
复制代码从这里的字段可以看到，CPUMiner在工作的时候：
- 可能需要用到外部的三个对象分别是：
chain（代表本机持有的区块链），accountManager（管理帐户），txPool（交易池） numWorkers：应该保持几个worker在挖矿，默认值defaultNumWorkers为常量1，也就是说默认只有一个worker。这对于多核cpu来说有点亏，真要挖矿的话可以把它改大点，跟核心数相同（不过用普通电脑不太可能挖到了）updateNumWorkers：外界如果想改变worker的数量，可以通过向这个通道发消息实现。CPUMiner会监听它，并按要求增减workerqueryHashesPerSec：这个没用上，忽略吧。我发现比原的开发人员很喜欢预先设计，有很多这样没用上的代码updateHashes: 这个没用上，忽略newBlockCh: 一个来自外部的通道，用来告诉外面自己成功挖到了块，并且已经放进了本地区块链，其它地方就可以用它了（比如广播出去）
然而这里出现的并不是CPUMiner全部的字段，仅仅是需要特意初始化的几个。完整的在这里:
mining/cpuminer/cpuminer.go#L29-L45
type CPUMiner struct {
sync.Mutex
chain *protocol.Chain
accountManager *account.Manager
txPool *protocol.TxPool
numWorkers uint64
started bool
discreteMining bool
wg sync.WaitGroup
workerWg sync.WaitGroup
updateNumWorkers chan struct{}
queryHashesPerSec chan float64
updateHashes chan uint64
speedMonitorQuit chan struct{}
quit chan struct{}
newBlockCh chan *bc.Hash
}
复制代码可以看到还多出了几个：
sync.Mutex：为CPUMiner提供了锁，方便在不同的goroutine代码中进行同步started：记录miner是否启动了discreteMining：这个在当前代码中没有赋过值，永远是false，我觉得应该删除。已提issue #961wg和workerWg：都是跟控制goroutine流程相关的speedMonitorQuit：也没什么用，忽略quit：外界可以给这个通道发消息来通知CPUMiner退出
再回到n.Start看看cpuMiner是何时启动的：
node/node.go#L169-L180
func (n *Node) OnStart() error {
if n.miningEnable {
n.cpuMiner.Start()
}
// ...
}
复制代码由于我们传入了参数--mining，所以n.miningEnable是true，于是n.cpuMiner.Start会运行：
mining/cpuminer/cpuminer.go#L188-L205
func (m *CPUMiner) Start() {
m.Lock()
defer m.Unlock()
if m.started || m.discreteMining {
return
}
m.quit = make(chan struct{})
m.speedMonitorQuit = make(chan struct{})
m.wg.Add(1)
go m.miningWorkerController()
m.started = true
log.Infof("CPU miner started")
}
复制代码这段代码没太多需要说的，主要是通过判断m.started保证不会重复启动，然后把真正的工作放在了m.miningWorkerController()中：
mining/cpuminer/cpuminer.go#L126-L125
func (m *CPUMiner) miningWorkerController() {
// 1.
var runningWorkers []chan struct{}
launchWorkers := func(numWorkers uint64) {
for i := uint64(0); i < numWorkers; i++ {
quit := make(chan struct{})
runningWorkers = append(runningWorkers, quit)
m.workerWg.Add(1)
go m.generateBlocks(quit)
}
}
runningWorkers = make([]chan struct{}, 0, m.numWorkers)
launchWorkers(m.numWorkers)
out:
for {
select {
// 2.
case <-m.updateNumWorkers:
numRunning := uint64(len(runningWorkers))
if m.numWorkers == numRunning {
continue
}
if m.numWorkers > numRunning {
launchWorkers(m.numWorkers - numRunning)
continue
}
for i := numRunning - 1; i >= m.numWorkers; i-- {
close(runningWorkers[i])
runningWorkers[i] = nil
runningWorkers = runningWorkers[:i]
}
// 3.
case <-m.quit:
for _, quit := range runningWorkers {
close(quit)
}
break out
}
}
m.workerWg.Wait()
close(m.speedMonitorQuit)
m.wg.Done()
}
复制代码这个方法看起来代码挺多的，但是实际上做的事情还是比较好理清的，主要是做了三件事：
- 第1处代码是按指定的worker数量启动挖矿例程
- 第2处是监听应该保持的worker数量并增减
- 第3处在被知关闭的时候安全关闭
代码比较清楚，应该不需要多讲。
可以看第1处代码中，真正挖矿的工作是放在generateBlocks里的：
mining/cpuminer/cpuminer.go#L84-L119
func (m *CPUMiner) generateBlocks(quit chan struct{}) {
ticker := time.NewTicker(time.Second * hashUpdateSecs)
defer ticker.Stop()
out:
for {
select {
case <-quit:
break out
default:
}
// 1.
block, err := mining.NewBlockTemplate(m.chain, m.txPool, m.accountManager)
// ...
// 2.
if m.solveBlock(block, ticker, quit) {
// 3.
if isOrphan, err := m.chain.ProcessBlock(block); err == nil {
// ...
// 4.
blockHash := block.Hash()
m.newBlockCh <- &blockHash
// ...
}
}
}
m.workerWg.Done()
}
复制代码方法里省略了一些不太重要的代码，我们可以从标注的几处看一下在做什么：
- 第1处通过
mining.NewBlockTemplate根据模板生成了一个block - 第2处是以暴力方式（从
0开始挨个计算）来争夺对该区块的记帐权 - 第3处是通过
chain.ProcessBlock(block)尝试把它加到本机持有的区块链上 - 第4处是向
newBlockCh通道发出消息，通知外界自己挖到了新的块
mining.NewBlockTemplate
我们先看一下第1处中的mining.NewBlockTemplate：
mining/mining.go#L67-L154
func NewBlockTemplate(c *protocol.Chain, txPool *protocol.TxPool, accountManager *account.Manager) (b *types.Block, err error) {
// ...
return b, err
}
复制代码这个方法很长，但是内容都被我忽略了，原因是它的内容过于细节，并且已经触及到了比原的核心，所以现在大概了解一下就可以了。
比原在一个Block区块里，有一些基本信息，比如在其头部有前一块的hash值、挖矿难度值、时间戳等等，主体部有各种交易记录，以及多次层的hash摘要。在这个方法中，主要的逻辑就是去找到这些信息然后把它们包装成一个Block对象，然后交由后面处理。我觉得在我们还没有深刻理解比原的区块链结构和规则的情况下，看这些太细节的东西没有太大用处，所以先忽略，等以后合适的时候再回过头来看就简单了。
m.solveBlock
我们继续向下，当由NewBlockTemplate生成好了一个Block对象后，它会交给solveBlock方法处理：
mining/cpuminer/cpuminer.go#L50-L75
func (m *CPUMiner) solveBlock(block *types.Block, ticker *time.Ticker, quit chan struct{}) bool {
// 1.
header := &block.BlockHeader
seed, err := m.chain.CalcNextSeed(&header.PreviousBlockHash)
// ...
// 2.
for i := uint64(0); i <= maxNonce; i++ {
// 3.
select {
case <-quit:
return false
case <-ticker.C:
if m.chain.BestBlockHeight() >= header.Height {
return false
}
default:
}
// 4.
header.Nonce = i
headerHash := header.Hash()
// 5.
if difficulty.CheckProofOfWork(&headerHash, seed, header.Bits) {
return true
}
}
return false
}
复制代码这个方法就是挖矿中我们最关心的部分了：争夺记帐权。
我把代码分成了4块，依次简单讲解：
- 第1处是从本地区块链中找到新生成的区块指定的父区块，并由它计算出来
seed，它是如何计算出来的我们暂时不关心（比较复杂），此时只要知道它是用来检查工作量的就可以了 - 第2处是使用暴力方式来计算目标值，用于争夺记帐权。为什么说是暴力方式？因为挖矿的算法保证了想解开难题，没有比从0开始一个个计算更快的办法，所以这里从0开始依次尝试，直到
maxNonce结束。maxNonce是一个非常大的数^uint64(0)（即2^64 - 1），基本上是不可能在一个区块时间内遍历完的。 - 第3处是在每次循环中进行计算之前，都看一看是否需要退出。在两种情况下应该退出，一是
quit通道里有新消息，被人提醒退出（可能是时间到了）；另一种是本地的区块链中已经收到了新的块，且高度比较自己高，说明已经有别人抢到了。 - 第4处是把当前循环的数字当作
Nonce，计算出Hash值 - 第5处是调用
difficulty.CheckProofOfWork来检查当前算出来的hash值是否满足了当前难度。如果满足就说明自己拥有了记帐权，这个块是有效的；否则就继续计算
然后我们再看一下第5处的difficulty.CheckProofOfWork:
consensus/difficulty/difficulty.go#L120-L123
func CheckProofOfWork(hash, seed *bc.Hash, bits uint64) bool {
compareHash := tensority.AIHash.Hash(hash, seed)
return HashToBig(compareHash).Cmp(CompactToBig(bits)) <= 0
}
复制代码在这个方法里，可以看到出现了一个tensority.AIHash，这是比原独有的人工智能友好的工作量算法，相关论文的下载地址：github.com/Bytom/bytom…，有兴趣的同学可以去看看。由于这个算法的难度肯定超出了本文的预期，所以就不研究它了。在以后，如果有机会有条件的话，也许我会试着理解一下（不要期待~）
从这个方法里可以看出，它是调用了tensority.AIHash中的相关方法进判断当前计算出来的hash是否满足难度要求。
在本文的开始，我们说过希望能找到一种方法修改比原的代码，让我们在solonet模式下，可以正常挖矿，得到BTM用于测试。看到这个方法的时候，我觉得已经找到了，我们只需要修改一下让它永远返回true即可：
func CheckProofOfWork(hash, seed *bc.Hash, bits uint64) bool {
compareHash := tensority.AIHash.Hash(hash, seed)
return HashToBig(compareHash).Cmp(CompactToBig(bits)) <= 0 || true
}
复制代码这里也许会让人觉得有点奇怪，为什么要在最后的地方加上|| true，而不是在前面直接返回true呢？这是因为，如果直接返回true，可能使得程序中关于时间戳检查的地方出现问题，出现如下的错误：
time="2018-05-17T12:10:14+08:00" level=error msg="Miner fail on ProcessBlock block, timestamp is not in the valid range: invalid block" height=32
复制代码原因还未深究，可能是因为原本的代码是需要消耗一些时间的，正好使得检查通过。如果直接返回true就太快了，反而使检查通过不了。不过我感觉这里是有一点问题的，留待以后再研究。
这样修改完以后，再重新编译并启动比原节点，每个块都能挖到了，差不多一秒一个块（一下子变成大富豪了：）
m.chain.ProcessBlock
我们此时该回到generateBlocks方法中的第3处，即：
mining/cpuminer/cpuminer.go#L84-L119
func (m *CPUMiner) generateBlocks(quit chan struct{}) {
//...
if m.solveBlock(block, ticker, quit) {
// 3.
if isOrphan, err := m.chain.ProcessBlock(block); err == nil {
// ...
// 4.
blockHash := block.Hash()
m.newBlockCh <- &blockHash
// ...
}
}
}
m.workerWg.Done()
}
复制代码m.chain.ProcessBlock把刚才成功拿到记帐权的块向本地区块链上添加：
protocol/block.go#L191-L196
func (c *Chain) ProcessBlock(block *types.Block) (bool, error) {
reply := make(chan processBlockResponse, 1)
c.processBlockCh <- &processBlockMsg{block: block, reply: reply}
response := <-reply
return response.isOrphan, response.err
}
复制代码可以看到这里实际上是把这个工作甩出去了，因为它把要处理的块放进了Chain.processBlockCh这个通道里，同时传过去的还有一个用于对方回复的通道reply。然后监听reply等消息就可以了。
那么谁将会处理c.processBlockCh里的内容呢？当然是由Chain，只不过这里就属于比原核心了，我们留等以后再详细研究，今天就先跳过。
如果处理完没有出错，就进入到了第4块，把这个block的hash放在newBlockCh通道里。这个newBlockCh是由外面传入的，很多地方都会用到。当它里面有新的数据时，就说明本机挖到了新块（并且已经添加到了本机的区块链上），其它的地方就可以使用它进行别的操作（比如广播出去）
那么到这里，我们今天的问题就算解决了，留下了很多坑，以后专门填。