基于Java语言构建区块链（三）—— 持久化 & 命令行-白红宇

最终内容请以原文为准：https://wangwei.one/posts/7890ab7e.html

引言

上一篇文章我们实现了区块链的工作量证明机制（Pow），尽可能地实现了挖矿。但是距离真正的区块链应用还有很多重要的特性没有实现。今天我们来实现区块链数据的存储机制，将每次生成的区块链数据保存下来。有一点需要注意，区块链本质上是一款分布式的数据库，我们这里不实现"分布式"，只聚焦于数据存储部分。

数据库选择

到目前为止，我们的实现机制中还没有区块存储这一环节，导致我们的区块每次生成之后都保存在了内存中。这样不便于我们重新使用区块链，每次都要从头开始生成区块，也不能够跟他人共享我们的区块链，因此，我们需要将其存储在磁盘上。

我们该选择哪一款数据库呢？事实上，在《》中并没有明确指定使用哪一种的数据库，因此这个由开发人员自己决定。开发的中使用的是。原文中使用的是，对Go语言支持比较好。

但是我们这里使用的是Java来实现，BoltDB不支持Java，这里我们选用

RocksDB是由Facebook数据库工程团队开发和维护的一款key-value存储引擎，比LevelDB性能更加强大，有关Rocksdb的详细介绍，请移步至官方文档：https://github.com/facebook/rocksdb ，这里不多做介绍。

数据结构

在我们开始实现数据持久化之前，我们先要确定我们该如何去存储我们的数据。为此，我们先来看看比特币是怎么做的。

简单来讲，比特币使用了两个"buckets(桶)"来存储数据：

blocks. 描述链上所有区块的元数据.

chainstate. 存储区块链的状态，指的是当前所有的UTXO（未花费交易输出）以及一些元数据.

“在比特币的世界里既没有账户，也没有余额，只有分散到区块链里的UTXO。”

详见：

此外，每个区块数据都是以单独的文件形式存储在磁盘上。这样做是出于性能的考虑：当读取某一个单独的区块数据时，不需要加载所有的区块数据到内存中来。

在 blocks 这个桶中，存储的键值对：

'b' + 32-byte block hash -> block index record

区块的索引记录

'f' + 4-byte file number -> file information record

文件信息记录

'l' -> 4-byte file number: the last block file number used

最新的一个区块所使用的文件编码

'R' -> 1-byte boolean: whether we're in the process of reindexing

是否处于重建索引的进程当中

'F' + 1-byte flag name length + flag name string -> 1 byte boolean: various flags that can be on or off

各种可以打开或关闭的flag标志

't' + 32-byte transaction hash -> transaction index record

交易索引记录

在 chainstate 这个桶中，存储的键值对：

'c' + 32-byte transaction hash -> unspent transaction output record for that transaction

某笔交易的UTXO记录

'B' -> 32-byte block hash: the block hash up to which the database represents the unspent transaction outputs

数据库所表示的UTXO的区块Hash（抱歉，这一点我还没弄明白……）

由于我们还没有实现交易相关的特性，因此，我们这里只使用 block 桶。另外，前面提到过的，这里我们不会实现各个区块数据各自存储在独立的文件上，而是统一存放在一个文件里面。因此，我们不要存储和文件编码相关的数据，这样一来，我们所用到的键值对就简化为：

32-byte block-hash -> Block structure (serialized)

区块数据与区块hash的键值对

'l' -> the hash of the last block in a chain

最新一个区块hash的键值对

序列化

RocksDB的Key与Value只能以byte[]的形式进行存储，这里我们需要用到序列化与反序列化库，代码如下：

package one.wangwei.blockchain.util;import com.esotericsoftware.kryo.Kryo;import com.esotericsoftware.kryo.io.Input;import com.esotericsoftware.kryo.io.Output;/** * 序列化工具类 * * @author wangwei * @date 2018/02/07 */public class SerializeUtils {    /**     * 反序列化     *     * @param bytes 对象对应的字节数组     * @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 需要序列化的对象     * @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;    }}复制代码

持久化

上面已经说过，我们这里使用RocksDB，我们先写一个相关的工具类RocksDBUtils，主要的功能如下：

putLastBlockHash：保存最新一个区块的Hash值

getLastBlockHash：查询最新一个区块的Hash值

putBlock：保存区块

getBlock：查询区块

注意：BoltDB 支持 Bucket 的特性，而RocksDB 不支持，我们这里采用统一前缀的方式进行处理。

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 工具类 * * @author wangwei * @date 2018/02/27 */public class RocksDBUtils {    /**     * 区块链数据文件     */    private static final String DB_FILE = "blockchain.db";    /**     * 区块桶前缀     */    private static final String BLOCKS_BUCKET_PREFIX = "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();        }    }    /**     * 保存最新一个区块的Hash值     *     * @param tipBlockHash     */    public void putLastBlockHash(String tipBlockHash) throws Exception {        rocksDB.put(SerializeUtils.serialize(BLOCKS_BUCKET_PREFIX + "l"), SerializeUtils.serialize(tipBlockHash));    }    /**     * 查询最新一个区块的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 "";    }    /**     * 保存区块     *     * @param block     */    public void putBlock(Block block) throws Exception {        byte[] key = SerializeUtils.serialize(BLOCKS_BUCKET_PREFIX + block.getHash());        rocksDB.put(key, SerializeUtils.serialize(block));    }    /**     * 查询区块     *     * @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));    }}复制代码

创建区块链

现在我们来优化 Blockchain.newBlockchain 接口的代码逻辑，改为如下逻辑：

代码如下：

/**  *  创建区块链 
  *  * @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);}复制代码

修改 Blockchain 的数据结构，只记录最新一个区块链的Hash值

public class Blockchain {        @Getter    private String lastBlockHash;    private Blockchain(String lastBlockHash) {        this.lastBlockHash = lastBlockHash;    }}复制代码

每次挖矿完成后，我们也需要将最新的区块信息保存下来，并且更新最新区块链Hash值：

/** *  添加区块  
 * * @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));}/** *  添加区块  
 * * @param block */public void addBlock(Block block) throws Exception {    RocksDBUtils.getInstance().putLastBlockHash(block.getHash());    RocksDBUtils.getInstance().putBlock(block);    this.lastBlockHash = block.getHash();}复制代码

到此，存储部分的功能就实现完毕，我们还缺少一个功能：

检索区块链

现在，我们所有的区块都保存到了数据库，因此，我们能够重新打开已有的区块链并且向其添加新的区块。但这也导致我们再也无法打印出区块链中所有区块的信息，因为，我们没有将区块存储在数组当中。让我们来修复这个瑕疵！

我们在Blockchain中创建一个内部内 BlockchainIterator ，作为区块链的迭代器，通过区块之前的hash连接来依次迭代输出区块信息，代码如下：

public class Blockchain {     ....        /**     * 区块链迭代器     */    public class BlockchainIterator {        private String currentBlockHash;        public BlockchainIterator(String currentBlockHash) {            this.currentBlockHash = currentBlockHash;        }        /**         * 是否有下一个区块         *         * @return         */        public boolean hashNext() throws Exception {            if (StringUtils.isBlank(currentBlockHash)) {                return false;            }            Block lastBlock = RocksDBUtils.getInstance().getBlock(currentBlockHash);            if (lastBlock == null) {                return false;            }            // 创世区块直接放行            if (lastBlock.getPrevBlockHash().length() == 0) {                return true;            }            return RocksDBUtils.getInstance().getBlock(lastBlock.getPrevBlockHash()) != null;        }                /**         * 返回区块         *         * @return         */        public Block next() throws Exception {            Block currentBlock = RocksDBUtils.getInstance().getBlock(currentBlockHash);            if (currentBlock != null) {                this.currentBlockHash = currentBlock.getPrevBlockHash();                return currentBlock;            }            return null;        }    }           ....    }复制代码

测试

/** * 测试 * * @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();        }    }}/*输出*/Block{hash='0000012f87a0510dd0ee7048a6bd52db3002bae7d661126dc28287bd6c23189a', prevBlockHash='0000024b2c23c4fb06c2e2c1349275d415efe17a51db24cd4883da0067300ddf', data='Send 3.5 more BTC to wangwei', timeStamp=1519724875, nonce=369110}, validate = trueBlock{hash='0000024b2c23c4fb06c2e2c1349275d415efe17a51db24cd4883da0067300ddf', prevBlockHash='00000b14fefb51ba2a7428549d469bcf3efae338315e7289d3e6dc4caf589d79', data='Send 2.5 more BTC to wangwei', timeStamp=1519724872, nonce=896348}, validate = trueBlock{hash='00000b14fefb51ba2a7428549d469bcf3efae338315e7289d3e6dc4caf589d79', prevBlockHash='0000099ced1b02f40c750c5468bb8c4fd800ec9f46fea5d8b033e5d054f0f703', data='Send 1.0 BTC to wangwei', timeStamp=1519724869, nonce=673955}, validate = trueBlock{hash='0000099ced1b02f40c750c5468bb8c4fd800ec9f46fea5d8b033e5d054f0f703', prevBlockHash='', data='Genesis Block', timeStamp=1519724866, nonce=840247}, validate = true复制代码

命令行界面

CLI 部分的内容，这里不做详细介绍，具体可以去查看文末的Github源码链接。大致步骤如下：

配置

添加pom.xml配置


    
            ...    	
     		
      
       commons-cli
      		
      
       commons-cli
      		
      
       1.4
      	
             ...    	
     		
      
       org.apache.maven.plugins
      		
      
       maven-assembly-plugin
      		
      
       3.1.0
      		
      			
       				
        					
         
          true
         					
         
          lib/
         					
         
          one.wangwei.blockchain.cli.Main
         				
        			
       			
       				
        
         jar-with-dependencies
        			
       		
      		
      			
       				
        
         make-assembly
        				
        				
        
         package
        				
        				
        					
         
          single
         				
        			
       		
      	
             ...   
    复制代码

项目工程打包

$ mvn clean && mvn package复制代码

执行命令

# 打印帮助信息$ java -jar blockchain-java-jar-with-dependencies.jar -h # 添加区块$ 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"# 打印区块链$ java -jar blockchain-java-jar-with-dependencies.jar -print复制代码

总结

本篇我们实现了区块链的存储功能，接下来我们将实现地址、交易、钱包这一些列的功能。

资料

源代码：https://github.com/wangweiX/blockchain-java/tree/part3-persistence

https://jeiwan.cc/posts/building-blockchain-in-go-part-3/