以太坊源码阅读01

正所谓区块链，怎能不熟悉区块的数据结构呢？区块的结构体被保存在core/types/block.go文件中，下面是我截取出来的：

type Block struct {header       *Headeruncles       []*Headertransactions Transactionswithdrawals  Withdrawals
​// cacheshash atomic.Valuesize atomic.Value
​// These fields are used by package eth to track// inter-peer block relay.ReceivedAt   time.TimeReceivedFrom interface{}
}

我之前主要使用C++语言，可以看出来上面的代码和C++语言还是有一定的差异的，C++结构体中先声明变量的类型，然后给出变量的名称，而上面的代码则是反过来了，先给出了成员变量的名称，然后给出了类型。下面是对各个字段的解释：

字段描述
header指向Header类型的指针，表示该区块的头部信息
uncles指向Header类型的数组，表示该区块的叔父区块
transactions区块所包含的交易列表
withdrawals区块中的提款列表
hash区块的哈希值
size区块的大小
ReceivedAt接收到该区块的时间
ReceivedFrom区块是被谁挖出来的

现在对于区块的内容已经有所了解了，再来看看区块头的数据结构：

type Header struct {ParentHash  common.Hash    `json:"parentHash"       gencodec:"required"`UncleHash   common.Hash    `json:"sha3Uncles"       gencodec:"required"`Coinbase    common.Address `json:"miner"`Root        common.Hash    `json:"stateRoot"        gencodec:"required"`TxHash      common.Hash    `json:"transactionsRoot" gencodec:"required"`ReceiptHash common.Hash    `json:"receiptsRoot"     gencodec:"required"`Bloom       Bloom          `json:"logsBloom"        gencodec:"required"`Difficulty  *big.Int       `json:"difficulty"       gencodec:"required"`Number      *big.Int       `json:"number"           gencodec:"required"`GasLimit    uint64         `json:"gasLimit"         gencodec:"required"`GasUsed     uint64         `json:"gasUsed"          gencodec:"required"`Time        uint64         `json:"timestamp"        gencodec:"required"`Extra       []byte         `json:"extraData"        gencodec:"required"`MixDigest   common.Hash    `json:"mixHash"`Nonce       BlockNonce     `json:"nonce"`
​// BaseFee was added by EIP-1559 and is ignored in legacy headers.BaseFee *big.Int `json:"baseFeePerGas" rlp:"optional"`
​// WithdrawalsHash was added by EIP-4895 and is ignored in legacy headers.WithdrawalsHash *common.Hash `json:"withdrawalsRoot" rlp:"optional"`
​// BlobGasUsed was added by EIP-4844 and is ignored in legacy headers.BlobGasUsed *uint64 `json:"blobGasUsed" rlp:"optional"`
​// ExcessBlobGas was added by EIP-4844 and is ignored in legacy headers.ExcessBlobGas *uint64 `json:"excessBlobGas" rlp:"optional"`
​// ParentBeaconRoot was added by EIP-4788 and is ignored in legacy headers.ParentBeaconRoot *common.Hash `json:"parentBeaconBlockRoot" rlp:"optional"`
}

下面是对于字段的解释：

字段描述
ParentHash父区块的哈希值
UncleHash叔父区块的哈希值
Coinbase挖矿成功的奖励地址
Root状态树的根哈希值
TxHash交易树的根哈希值
ReceiptHash收据树的根哈希值
Bloom布隆过滤器
Difficulty挖矿难度
Number区块的编号
GasLimit汽油的最大量限制
GasUsed汽油的使用量
Time区块的生成时间
Extra附加数据
MixDigest区块的混合哈希值
Nonce挖矿所需要不断尝试的随机数（4字节）
BaseFee基础手续费
WithdrawalsHash提款根的哈希值
BlobGasUsed新的燃气类型的使用量
ExcessBlobGas辅助识别处理异常情况，当恶意节点试图使用超额的新的燃气类型
ParentBeaconRoo跟踪对应的父分片，以太坊2.0引入了分片链的概念，每个分片都是相对独立的链，有一个对应的父分片，目的是提高网络的吞吐量和扩展性。

上面的字段中，最后五个字段是新提出来的，在传统的区块中会忽略对应的字段。接下来是区块体：

type Body struct {Transactions []*TransactionUncles       []*HeaderWithdrawals  []*Withdrawal `rlp:"optional"`
}
字段描述
Transactions保存当前区块的所有交易列表
Uncles保存当前区块的所有叔父区块
Withdrawals保存当前区块的所有提款列表
type headerMarshaling struct {Difficulty    *hexutil.BigNumber        *hexutil.BigGasLimit      hexutil.Uint64GasUsed       hexutil.Uint64Time          hexutil.Uint64Extra         hexutil.BytesBaseFee       *hexutil.BigHash          common.Hash `json:"hash"` // adds call to Hash() in MarshalJSONBlobGasUsed   *hexutil.Uint64ExcessBlobGas *hexutil.Uint64
}

如上面结构体所示，以太坊提供了一个将区块头编码的结构体，将区块头中的部分变量换成了十六进制。在以太坊中，还提供了类型覆盖结构体，用于进行编码和解码时指定特定字段的编码方式，以满足不同的需求或协议规范。这种方式允许开发者根据实际情况定制编码和解码的行为，使得数据的序列哈和反序列化更加灵活和可定制。

以太坊中的区块头包含了诸多重要的信息，例如区块号、难度、气体限制、时间戳等等。在不同的协议中，可能需要不同的方式对这些数据进行编码和解码，以满足不同的需求，因此，使用覆盖结构体可以灵活的指定特定字段的编码方式，使得以太坊在不同的环境中具有更强的适应性和可扩展性。

在文件中，还有行代码：

type BlockNonce [8]byte

在工作量证明中，用户打包交易后生成Merck树，然后将其根哈希值保存到区块头中，对整个区块头取哈希的到一个值，这个值需要满足足够小的条件，由于哈希正向容易反向难的特点，矿工很难反向计算得到Nonce值，因此会一个一个数字去尝试，由于不同的矿工打包的交易可能不一样，因此矿工需要找到的Nonce值也可能不一样。上面这行代码说明了Nonce是一个8字节64位的值。通过查询资料得知，由于全网算力的不断增大，64位的难度难以满足要求，因此将Coinbase字段的前4字节也作为取哈希的内容，这部分的内容可以用户自己设置，通常包含挖矿的奖励地址。

言归正传，先声明变量名，然后声明类型已经很奇怪了，后来发现还有更加怪异的，看下面的函数：

func (n BlockNonce) Uint64() uint64 {return binary.BigEndian.Uint64(n[:])
}

先不用管函数的意义，看看函数的声明是否很奇怪？？？通过查找资料发现：

func (接收者变量 接收者类型) 方法名(参数列表) (返回参数) {函数体
}

通过上网查询资料发现，接收者类型类似于C++中的this指针，而使用this指针时会修改实际的值，如果是传递一般的参数，则会拷贝一份副本，副本的改变不会导致实参的改变。接收者的声明规则如下：

  • 接收者变量：接收者中的参数变量名在命名时，官方建议使用接收者类型名的第一个小写字母，而不是self、this之类的命名。例如，Person类型的接收者变量应该命名为 p，Connector类型的接收者变量应该命名为c等。

  • 接收者类型：接收者类型和参数类似，可以是指针类型和非指针类型。

  • 方法名、参数列表、返回参数：具体格式与函数定义相同。

在Go语言中，nil 是一个预定义的标识符，用于表示指针、切片、映射、通道、函数和接口类型的零值或空值。具体含义取决于它所用于的类型。

  • 对于指针类型，nil 表示一个空指针，即指针未指向任何有效的内存地址。

  • 对于切片、映射、通道、函数和接口类型，nil 表示这些数据结构是空的，即切片、映射、通道为空，函数和接口未指向任何具体的实现或值。

在条件语句中，可以使用 nil 来检查指针、切片、映射、通道、函数和接口是否为零值或空值。

下面是以太坊外部区块的结构体：

type extblock struct {Header      *HeaderTxs         []*TransactionUncles      []*HeaderWithdrawals []*Withdrawal `rlp:"optional"`
}

  • Header: 代表了区块的头部信息，包括区块的元数据，如区块号、时间戳、难度等。

  • Txs: 是一个包含了所有交易的列表，每个交易都是一个 Transaction 结构体的实例。

  • Uncles: 是一个包含了叔块（Uncle Block）的列表，每个叔块也是一个 Header 结构体的实例。

  • Withdrawals: 是一个包含了所有提现的列表，每个提现也是一个 Withdrawal 结构体的实例。

现在对于区块的相关结构体，我们已经有了一定的了解，那么来看看以太坊是如何产生新区块的。

func NewBlock(header *Header, txs []*Transaction, uncles []*Header, receipts []*Receipt, hasher TrieHasher) *Block {        // 创建一个block对象，拷贝一个header对象来初始化block的header字段b := &Block{header: CopyHeader(header)}
​// 设置交易列表，当交易列表不为空时，根据交易列表计算出哈希值并赋值给TxHash字段并设置block的交易列表if len(txs) == 0 {b.header.TxHash = EmptyTxsHash} else {b.header.TxHash = DeriveSha(Transactions(txs), hasher)b.transactions = make(Transactions, len(txs))copy(b.transactions, txs)}// 设置收据树以及布隆过滤器if len(receipts) == 0 {b.header.ReceiptHash = EmptyReceiptsHash} else {b.header.ReceiptHash = DeriveSha(Receipts(receipts), hasher)b.header.Bloom = CreateBloom(receipts)}// 设置叔节点if len(uncles) == 0 {b.header.UncleHash = EmptyUncleHash} else {b.header.UncleHash = CalcUncleHash(uncles)b.uncles = make([]*Header, len(uncles))for i := range uncles {b.uncles[i] = CopyHeader(uncles[i])}}
​return b
}
​
// 下面的函数允许区块指定额外的体现信息
func NewBlockWithWithdrawals(header *Header, txs []*Transaction, uncles []*Header, receipts []*Receipt, withdrawals []*Withdrawal, hasher TrieHasher) *Block {b := NewBlock(header, txs, uncles, receipts, hasher)
​if withdrawals == nil {b.header.WithdrawalsHash = nil} else if len(withdrawals) == 0 {b.header.WithdrawalsHash = &EmptyWithdrawalsHash} else {h := DeriveSha(Withdrawals(withdrawals), hasher)b.header.WithdrawalsHash = &h}
​return b.WithWithdrawals(withdrawals)
}
​
// 实现对区块头的深拷贝
func CopyHeader(h *Header) *Header {cpy := *hif cpy.Difficulty = new(big.Int); h.Difficulty != nil {cpy.Difficulty.Set(h.Difficulty)}if cpy.Number = new(big.Int); h.Number != nil {cpy.Number.Set(h.Number)}if h.BaseFee != nil {cpy.BaseFee = new(big.Int).Set(h.BaseFee)}if len(h.Extra) > 0 {cpy.Extra = make([]byte, len(h.Extra))copy(cpy.Extra, h.Extra)}if h.WithdrawalsHash != nil {cpy.WithdrawalsHash = new(common.Hash)*cpy.WithdrawalsHash = *h.WithdrawalsHash}if h.ExcessBlobGas != nil {cpy.ExcessBlobGas = new(uint64)*cpy.ExcessBlobGas = *h.ExcessBlobGas}if h.BlobGasUsed != nil {cpy.BlobGasUsed = new(uint64)*cpy.BlobGasUsed = *h.BlobGasUsed}if h.ParentBeaconRoot != nil {cpy.ParentBeaconRoot = new(common.Hash)*cpy.ParentBeaconRoot = *h.ParentBeaconRoot}return &cpy
}

下面是一些函数的作用：

函数功能
func EncodeNonce(i uint64) BlockNonce将输入的64位无符号整数转换成字节数组，转换成BlockNorce类型（大端序）
func (n BlockNonce) Uint64() uint64将BlockNonce按照大端序转换成无符号64位整数
func (n BlockNonce) MarshalText() ([]byte, error)将BlockNonce类型的值编码为带有0x前缀的十六进制字符串
func (n *BlockNonce) UnmarshalText(input []byte) error从带有0x前缀的十六进制字符串解码并填充BlockNonce类型的值
func (h *Header) Hash() common.Hash计算区块头的哈希值
func (h *Header) Size() common.StorageSize区块头所有内容所占内存大小
func (h *Header) SanityCheck() error判断区块头部字段是否在合理范围内
func (h *Header) EmptyBody() bool检查头部信息的主体部分是否是空
func (h *Header) EmptyReceipts() bool检查头部的收据是否为空
func (b *Block) DecodeRLP(s *rlp.Stream) error从流中解码区块数据
func (b *Block) EncodeRLP(w io.Writer) error将区块数据序列格式化RLP格式，并写入流中

此外还提供了一个更换区块区块头、更换区块体、更换交易列表等函数。

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