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死磕以太坊源码分析之state

2009 年 2 月 26 日

死磕以太坊源码分析之state

配合以下代码进行阅读： https://github.com/blockchainGuide/

希望读者在阅读过程中发现问题可以及时评论哦，大家一起进步。

源码目录

｜-database.go 底层的存储设计
｜-dump.go  用来dumpstateDB数据
｜-iterator.go，用来遍历Trie
｜-journal.go，用来记录状态的改变
｜-state_object.go 通过state object操作账户值，并将修改后的storage trie写入数据库
｜-statedb.go，以太坊整个的状态
｜-sync.go，用来和downloader结合起来同步state

基础概念

状态机

以太坊的本质就是一个 基于交易的状态机(transaction-based state machine) 。在计算机科学中，一个 状态机 是指可以读取一系列的输入，然后根据这些输入，会转换成一个新的状态出来的东西。

我们从 创世纪状态(genesis state) 开始，在网络中还没有任何交易的时候产生状态。当第一个区块执行第一个交易时候开始产生状态，直到执行完N个交易，第一个区块的最终状态产生，第二个区块的第一笔交易执行后将会改变第一个区块链的最终状态，以此类推，从而产生最终的区块状态。

以太坊状态数据库

区块的状态数据并非保存在链上，而是将这些状态维护在默克尔压缩前缀树中，在区块链上仅记录对应的 Trie Root 值。使用 LevelDB 维护树的持久化内容，而这个用来维护映射的数据库叫做 StateDB 。

首先我们用一张图来大致了解一下 StateDB ：

可以看到图中一共有两种状态，一个是世界状态 Trie ,一个是 storage Trie ,两者都是MPT树，世界状态包含了一个个的账户状态，账户状态通过以账户地址为键，维护在表示世界状态的树中，而每个账户状态中存储这账户存储树的 Root 。账户状态存储一下信息：

  1. nonce : 表示此账户发出的交易数量
  2. balance : 账户余额
  3. storageRoot : 账户存储树的Root根，用来存储合约信息
  4. codeHash : 账户的 EVM 代码哈希值，当这个地址接收到一个消息调用时，这些代码会被执行; 它和其它字段不同，创建后不可更改。如果 codeHash 为空，则说明该账户是一个简单的外部账户，只存在 nonce 和 balance 。

接下来将会分析State相关的一些类，着重关注 statedb.go、state_object.go、database.go ,其中涉及的Trie相关的代码可以参照： 死磕以太坊源码分析之MPT树-下

关键的数据结构

Account

Account存储的是账户状态信息。

type Account struct {
    Nonce    uint64      //账户发出的交易数量
    Balance  *big.Int    // 账户的余额
    Root     common.Hash //账户存储树的Root根，用来存储合约信息
    CodeHash []byte      // 账户的 EVM 代码哈希值
}

StateObject

表示一个状态对象，可以从中获取到账户状态信息。

type stateObject struct {
    address  common.Address
    addrHash common.Hash // 账户地址哈希
    data     Account
    db       *StateDB // 所属的StateDB
    dbErr error //VM不处理db层的错误，先记录下来，最后返回，只能保存1个错误，保存的第一个错误
    
  // Write caches.
    trie Trie // storage trie, 使用trie组织stateObj的数据
    code Code // 合约字节码，在加载代码时设置

    //将原始条目的存储高速缓存存储到dedup重写中，为每个事务重置
    originStorage Storage 

    //在整个块的末尾需要刷新到磁盘的存储条目
    pendingStorage Storage 

    //在当前事务执行中已修改的存储条目
    dirtyStorage Storage

StateDB

用来存储状态对象。

type StateDB struct {
  db   Database
    trie Trie // 当前所有账户组成的MPT树

    // 这几个相关账户状态修改
    stateObjects        map[common.Address]*stateObject // 存储缓存的账户状态信息
    stateObjectsPending map[common.Address]struct{}     // 状态对象已经完成但是还没有写入到Trie中
    stateObjectsDirty   map[common.Address]struct{}     // 在当前执行中修改的状态对象 ，用于后续commit 
}

三者之间的关系：

StateDB->Trie->Account->stateObject

从StateDB中取出Trie根，根据地址从Trie树中获取账户的rlp编码数据，再进行解码成Account，然后根据Account生成stateObject

StateDB存储状态

StateDB读写状态主要关心以下几个文件：

  • database.go
  • state_object.go
  • statedb.go

接下来分别介绍这么几个文件，相当关键。

database.go

根据世界状态root打开世界状态树

从 StateDB 中打开一个 Trie 大致经历以下过程： 

OpenTrie(root common.Hash)->NewSecure->New

根据账户地址和 stoage root打开状态存储树

创建一个账户的存储Trie过程如下：

OpenStorageTrie(addrHash, root common.Hash)->NewSecure-New

Account和StateObject

以太坊的账户分为普通账户和合约账户,以 Account 表示， Account 是账户的数据，不包含账户地址，账户需要使用地址来表示，地址在 stateObject 中。 

type Account struct {
    Nonce    uint64
    Balance  *big.Int
    Root     common.Hash // 存储树的merkle树根 账户状态
    CodeHash []byte //合约账户专属，合约代码编译后的Hash值
}
type stateObject struct {
  address  common.Address // 账户地址
    addrHash common.Hash // 账户地址哈希
    data     Account
    db       *StateDB // 所属的StateDB
  dbErr error //VM不处理db层的错误，先记录下来，最后返回，只能保存1个错误，保存存的第一个错误
    trie Trie // storage trie, 使用trie组织stateObj的数据
    code Code // 合约字节码，在加载代码时设置
    originStorage Storage //将原始条目的存储高速缓存存储到dedup重写中，为每个事务重置
    pendingStorage Storage //在整个块的末尾需要刷新到磁盘的存储条目
    dirtyStorage Storage //在当前事务执行中已修改的存储条目
}

创建StateObject

创建状态对象会在两个地方进行调用：

  1. 检索或者创建状态对象
  2. 创建账户

最终都会去调用 createObject 创建一个新的状态对象。如果有一个现有的帐户给定的地址，老的将被覆盖并作为第二个返回值返回 

func (s *StateDB) createObject(addr common.Address) (newobj, prev *stateObject) {
    prev = s.getDeletedStateObject(addr)// 如果存在老的，获取用来以后删除掉

    newobj = newObject(s, addr, Account{})
    newobj.setNonce(0) 
    if prev == nil {
        s.journal.append(createObjectChange{account: &addr})
    } else {
        s.journal.append(resetObjectChange{prev: prev})
    }
    s.setStateObject(newobj)
    return newobj, prev
}

state_object.go

state_object.go 是很重要的文件，我们直接通过比较重要的函数来了解它。

增加账户余额

AddBalance->SetBalance

将对象的存储树保存到db

主要就做了两件事：

  1. updateTrie将缓存的存储修改写入对象的存储Trie。
  2. 将所有节点写入到trie的内存数据库中 
func (s *stateObject) CommitTrie(db Database) error {
    s.updateTrie(db)
    ...
    root, err := s.trie.Commit(nil)
    ...
}

第一件事会在下面继续讲，第二件事可以参照我之前关于 死磕以太坊源码分析之MPT树-下 的讲解。

①：将缓存的存储修改写入对象的存储Trie

主要流程： 最终还是调用了trie.go的insert方法

updateTrie->TryUpdate->insert

  1. s.finalise() 将 dirtyStorage 中的所有数据移动到 pendingStorage 中
  2. 根据账户哈希和账户 root 打开账户存储树
  3. 将 key 与 trie 中的 value 关联，更新数据 
func (s *stateObject) updateTrie(db Database) Trie {
    s.finalise() ①
...
    
    tr := s.getTrie(db) ②
    for key, value := range s.pendingStorage {
        ...
        if (value == common.Hash{}) {
            s.setError(tr.TryDelete(key[:]))
            continue
        }
    ...
        s.setError(tr.TryUpdate(key[:], v)) ③
    }
...
}

整个核心也就是 updateTrie ，调用了 trie 的 insert 方法进行处理。

②：将所有节点写入到trie的内存数据库，其key以sha3哈希形式存储

流程：

trie.Commit->t.trie.Commit->t.hashRoot

func (t *SecureTrie) Commit(onleaf LeafCallback) (root common.Hash, err error) {
    if len(t.getSecKeyCache()) > 0 {
        t.trie.db.lock.Lock()
        for hk, key := range t.secKeyCache {
            t.trie.db.insertPreimage(common.BytesToHash([]byte(hk)), key)
        }
        t.trie.db.lock.Unlock()

        t.secKeyCache = make(map[string][]byte)
    }
    return t.trie.Commit(onleaf)
}

如果 KeyCache 中已经有了，直接插入到磁盘数据库，否则的话插入到 Trie 的内存数据库。

将trie根设置为的当前根哈希

func (s *stateObject) updateRoot(db Database) {
    s.updateTrie(db)
    if metrics.EnabledExpensive {
        defer func(start time.Time) { s.db.StorageHashes += time.Since(start) }(time.Now())
    }
    s.data.Root = s.trie.Hash()
}

方法也比较简单，底层调用 UpdateTrie 然后再更新 root .

State_object.go 的核心方法也就这么些内容。

statedb.go

创建账户

创建账户的核心就是创建状态对象，然后再初始化值。

func (s *StateDB) CreateAccount(addr common.Address) {
    newObj, prev := s.createObject(addr)
    if prev != nil {
        newObj.setBalance(prev.data.Balance)
    }
}
func (s *StateDB) createObject(addr common.Address) (newobj, prev *stateObject) {
    prev = s.getDeletedStateObject(addr) 

    newobj = newObject(s, addr, Account{})
    newobj.setNonce(0) 
    if prev == nil {
        s.journal.append(createObjectChange{account: &addr})
    } else {
        s.journal.append(resetObjectChange{prev: prev})
    }
    s.setStateObject(newobj)
    return newobj, prev
}

删除、更新、获取状态对象

func (s *StateDB) deleteStateObject(obj *stateObject) 
func (s *StateDB) updateStateObject(obj *stateObject) 
func (s *StateDB) getStateObject(obj *stateObject) {

这三个方法底层分别都是调用 Trie.TryDelete、Trie.TryUpdate、Trie.TryGet 方法来分别获取。

这里大致的讲一下 getStateObject ，代码如下： 

func (s *StateDB) getDeletedStateObject(addr common.Address) *stateObject {
    // Prefer live objects if any is available
    if obj := s.stateObjects[addr]; obj != nil {
        return obj
    }
    // Track the amount of time wasted on loading the object from the database
    if metrics.EnabledExpensive {
        defer func(start time.Time) { s.AccountReads += time.Since(start) }(time.Now())
    }
    // Load the object from the database
    enc, err := s.trie.TryGet(addr[:])
    if len(enc) == 0 {
        s.setError(err)
        return nil
    }
    var data Account
    if err := rlp.DecodeBytes(enc, &data); err != nil {
        log.Error("Failed to decode state object", "addr", addr, "err", err)
        return nil
    }
    // Insert into the live set
    obj := newObject(s, addr, data)
    s.setStateObject(obj)
    return obj
}

大致就做了以下几件事：

  1. 先从 StateDB 中获取 stateObjects ,有的话就返回。
  2. 如果没有的话就从 stateDB 的 trie 中获取账户状态数据，获取到 rlp 编码的数据之后，将其解码。
  3. 根据状态数据 Account 构造 stateObject

余额操作

余额的操作大致有添加、减少、和设定。我们就拿添加来分析：

根据地址获取 stateObject ，然后 addBalance . 

func (s *StateDB) AddBalance(addr common.Address, amount *big.Int) {
    stateObject := s.GetOrNewStateObject(addr)
    if stateObject != nil {
        stateObject.AddBalance(amount)
    }
}

储存快照和回退快照

func (s *StateDB) Snapshot() int 
func (s *StateDB) RevertToSnapshot(revid int)

储存快照和回退快照，我们可以在提交交易的流程中找到：

func (w *worker) commitTransaction(tx *types.Transaction, coinbase common.Address) ([]*types.Log, error) {
    snap := w.current.state.Snapshot()

    receipt, err := core.ApplyTransaction(w.chainConfig, w.chain, &coinbase, w.current.gasPool, w.current.state, w.current.header, tx, &w.current.header.GasUsed, *w.chain.GetVMConfig())
    if err != nil {
        w.current.state.RevertToSnapshot(snap)
        return nil, err
    }
    w.current.txs = append(w.current.txs, tx)
    w.current.receipts = append(w.current.receipts, receipt)

    return receipt.Logs, nil
}

首先我们会对当前状态进行快照，然后执行 ApplyTransaction ，如果在预执行交易的阶段出错了，那么会回退到备份的快照位置。之前的修改全部会回退。

计算状态Trie的当前根哈希

计算状态Trie的当前根哈希是由 IntermediateRoot 来完成的。

①：确定所有的脏存储状态（简单理解就是当前执行修改的所有对象）

func (s *StateDB) Finalise(deleteEmptyObjects bool) {
    for addr := range s.journal.dirties {
        obj, exist := s.stateObjects[addr]
        if !exist {
            continue
        }
        if obj.suicided || (deleteEmptyObjects && obj.empty()) {
            obj.deleted = true
        } else {
            obj.finalise()
        }
        s.stateObjectsPending[addr] = struct{}{}
        s.stateObjectsDirty[addr] = struct{}{}
    }
    s.clearJournalAndRefund()
}

其实这个跟 state_object 的 finalise 方法是一个方式，底层就是调用了 obj.finalise 将 dirty 状态的所有数据全部推入到 pending 中去，等待处理。

②：处理stateObjectsPending中的数据

先更新账户的 Root 根，然后再将将给定的对象写入 trie 。 

for addr := range s.stateObjectsPending {
        obj := s.stateObjects[addr]
        if obj.deleted {
            s.deleteStateObject(obj)
        } else {
            obj.updateRoot(s.db)
            s.updateStateObject(obj)
        }
    }

将状态写入底层内存Trie数据库

这部分功能由commit方法完成。

  1. 计算状态Trie的当前根哈希
  2. 将状态对象中的所有更改写入到存储树

第一步在上面已经讲过了，第二步的内容如下：

for addr := range s.stateObjectsDirty {
        if obj := s.stateObjects[addr]; !obj.deleted {
            ....
            if err := obj.CommitTrie(s.db); err != nil {
                return common.Hash{}, err
            }
        }
    }

核心就是 objectCommitTrie ,这也是上面 state_object 的内容。

总结流程如下：

1.IntermediateRoot
2.CommitTrie->updateTrie->trie.Commit->trie.db.insertPreimage(已经有了直接持久化到硬盘数据库)
​ ->t.trie.Commit（没有就提交到存储树中）

最后看一下以太坊数据库的读写过程：

如果觉得文章还可以，关注下https://github.com/blockchainGuide此项目哦，欢迎有想法的人一起维护。

参考

https://mindcarver.cn

https://github.com/blockchainGuide

https://www.jianshu.com/p/20d7f7c37b03

https://hackernoon.com/getting-deep-into-ethereum-how-data-is-stored-in-ethereum-e3f669d96033

https://web.xidian.edu.cn/qqpei/files/Blockchain/4_Data.pdf

http://www.ltk100.com/article-112-1.html

https://learnblockchain.cn/books/geth/part3/statedb.html 

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