翻译的系列文章我已经放到了 GitHub 上：，后续如有更新都会在 GitHub 上，可能就不在这里同步了。如果想直接运行代码，也可以 clone GitHub 上的教程仓库，进入 src 目录执行 make 即可。
引言
在这个系列文章的一开始，我们就提到了，区块链是一个分布式数据库。不过在之前的文章中，我们选择性地跳过了“分布式”这个部分，而是将注意力都放到了“数据库”部分。到目前为止，我们几乎已经实现了一个区块链数据库的所有元素。今天，我们将会分析之前跳过的一些机制。而在下一篇文章中，我们将会开始讨论区块链的分布式特性。
之前的系列文章：
- 基本原型
- 工作量证明
- 持久化和命令行接口
- 交易（1）
- 地址
本文的代码实现变化很大，请点击 查看所有的代码更改。
奖励
在上一篇文章中，我们略过的一个小细节是挖矿奖励。现在，我们已经可以来完善这个细节了。
挖矿奖励，实际上就是一笔 coinbase 交易。当一个挖矿节点开始挖出一个新块时，它会将交易从队列中取出，并在前面附加一笔 coinbase 交易。coinbase 交易只有一个输出，里面包含了矿工的公钥哈希。
实现奖励，非常简单，更新 send 即可：
func (cli *CLI) send(from, to string, amount int) { ... bc := NewBlockchain() UTXOSet := UTXOSet{bc} defer bc.db.Close() tx := NewUTXOTransaction(from, to, amount, &UTXOSet) cbTx := NewCoinbaseTX(from, "") txs := []*Transaction{cbTx, tx} newBlock := bc.MineBlock(txs) fmt.Println("Success!")} 在我们的实现中，创建交易的人同时挖出了新块，所以会得到一笔奖励。
UTXO 集
在 Part 3: 持久化和命令行接口 中，我们研究了 Bitcoin Core 是如何在一个数据库中存储块的，并且了解到区块被存储在 blocks 数据库，交易输出被存储在 chainstate 数据库。会回顾一下 chainstate 的机构：
-
c+ 32 字节的交易哈希 -> 该笔交易的未花费交易输出记录 -
B+ 32 字节的块哈希 -> 未花费交易输出的块哈希
在之前那篇文章中，虽然我们已经实现了交易，但是并没有使用 chainstate 来存储交易的输出。所以，接下来我们继续完成这部分。
chainstate 不存储交易。它所存储的是 UTXO 集，也就是未花费交易输出的集合。除此以外，它还存储了“数据库表示的未花费交易输出的块哈希”，不过我们会暂时略过块哈希这一点，因为我们还没有用到块高度（但是我们会在接下来的文章中继续改进）。
那么，我们为什么需要 UTXO 集呢？
来思考一下我们早先实现的 Blockchain.FindUnspentTransactions 方法：
func (bc *Blockchain) FindUnspentTransactions(pubKeyHash []byte) []Transaction { ... bci := bc.Iterator() for { block := bci.Next() for _, tx := range block.Transactions { ... } if len(block.PrevBlockHash) == 0 { break } } ...} 这个函数找到有未花费输出的交易。由于交易被保存在区块中，所以它会对区块链里面的每一个区块进行迭代，检查里面的每一笔交易。截止 2017 年 9 月 18 日，在比特币中已经有 485，860 个块，整个数据库所需磁盘空间超过 140 Gb。这意味着一个人如果想要验证交易，必须要运行一个全节点。此外，验证交易将会需要在许多块上进行迭代。
整个问题的解决方案是有一个仅有未花费输出的索引，这就是 UTXO 集要做的事情：这是一个从所有区块链交易中构建（对区块进行迭代，但是只须做一次）而来的缓存，然后用它来计算余额和验证新的交易。截止 2017 年 9 月，UTXO 集大概有 2.7 Gb。
好了，让我们来想一下实现 UTXO 集的话需要作出哪些改变。目前，找到交易用到了以下一些方法：
-
Blockchain.FindUnspentTransactions- 找到有未花费输出交易的主要函数。也是在这个函数里面会对所有区块进行迭代。 -
Blockchain.FindSpendableOutputs- 这个函数用于当一个新的交易创建的时候。如果找到有所需数量的输出。使用Blockchain.FindUnspentTransactions. -
Blockchain.FindUTXO- 找到一个公钥哈希的未花费输出，然后用来获取余额。使用Blockchain.FindUnspentTransactions. -
Blockchain.FindTransation- 根据 ID 在区块链中找到一笔交易。它会在所有块上进行迭代直到找到它。
可以看到，所有方法都对数据库中的所有块进行迭代。但是目前我们还没有改进所有方法，因为 UTXO 集没法存储所有交易，只会存储那些有未花费输出的交易。因此，它无法用于 Blockchain.FindTransaction。
所以，我们想要以下方法：
-
Blockchain.FindUTXO- 通过对区块进行迭代找到所有未花费输出。 -
UTXOSet.Reindex- 使用UTXO找到未花费输出，然后在数据库中进行存储。这里就是缓存的地方。 -
UTXOSet.FindSpendableOutputs- 类似Blockchain.FindSpendableOutputs，但是使用 UTXO 集。 -
UTXOSet.FindUTXO- 类似Blockchain.FindUTXO，但是使用 UTXO 集。 -
Blockchain.FindTransaction跟之前一样。
因此，从现在开始，两个最常用的函数将会使用 cache！来开始写代码吧。
type UTXOSet struct { Blockchain *Blockchain} 我们将会使用一个单一数据库，但是我们会将 UTXO 集从存储在不同的 bucket 中。因此，UTXOSet 跟 Blockchain 一起。
func (u UTXOSet) Reindex() { db := u.Blockchain.db bucketName := []byte(utxoBucket) err := db.Update(func(tx *bolt.Tx) error { err := tx.DeleteBucket(bucketName) _, err = tx.CreateBucket(bucketName) }) UTXO := u.Blockchain.FindUTXO() err = db.Update(func(tx *bolt.Tx) error { b := tx.Bucket(bucketName) for txID, outs := range UTXO { key, err := hex.DecodeString(txID) err = b.Put(key, outs.Serialize()) } })} 这个方法初始化了 UTXO 集。首先，如果 bucket 存在就先移除，然后从区块链中获取所有的未花费输出，最终将输出保存到 bucket 中。
Blockchain.FindUTXO 几乎跟 Blockchain.FindUnspentTransactions 一模一样，但是现在它返回了一个 TransactionID -> TransactionOutputs 的 map。
现在，UTXO 集可以用于发送币：
func (u UTXOSet) FindSpendableOutputs(pubkeyHash []byte, amount int) (int, map[string][]int) { unspentOutputs := make(map[string][]int) accumulated := 0 db := u.Blockchain.db err := db.View(func(tx *bolt.Tx) error { b := tx.Bucket([]byte(utxoBucket)) c := b.Cursor() for k, v := c.First(); k != nil; k, v = c.Next() { txID := hex.EncodeToString(k) outs := DeserializeOutputs(v) for outIdx, out := range outs.Outputs { if out.IsLockedWithKey(pubkeyHash) && accumulated < amount { accumulated += out.Value unspentOutputs[txID] = append(unspentOutputs[txID], outIdx) } } } }) return accumulated, unspentOutputs} 或者检查余额：
func (u UTXOSet) FindUTXO(pubKeyHash []byte) []TXOutput { var UTXOs []TXOutput db := u.Blockchain.db err := db.View(func(tx *bolt.Tx) error { b := tx.Bucket([]byte(utxoBucket)) c := b.Cursor() for k, v := c.First(); k != nil; k, v = c.Next() { outs := DeserializeOutputs(v) for _, out := range outs.Outputs { if out.IsLockedWithKey(pubKeyHash) { UTXOs = append(UTXOs, out) } } } return nil }) return UTXOs} 这是 Blockchain 方法的简单修改后的版本。这个 Blockchain 方法已经不再需要了。
有了 UTXO 集，也就意味着我们的数据（交易）现在已经被分开存储：实际交易被存储在区块链中，未花费输出被存储在 UTXO 集中。这样一来，我们就需要一个良好的同步机制，因为我们想要 UTXO 集时刻处于最新状态，并且存储最新交易的输出。但是我们不想每生成一个新块，就重新生成索引，因为这正是我们要极力避免的频繁区块链扫描。因此，我们需要一个机制来更新 UTXO 集：
func (u UTXOSet) Update(block *Block) { db := u.Blockchain.db err := db.Update(func(tx *bolt.Tx) error { b := tx.Bucket([]byte(utxoBucket)) for _, tx := range block.Transactions { if tx.IsCoinbase() == false { for _, vin := range tx.Vin { updatedOuts := TXOutputs{} outsBytes := b.Get(vin.Txid) outs := DeserializeOutputs(outsBytes) for outIdx, out := range outs.Outputs { if outIdx != vin.Vout { updatedOuts.Outputs = append(updatedOuts.Outputs, out) } } if len(updatedOuts.Outputs) == 0 { err := b.Delete(vin.Txid) } else { err := b.Put(vin.Txid, updatedOuts.Serialize()) } } } newOutputs := TXOutputs{} for _, out := range tx.Vout { newOutputs.Outputs = append(newOutputs.Outputs, out) } err := b.Put(tx.ID, newOutputs.Serialize()) } })} 虽然这个方法看起来有点复杂，但是它所要做的事情非常直观。当挖出一个新块时，应该更新 UTXO 集。更新意味着移除已花费输出，并从新挖出来的交易中加入未花费输出。如果一笔交易的输出被移除，并且不再包含任何输出，那么这笔交易也应该被移除。相当简单！
现在让我们在必要的时候使用 UTXO 集：
func (cli *CLI) createBlockchain(address string) { ... bc := CreateBlockchain(address) defer bc.db.Close() UTXOSet := UTXOSet{bc} UTXOSet.Reindex() ...} 当一个新的区块链被创建以后，就会立刻进行重建索引。目前，这是 Reindex 唯一使用的地方，即使这里看起来有点“杀鸡用牛刀”，因为一条链开始的时候，只有一个块，里面只有一笔交易，Update 已经被使用了。不过我们在未来可能需要重建索引的机制。
func (cli *CLI) send(from, to string, amount int) { ... newBlock := bc.MineBlock(txs) UTXOSet.Update(newBlock)} 当挖出一个新块时，UTXO 集就会进行更新。
让我们来检查一下如否如期工作：
$ blockchain_go createblockchain -address 1JnMDSqVoHi4TEFXNw5wJ8skPsPf4LHkQ100000086a725e18ed7e9e06f1051651a4fc46a315a9d298e59e57aeacbe0bf73Done!$ blockchain_go send -from 1JnMDSqVoHi4TEFXNw5wJ8skPsPf4LHkQ1 -to 12DkLzLQ4B3gnQt62EPRJGZ38n3zF4Hzt5 -amount 60000001f75cb3a5033aeecbf6a8d378e15b25d026fb0a665c7721a5bb0faa21bSuccess!$ blockchain_go send -from 1JnMDSqVoHi4TEFXNw5wJ8skPsPf4LHkQ1 -to 12ncZhA5mFTTnTmHq1aTPYBri4jAK8TacL -amount 4000000cc51e665d53c78af5e65774a72fc7b864140a8224bf4e7709d8e0fa433Success!$ blockchain_go getbalance -address 1JnMDSqVoHi4TEFXNw5wJ8skPsPf4LHkQ1Balance of '1F4MbuqjcuJGymjcuYQMUVYB37AWKkSLif': 20$ blockchain_go getbalance -address 12DkLzLQ4B3gnQt62EPRJGZ38n3zF4Hzt5Balance of '1XWu6nitBWe6J6v6MXmd5rhdP7dZsExbx': 6$ blockchain_go getbalance -address 12ncZhA5mFTTnTmHq1aTPYBri4jAK8TacLBalance of '13UASQpCR8Nr41PojH8Bz4K6cmTCqweskL': 4
很好！1JnMDSqVoHi4TEFXNw5wJ8skPsPf4LHkQ1 地址接收到了 3 笔奖励：
- 一次是挖出创世块
- 一次是挖出块 0000001f75cb3a5033aeecbf6a8d378e15b25d026fb0a665c7721a5bb0faa21b
- 一个是挖出块 000000cc51e665d53c78af5e65774a72fc7b864140a8224bf4e7709d8e0fa433
Merkle 树
在这篇文章中，我还想要再讨论一个优化机制。
上如上面所提到的，完整的比特币数据库（也就是区块链）需要超过 140 Gb 的磁盘空间。因为比特币的去中心化特性，网络中的每个节点必须是独立，自给自足的，也就是每个节点必须存储一个区块链的完整副本。随着越来越多的人使用比特币，这条规则变得越来越难以遵守：因为不太可能每个人都去运行一个全节点。并且，由于节点是网络中的完全参与者，它们负有相关责任：节点必须验证交易和区块。另外，要想与其他节点交互和下载新块，也有一定的网络流量需求。
在中本聪的 中，对这个问题也有一个解决方案：简易支付验证（Simplified Payment Verification, SPV）。SPV 是一个比特币轻节点，它不需要下载整个区块链，也不需要验证区块和交易。相反，它会在区块链查找交易（为了验证支付），并且需要连接到一个全节点来检索必要的数据。这个机制允许在仅运行一个全节点的情况下有多个轻钱包。
为了实现 SPV，需要有一个方式来检查是否一个区块包含了某笔交易，而无须下载整个区块。这就是 Merkle 树所要完成的事情。
比特币用 Merkle 树来获取交易哈希，哈希被保存在区块头中，并会用于工作量证明系统。到目前为止，我们只是将一个块里面的每笔交易哈希连接了起来，将在上面应用了 SHA-256 算法。虽然这是一个用于获取区块交易唯一表示的一个不错的途径，但是它没有利用到 Merkle 树。
来看一下 Merkle 树：
每个块都会有一个 Merkle 树，它从叶子节点（树的底部）开始，一个叶子节点就是一个交易哈希（比特币使用双 SHA256 哈希）。叶子节点的数量必须是双数，但是并非每个块都包含了双数的交易。因为，如果一个块里面的交易数为单数，那么就将最后一个叶子节点（也就是 Merkle 树的最后一个交易，不是区块的最后一笔交易）复制一份凑成双数。
从下往上，两两成对，连接两个节点哈希，将组合哈希作为新的哈希。新的哈希就成为新的树节点。重复该过程，直到仅有一个节点，也就是树根。根哈希然后就会当做是整个块交易的唯一标示，将它保存到区块头，然后用于工作量证明。
Merkle 树的好处就是一个节点可以在不下载整个块的情况下，验证是否包含某笔交易。并且这些只需要一个交易哈希，一个 Merkle 树根哈希和一个 Merkle 路径。
最后，来写代码：
type MerkleTree struct { RootNode *MerkleNode}type MerkleNode struct { Left *MerkleNode Right *MerkleNode Data []byte} 先从结构体开始。每个 MerkleNode 包含数据和指向左右分支的指针。MerkleTree 实际上就是连接到下个节点的根节点，然后依次连接到更远的节点，等等。
让我们首先来创建一个新的节点：
func NewMerkleNode(left, right *MerkleNode, data []byte) *MerkleNode { mNode := MerkleNode{} if left == nil && right == nil { hash := sha256.Sum256(data) mNode.Data = hash[:] } else { prevHashes := append(left.Data, right.Data...) hash := sha256.Sum256(prevHashes) mNode.Data = hash[:] } mNode.Left = left mNode.Right = right return &mNode} 每个节点包含一些数据。当节点在叶子节点，数据从外界传入（在这里，也就是一个序列化后的交易）。当一个节点被关联到其他节点，它会将其他节点的数据取过来，连接后再哈希。
func NewMerkleTree(data [][]byte) *MerkleTree { var nodes []MerkleNode if len(data)%2 != 0 { data = append(data, data[len(data)-1]) } for _, datum := range data { node := NewMerkleNode(nil, nil, datum) nodes = append(nodes, *node) } for i := 0; i < len(data)/2; i++ { var newLevel []MerkleNode for j := 0; j < len(nodes); j += 2 { node := NewMerkleNode(&nodes[j], &nodes[j+1], nil) newLevel = append(newLevel, *node) } nodes = newLevel } mTree := MerkleTree{&nodes[0]} return &mTree} 当生成一棵新树时，要确保的第一件事就是叶子节点必须是双数。然后，数据（也就是一个序列化后交易的数组）被转换成树的叶子，从这些叶子再慢慢形成一棵树。
现在，让我们来修改 Block.HashTransactions，它用于在工作量证明系统中获取交易哈希：
func (b *Block) HashTransactions() []byte { var transactions [][]byte for _, tx := range b.Transactions { transactions = append(transactions, tx.Serialize()) } mTree := NewMerkleTree(transactions) return mTree.RootNode.Data} 首先，交易被序列化（使用 encoding/gob），然后使用序列后的交易构建一个 Mekle 树。树根将会作为块交易的唯一标识符。
P2PKH
还有一件事情，我想要再谈一谈。
大家应该还记得，在比特币中有一个 脚本（Script）编程语言，它用于锁定交易输出；交易输入提供了解锁输出的数据。这个语言非常简单，用这个语言写的代码其实就是一系列数据和操作符而已。比如如下示例：
5 2 OP_ADD 7 OP_EQUAL
5, 2, 和 7 是数据，OP_ADD 和 OP_EQUAL 是操作符。脚本代码从左到右执行：将数据依次放入栈内，当遇到操作符时，就从栈内取出数据，并将操作符作用于数据，然后将结果作为栈顶元素。脚本的栈，实际上就是一个先进后出的内存存储：栈里的第一个元素最后一个取出，后面的每一个元素都会放到前一个元素之上。
让我们来对上面的脚本分部执行：
| 步骤 | 栈 | 脚本 | 说明 |
|---|---|---|---|
| 1 | 空 | 5 2 OP_ADD 7 OP_EQUAL | 一开始栈为空 |
| 2 | 5 | 2 OP_ADD 7 OP_EQUAL | 从脚本里面取出 5 放入栈上 |
| 3 | 5 2 | OP_ADD 7 OP_EQUAL | 从脚本里面取出 2 放入栈上 |
| 4 | 7 | 7 OP_EQUAL | 遇到操作符 OP_ADD, 从栈里取出两个操作数 5 和 2，相加后将结果放回栈上 |
| 5 | 7 7 | OP_EQUAL | 从脚本里面取出 7 放到栈上 |
| 6 | true | 空 | 遇到操作符 OP_EQUAL，从栈里取出两个操作数并比较，将比较的结果放回栈内，脚本执行完毕，为空 |
OP_ADD 从栈内取两个元素，将这两个元素进行相加，然后将结果重新放回栈内。OP_EQUAL 从栈内取两个元素，然后对这两个元素进行比较：如果它们相等，就在栈上放一个 true，否则放一个 false。脚本执行的结果就是栈顶元素：在我们的案例中，如果是 true，那么表明脚本执行成功。
现在来看一下在比特币中，是如何用脚本执行支付的：
OP_DUP OP_HASH160 OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG
这个脚本叫做 Pay to Public Key Hash(P2PKH)，这是比特币最常用的一个脚本。它所做的事情就是向一个公钥哈希支付，也就是说，用某一个公钥锁定一些币。这是比特币支付的核心：没有账户，没有资金转移；只有一个脚本检查提供的签名和公钥是否正确。
这个脚本实际存储为两个部分：
- 第一个部分，
<signature> <pubkey>，存储在输入的ScriptSig字段。 - 第二部分，
OP_DUP OP_HASH160 <pubkeyHash> OP_EQUALVERYFY OP_CHECKSIG存储在输出的ScriptPubKey里面。
因此，输出定了解锁的逻辑，输入提供解锁输出的“钥匙”。然我们来执行一下这个脚本：
| 步骤 | 栈 | 脚本 |
|---|---|---|
| 1 | 空 | <signature> <pubKey> OP_DUP OP_HASH160 <pubKeyHash> OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG |
| 2 | <signature> | <pubKey> OP_DUP OP_HASH160 <pubKeyHash> OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG |
| 3 | <signature> <pubkey> | OP_DUP OP_HASH160 <pubKeyHash> OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG |
| 4 | <signature> <pubKey> <pubKey> | OP_HASH160 <pubKeyHash> OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG |
| 5 | <signature> <pubKey> <pubKeyHash> | <pubKeyHash> OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG |
| 6 | <signature> <pubKey> <pubKeyHash> <pubKeyHash> | OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG |
| 7 | <signature> <pubKey> | OP_CHECKSIG |
| 8 | true 或 false | 空 |
OP_DUP 对栈顶元素进行复制。OP_HASH160 取栈顶元素，然后用 RIPEMD160 对它进行哈希，再将结果送回到栈上。OP_EQUALVERIFY 将栈顶的两个元素进行比较，如果它们不相等，终止脚本。OP_CHECKSIG 通过对交易进行哈希，并使用 <signature> 和 pubKey 来验证一笔交易的签名。最后的操作符有点复杂：它生成了一个修剪后的交易副本，对它进行哈希（因为它是一个被签名后的交易哈希），然后使用提供的 <signature> 和 pubKey 检查签名是否正确。
有了一个这样的脚本语言，实际上也可以让比特币成为一个智能合约平台：除了将一个单一的公钥转移资金，这个语言还使得一些其他的支付方案成为可能。
总结
这就是今天的全部内容了！我们已经实现了一个基于区块链的加密货币的几乎所有关键特性。我们已经有了区块链，地址，挖矿和交易。但是要想给这些所有的机制赋予生命，让比特币成为一个全球系统，还有一个不可或缺的环节：共识（consensus）。在下一篇文章中，我们将会开始实现区块链的“去中心化（decenteralized）”。敬请收听！
链接：
- :_Data_Storage#The_UTXO_set_.28chainstate_leveldb.29)
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