Ethereum 源码分析之trie

1. Merkle Patricia Trie 源码分析

0.1 RLP编码:json 未知编码 byte 解码_以太坊RLP编码_最暖最珍贵的博客-优快云博客

RLP(RECURSIVE LENGTH PREFIX) 递归长度前缀序列化方式,还有常见的就是json序列化方式.(序列化是将任意的数据结构编码为有结构的二进制数据byte arrays)

RLP函数的定义(递归函数定义):

RLP函数的5条编码规则(通过以下规则,我们可以通过字节数组推导出值):

1. 如果值在[0,127]之间的单个字节,其编码是其本身.

   

2. 如果byte数组的长度l<=55,编码的结果是数组本身,再加上128+l作为前缀.

   

3. 如果数组长度大于55,编码结果第一个值是183(128+55)加数组长度的编码的长度,然后是数组长度本身的编码,最后是byte数组的编码.

   比如编码一个重复1024次"a",且结果是185 1 0 97 97 97 ...

   因为长度大于55,所以1024的2进制表示:0000,0100,0000,0000

   按照大端序:0000,0000,0001,0000=> 所以按照16进制表示:0010,省略前面的0,长度为2.

4. 如果列表(字节数组的数组) 长度小于55,编码结果第一位是192加列表长度的编码的长度,然后依次连接各个子列表的编码.

   ["abc","def"]的编码结果是200| 131 97 98 99 | 131 100 101 102
   ｜是实际不存在的,只是便于我们理解而存在
   

1.1 Trie的概述

包位置:go-ethereum/trie

该包用New方法在数据库(database)构建一个trie.

1. 无论何时trie执行一个commit操作,生成的节点都会在集合中被收集并返回.

2. 一旦trie被提交,它就再也不会被使用(Once the trie is committed,it’s not usable anymore.)

3. Callers 不等不在更新的trie database上重新创建一个new root的trie.

1.1.1 trie的提供的接口:

1. New方法:建立一个trie

   func New(id *ID, db *Database) (*Trie, error)
   

2. NewEmpty方法:构建一个空的trie(这个所谓的空是指创世区块中StateRoot所对应的MPT树)

   func NewEmpty(db *Database) *Trie {
        
        
       //types.EmptyRootHash是创世根hash的作用.
       tr, _ := New(TrieID(types.EmptyRootHash), db)
       return tr
   }
   

   // TrieID constructs an identifier for a standard trie(not a second-layer trie)
   // with provided root. It's mostly used in tests and some other tries like CHT trie.
   func TrieID(root common.Hash) *ID {
        
        
       return &ID{
        
        
            StateRoot: root,
            Owner: common.Hash{
        
        },
            Root: root,
       }
   }
   

1.2 trie package中的Trie的数据结构(重点在于reader和tracer字段)

reader字段用于检索MPT树的节点;tracer用来追踪MPT树的变化

type Trie struct{
   
   
  root node
  owner common.Hash
  //标记该Trie是否被提交,如果提交了那么该trie就不会被使用(最新状态也不可见)
  committed bool
  //追踪自从上次hash操作开始被插入的叶子节点数量
  unhashed int
  //reader是trie检索节点的处理函数
  reader *trieReader
  //tracer是追踪trie改变的工具
  // 每次提交操作之后将会被重置.
  tracer *tracer
}

其可以用如下图来表示Trie的数据结构

1.2.1 新建Trie

func New(id *ID, db *Database) (*Trie, error) {
   
   
    //db *Database 包是在go-ethereum/trie/database.go
    //创建可以检索MPT树的处理函数,详见1.2.2Reader
    reader, err := newTrieReader(id.StateRoot, id.Owner, db)


    if err != nil {
   
   
        return nil, err
    }
    trie := &Trie{
   
   
        owner:  id.Owner,
        reader: reader,
        tracer: newTracer(),//新建追踪器,
    }
    //接下来如何找到MPT的root,详见1.2.6 
    if id.Root != (common.Hash{
   
   }) && id.Root != types.EmptyRootHash {
   
   
        //详见1.2.7:如何寻找MPT的root node?(resolveAndTrack)
        rootnode, err := trie.resolveAndTrack(id.Root[:], nil)
        if err != nil {
   
   
            return nil, err
        }
        trie.root = rootnode
    }

}

id *ID: 数据结构表示如下: 决定了该创建的MPT树是状态树还是存储树

状态树(state trie)需要StateRoot和Root(且StateRoot字段和Root字段相同);存储树(storage trie)需要StateRoot,Owner(因为存储树是相对于一个智能合约的,所以需要合约地址)以及Root

需要值得注意的是:

ID.StateRoot是指区块的Root字段

ID.Root是指该MPT树的根节点的hash值

1.2.2 Reader(检索器)数据结构及方法

代码位置: go-ethereum/trie/trie_reader.go

// reader接口包装了trie存储的节点方法.
type Reader interface{
   
   
    Node(owner common.Hash, path []byte, hash common.Hash) ([]byte, error)
}
对 上述接口的实现结构体
type trieReader struct{
   
   
    owner  common.Hash
    reader Reader
    banned map[string]struct{
   
   } // Marker to prevent node from being accessed, for tests
}

创建TrieReader方法:newTrieReader()

实际上trieReader的reader字段是由db *Database 中的Reader方法所创建的,详见1.2.4

EmptyRootHash =common.HexToHash("56e81f171bcc55a6ff8345e692c0f86e5b48e01b996cadc001622fb5e363b421")

上述的hash值称为创世根hash即在创世区块中的StateRoot

1.2.3 Database 数据结构

代码位置go-ethereum/trie/database.go

对于树的节点的管理,我们定义了backend接口,只要实现该接口中的方法就可以实现MPT树的节点管理.

1.2.4 Database.Reader()方法

实际上是利用hashdb package的Reader方法,详见

1.2.5 Tracer(追踪器)数据结构及方法

代码位置: go-eth