32 ＜字节技术总监推荐的嵌入式、编程、c、底层硬核学习coding笔记#25年3月19日开始更新系列# ＞超硬核区块链算法仿真：联盟链PBFT多线程仿真实现 ：c语言完全详解版 共5篇 第1部分

1 22年年底想用gpt做出一个pbft的算法仿真，到了25年终于可以结合gpt grok perplexcity deepseek等实现了！！！！！

调试结果

解释：

这个程序模拟了一个小型区块链网络：

节点：80个节点，其中节点0是主节点（负责发起请求），节点1到79是从节点（负责响应）。
目标：处理100个请求，通过PBFT的三个阶段（Pre-Prepare、Prepare、Commit）达成共识。
通信方式：每个节点有自己的消息队列，主节点和从节点通过队列传递消息，模拟网络通信。
并发性：使用多线程（79个从节点线程+1个主线程），模拟区块链节点的并行工作。
延迟：每个消息传递有0-10ms的随机延迟，模拟真实网络环境。
同步工具：使用互斥锁和条件变量，确保线程安全和消息顺序。
运行过程可以分为五个主要阶段：

初始化阶段：设置节点、队列和线程。
主节点发起请求：发送Pre-Prepare消息，启动共识。
从节点处理消息：接收并回复Prepare和Commit消息。
主节点收集回复：收集足够的消息，完成共识。
统计和清理：输出性能指标，释放资源。

引子
-----------------------------------------------------------------------------------------------------


底下是正文：
 

第一部分：破冰与基石——揭开分布式共识的神秘面纱

嘿，各位C语言老铁们，以及所有对分布式系统、区块链技术充满好奇的朋友们！

我是你们的老朋友，一个常年“折腾”在代码世界里的码农。今天，我要和大家分享一个我“憋”了很久，从2022年年底就开始琢磨，直到2025年才终于在AI（没错，就是你们现在用的GPT、Grok、DeepSeek这些大模型！）的“神助攻”下，得以完美实现的硬核项目——用C语言模拟PBFT（Practical Byzantine Fault Tolerance，实用拜占庭容错）算法！

你可能会问：“PBFT？那是个啥？听起来就好高大上！”别急，我保证，读完这系列文章，你不仅能透彻理解PBFT的运行机制，还能亲手写出它的模拟代码，甚至能把它吹嘘给你的朋友，让他们对你刮目相看！

1.1 为什么是PBFT？为什么又是C语言？

在分布式系统的汪洋大海中，共识算法就像是定海神针，确保所有节点对某件事情达成一致。想象一下，如果一个团队里，大家对“今天中午吃什么”都各执己见，那午饭就没法吃了，对吧？分布式系统也是一样，如果各个节点对数据的状态、交易的顺序不能达成一致，那整个系统就乱套了。

而PBFT，就是解决这个问题的“老牌劲旅”之一。它不像比特币的PoW（工作量证明）那样需要消耗大量算力，而是在许可链（或者说，节点身份已知且受控的联盟链）和企业级分布式系统中大放异彩。它的特点是高吞吐、低延迟，而且还能容忍拜占庭错误（简单来说，就是有些节点可能会“使坏”，发送错误信息，甚至伪造信息）。

那为什么我们选择C语言来搞这个项目呢？

1. 性能与底层： C语言以其卓越的性能和对系统底层的直接操控能力而闻名。用C语言实现，能让我们更深刻地理解PBFT算法在资源管理、并发控制上的细节。

2. 硬核挑战： 对于刷过牛客、力扣100热题榜的你来说，C语言的多线程、内存管理可能已经驾轻就熟。但将这些知识应用于复杂的分布式算法模拟，无疑是一次更高级的挑战，能让你在嵌入式、操作系统等领域走得更远。

3. “裸奔”的快感： 没有花哨的框架，没有复杂的库依赖，我们用最纯粹的C语言来构建，就像亲手搭建一个精密的机械装置，那种掌控一切的快感，是其他语言难以比拟的。

4. 面试加分项： 懂PBFT，会C语言实现，这在分布式、区块链、高性能计算等领域的面试中，绝对是亮眼的加分项！

所以，别犹豫了，跟着我，一起踏上这段充满挑战与乐趣的PBFT C语言模拟之旅吧！

1.2 PBFT算法：初探分布式共识的奥秘

在深入代码之前，我们先来快速“扫盲”一下PBFT算法。别担心，我不会给你堆砌复杂的数学公式，咱们用大白话和生活中的例子来理解它。

1.2.1 什么是分布式共识？

想象一下，你和你的几个朋友（分布式系统中的节点）正在玩一个游戏，需要对某个行动（比如“下一步是向左走还是向右走”）达成一致。但你们之间可能存在网络延迟，甚至有人可能故意捣乱（拜占庭错误）。分布式共识算法的目标就是：在这些复杂甚至恶意的情况下，让所有诚实的参与者对某个提议达成一致，并且一旦达成一致，这个结果就不能再改变。

1.2.2 为什么需要共识？

举个最简单的例子：银行转账。 小明给小红转账100块钱。

• 如果银行系统是单机的，很简单，数据库里小明的余额减100，小红的余额加100。

• 但如果银行系统是分布式的，有N台服务器都保存着账本。

  • 服务器A说：“转账成功！”

  • 服务器B说：“转账失败！”

  • 服务器C说：“我没收到这个请求！”

  • ... 这不就乱套了吗？谁的账本才是对的？小明和小红的钱到底有没有变？ 共识算法就是来解决这个问题的：确保所有服务器（节点）上的账本（数据状态）最终都保持一致。

1.2.3 PBFT的“三板斧”：Pre-Prepare, Prepare, Commit

PBFT算法的核心流程可以概括为三个主要阶段，就像武侠小说里的“三板斧”，一招一式，环环相扣，最终达成共识。

阶段名称	发送者	接收者	消息内容	目的
Pre-Prepare	主节点	所有副本节点	请求内容、视图编号、序列号、摘要	主节点提议一个请求，并广播给所有副本节点。
Prepare	副本节点	所有节点	请求内容、视图编号、序列号、摘要	副本节点确认收到并同意主节点的提议。
Commit	副本节点	所有节点	请求内容、视图编号、序列号、摘要	副本节点确认已准备好执行请求。

简单来说：

1. Pre-Prepare（预准备）：客户端发出请求后，主节点（Primary）收到请求，它会给这个请求分配一个序列号，然后把请求内容和序列号打包成一个Pre-Prepare消息，广播给所有其他副本节点（Replica）。这就像班长（主节点）收到老师的作业（请求）后，把作业内容和编号告诉所有同学（副本节点）。

2. Prepare（准备）：副本节点收到Pre-Prepare消息后，会验证消息的合法性（比如序列号是否正确、是否重复等）。如果验证通过，它会向所有其他节点（包括主节点自己）广播一个Prepare消息，表示“我收到了这个请求，并且我已经准备好处理它了！”。这就像同学们收到作业后，互相告诉一声：“我收到作业了，准备开始写了！”

3. Commit（提交）：当一个节点（无论是主节点还是副本节点）收到了足够多的（2f+1个，f是允许的拜占庭节点数量）Prepare消息后，它就知道“哦，大多数节点都准备好处理这个请求了！”。这时，它会向所有其他节点广播一个Commit消息，表示“我已经准备好提交并执行这个请求了！”。这就像同学们互相确认：“大家都准备好了，那咱们就一起交作业吧！”

当一个节点收到足够多的Commit消息后，它就认为这个请求已经达成共识，可以安全地执行了。

1.2.4 拜占庭将军问题与PBFT的容错能力

你可能听说过“拜占庭将军问题”——一群将军（节点）要对是否进攻达成一致，但其中可能有叛徒（拜占庭节点），他们可能会传递虚假信息，甚至不按协议行事。

PBFT就是为了解决这个问题而生的。它通过多阶段投票和消息认证（虽然我们简化版里没有体现，但在实际PBFT中非常重要），确保即使有少数“叛徒”存在，诚实节点也能达成一致。PBFT能够容忍f个拜占庭节点，只要总节点数nge3f+1。

比如，我们模拟的系统有4个节点（1个主节点，3个副本）。那么n=4。 4ge3f+1Rightarrow3ge3fRightarrowfle1。 这意味着我们的系统可以容忍最多1个拜占庭节点。为了达成共识，我们需要2f+1个诚实节点的同意。当f=1时，2f+1=2times1+1=3。所以，在我们的4节点系统中，理论上需要至少3个节点（包括主节点自己）的确认才能达成共识。但在我们这个简化版里，为了演示方便，我们把阈值设置为2，即主节点收到2个副本的回复就认为达成共识（这在没有拜占庭节点，或者拜占庭节点数量少于f的情况下是可行的）。

1.3 搭建我们的PBFT模拟实验室：C语言与Windows环境

好了，理论知识讲完了，咱们开始动手搭建我们的模拟环境！

1.3.1 环境准备

你需要一个C语言的开发环境。我推荐以下两种：

1. Visual Studio (推荐)：如果你在Windows上，Visual Studio是首选。它集成了编译器、调试器和IDE，对Windows API的支持也最好。

2. MinGW + VS Code：如果你更喜欢轻量级或者跨平台，可以在Windows上安装MinGW（Minimalist GNU for Windows），它提供了GCC编译器。然后配合VS Code，配置好C/C++扩展，也能愉快地开发。

1.3.2 Windows API初体验：为什么需要windows.h？

你可能注意到代码开头有这样一行： #include <windows.h> 这行代码引入了Windows操作系统提供的API（应用程序编程接口）。我们的模拟程序需要用到多线程和线程同步机制，这些功能在Windows上都是通过windows.h中定义的函数和数据结构来实现的。

而#define _WIN32_WINNT 0x0600 这行，则是为了确保我们能使用到Windows Vista及更高版本中引入的**条件变量（Condition Variables）**功能。条件变量在多线程编程中非常有用，它允许线程在满足特定条件之前等待，避免了忙等待（busy-waiting），提高了效率。0x0600代表Windows Vista。

1.3.3 多线程编程的基石：CreateThread、HANDLE、DWORD WINAPI、LPVOID

在我们的PBFT模拟中，每个节点都将作为一个独立的线程运行。这样才能模拟它们并行处理消息、互相通信的行为。Windows提供了CreateThread函数来创建新线程。

让我们看看CreateThread的“庐山真面目”：

HANDLE CreateThread(
  LPSECURITY_ATTRIBUTES   lpThreadA