cpp 区块链模拟示例(六) 交易

交易（transaction）是比特币的核心所在，而区块链的唯一目的，也正是为了能够安全可靠地存储交易。在区块链中，交易一旦被创建，就没有任何人能够再去修改或是删除它。在今天的文章中，我们会实现交易的通用机制。

如果以前开发过 web 应用，在支付的实现环节，你可能会在数据库中创建这样两张表：

• accounts
• transactions

account（账户）会存储用户信息，里面包括了个人信息和余额。transaction（交易）会存储资金转移信息，也就是资金从一个账户转移到另一个账户这样的内容。在比特币中，支付是另外一种完全不同的方式：

1. 没有账户（account）
2. 没有余额（balance）
3. 没有住址（address）
4. 没有货币（coin）
5. 没有发送人和接收人（sender，receiver）（这里所说的发送人和接收人是基于目前现实生活场景，交易双方与人是一一对应的。而在比特币中，“交易双方”是地址，地址背后才是人，人与地址并不是一一对应的关系，一个人可能有很多个地址。）

鉴于区块链是一个公开开放的数据库，所以我们并不想要存储钱包所有者的敏感信息（所以具有一定的匿名性）。资金不是通过账户来收集，交易也不是从一个地址将钱转移到另一个地址，也没有一个字段或者属性来保存账户余额。交易就是区块链要表达的所有内容。那么，交易里面到底有什么内容呢？

比特币交易

一笔交易由一些输入（input）和输出（output）组合而来：

typedef struct txoutput {
    int        value;
    string    scriptPubKey;
}TXOutput;

typedef struct txinput {
    string    txid;
    int        vout;
    string    scriptSig;
}TXInput;

typedef struct transaction {
    string        id;
    vector<TXInput>        vin;
    vector<TXOutput>    vout;
}Transaction;

对于每一笔新的交易，它的输入会引用（reference）之前一笔交易的输出（这里有个例外，也就是我们待会儿要谈到的 coinbase 交易）。所谓引用之前的一个输出，也就是将之前的一个输出包含在另一笔交易的输入当中。交易的输出，也就是币实际存储的地方。下面的图示阐释了交易之间的互相关联：

注意：

1. 有一些输出并没有被关联到某个输入上
2. 一笔交易的输入可以引用之前多笔交易的输出
3. 一个输入必须引用一个输出

贯穿本文，我们将会使用像“钱（money）”，“币（coin）”，“花费（spend）”，“发送（send）”，“账户（account）” 等等这样的词。但是在比特币中，实际并不存在这样的概念。交易仅仅是通过一个脚本（script）来锁定（lock）一些价值（value），而这些价值只可以被锁定它们的人解锁（unlock）。

交易输出

让我们先从输出（output）开始：

typedef struct txoutput {
    int        value;
    string    scriptPubKey;
}TXOutput;

实际上，正是输出里面存储了“币”（注意，也就是上面的 Value 字段）。而这里的存储，指的是用一个数学难题对输出进行锁定，这个难题被存储在 ScriptPubKey 里面。在内部，比特币使用了一个叫做 Script 的脚本语言，用它来定义锁定和解锁输出的逻辑。虽然这个语言相当的原始（这是为了避免潜在的黑客攻击和滥用而有意为之），并不复杂，但是我们并不会在这里讨论它的细节。你可以在这里 找到详细解释。

在比特币中，value 字段存储的是 satoshi 的数量，而不是>有 BTC 的数量。一个 satoshi 等于一百万分之一的 >BTC(0.00000001 BTC)，这也是比特币里面最小的货币单位>（就像是 1 分的硬币）。

由于还没有实现地址（address），所以目前我们会避免涉及逻辑相关的完整脚本。ScriptPubKey 将会存储一个任意的字符串（用户定义的钱包地址）。

顺便说一下，有了一个这样的脚本语言，也意味着比特币其实也可以作为一个智能合约平台。

关于输出，非常重要的一点是：它们是不可再分的（invisible），这也就是说，你无法仅引用它的其中某一部分。要么不用，如果要用，必须一次性用完。当一个新的交易中引用了某个输出，那么这个输出必须被全部花费。如果它的值比需要的值大，那么就会产生一个找零，找零会返还给发送方。这跟现实世界的场景十分类似，当你想要支付的时候，如果一个东西值 1 美元，而你给了一个 5 美元的纸币，那么你会得到一个 4 美元的找零。

交易输入

这里是输入：

typedef struct txinput {
    string    txid;
    int        vout;
    string    scriptSig;
}TXInput;

正如之前所提到的，一个输入引用了之前一笔交易的一个输出：Txid 存储的是这笔交易的 ID，Vout 存储的是该输出在这笔交易中所有输出的索引（因为一笔交易可能有多个输出，需要有信息指明是具体的哪一个）。ScriptSig 是一个脚本，提供了可作用于一个输出的 ScriptPubKey 的数据。如果 ScriptSig 提供的数据是正确的，那么输出就会被解锁，然后被解锁的值就可以被用于产生新的输出；如果数据不正确，输出就无法被引用在输入中，或者说，也就是无法使用这个输出。这种机制，保证了用户无法花费属于其他人的币。

再次强调，由于我们还没有实现地址，所以 ScriptSig 将仅仅存储一个任意用户定义的钱包地址。我们会在下一篇文章中实现公钥（public key）和签名（signature）。

来简要总结一下。输出，就是 “币” 存储的地方。每个输出都会带有一个解锁脚本，这个脚本定义了解锁该输出的逻辑。每笔新的交易，必须至少有一个输入和输出。一个输入引用了之前一笔交易的输出，并提供了数据（也就是 ScriptSig 字段），该数据会被用在输出的解锁脚本中解锁输出，解锁完成后即可使用它的值去产生新的输出。

也就是说，每一笔输入都是之前一笔交易的输出，那么从一笔交易开始不断往前追溯，它涉及的输入和输出到底是谁先存在呢？换个说法，这是个鸡和蛋谁先谁后的问题，是先有蛋还是先有鸡呢？

先有蛋

在比特币中，是先有蛋，然后才有鸡。输入引用输出的逻辑，是经典的“蛋还是鸡”问题：输入先产生输出，然后输出使得输入成为可能。在比特币中，最先有输出，然后才有输入。换而言之，第一笔交易只有输出，没有输入。

当矿工挖出一个新的块时，它会向新的块中添加一个 coinbase 交易。coinbase 交易是一种特殊的交易，它不需要引用之前一笔交易的输出。它“凭空”产生了币（也就是产生了新币），这也是矿工获得挖出新块的奖励，可以理解为“发行新币”。

在区块链的最初，也就是第一个块，叫做创世块。正是这个创世块，产生了区块链最开始的输出。对于创世块，不需要引用之前交易的输出。因为在创世块之前根本不存在交易，也就没有不存在有交易输出。

来创建一个 coinbase 交易：

Transaction* NewCoinbaseTX(string to, string data) {
    if (data == "")
        data = "Reward to " + to;
    TXInput txin = TXInput{ "",-1,data };
    TXOutput txout = TXOutput{ subsidy ,to };
    Transaction* tx = new Transaction();
    tx->id = "";
    tx->vin.push_back(txin);
    tx->vout.push_back(txout);
    SetID(tx);

    return tx;
}

coinbase 交易只有一个输出，没有输入。在我们的实现中，它的 Txid 为空，Vout 等于 -1。并且，在目前的视线中，coinbase 交易也没有在 ScriptSig 中存储一个脚本，而只是存储了一个任意的字符串。

在比特币中，第一笔 coinbase 交易包含了如下信息：“The Times 03/Jan/2009 Chancellor on brink of second bailout for banks”。可点击这里查看.

subsidy 是奖励的数额。在比特币中，实际并没有存储这个数字，而是基于区块总数进行计算而得：区块总数除以 210000 就是 subsidy。挖出创世块的奖励是 50 BTC，每挖出 210000 个块后，奖励减半。在我们的实现中，这个奖励值将会是一个常量（至少目前是）。

将交易保存到区块链

从现在开始，每个块必须存储至少一笔交易。如果没有交易，也就不可能挖出新的块。这意味着我们应该移除 Block 的 Data 字段，取而代之的是存储交易：

struct block {
    time_t    timeStamp;
    //string    data;
    vector<struct transaction*>    transactions;
    string    prevBlockHash;
    string  hash;
    int64_t    nonce;
};

NewBlock 和 NewGenesisBlock 也必须做出相应改变：

struct block* NewBlock(vector<struct transaction*> transactions, string prevBlockHash) {
    struct block* block = new Block{ time(NULL),transactions,prevBlockHash,"",0 };
    ProofOfWork* pow =  NewProofOfWork(block);
    string hash = "";
    int64_t nonce = Run(hash, pow);
    if (pow != NULL) {
        delete pow;
        pow = NULL;
    }

    block->hash = hash;
    block->nonce = nonce;

    return block;
}

struct block* NewGenesisBlock(struct transaction* coinbase) {
    vector<struct transaction*> vec;
    vec.push_back(coinbase);
    return NewBlock(vec,"");
}

接下来修改创建新链的函数：

struct blockchain* CreateBlockchain(string address) {
    string tip;
    const string genesisCoinbaseData = "The Times 03/Jan/2009 Chancellor on brink of second bailout for banks";
    struct transaction* cbtx = NewCoinbaseTX(address, genesisCoinbaseData);
    struct block* genesis = NewGenesisBlock(cbtx);

    g_db[genesis->hash] = genesis;
    g_db["l"] = genesis;
    tip = genesis->hash;

    struct blockchain* bc = new Blockchain{ tip, &g_db };

    return bc;
}

现在，这个函数会接受一个地址作为参数，这个地址会用来接收挖出创世块的奖励。

工作量证明

工作量证明算法必须要将存储在区块里面的交易考虑进去，以此保证区块链交易存储的一致性和可靠性。所以，我们必须修改 ProofOfWork.prepareData 方法：

string  prepareData(int64_t nonce, ProofOfWork* pow) {
    stringstream ss;
    
    ss << pow->block->prevBlockHash << HashTransactions(pow->block) << pow->block->timeStamp << nonce;

    return ss.str();
}

不像之前使用 pow.block.Data，现在我们使用 pow.block.HashTransactions() ：

string HashTransactions(struct block* b) {
    vector<string> txHashes;

    for (int i = 0; i < b->transactions.size(); i++) {
        txHashes.push_back(b->transactions[i]->id);
    }

    stringstream ss;
    for (int i = 0; i < txHashes.size(); i++) {
        ss << txHashes[i];
    }
    string hash = sha256(ss.str());
    return hash;
}

我们使用哈希提供数据的唯一表示，这个之前也遇到过。我们想要通过仅仅一个哈希，就可以识别一个块里面的所有交易。为此，我们获得每笔交易的哈希，将它们关联起来，然后获得一个连接后的组合哈希。

比特币使用了一个更加复杂的技术：它将一个块里面包含的所有交易表示为一个  Merkle tree ，然后在工作量证明系统中使用树的根哈希（root hash）。这个方法能够让我们快速检索一个块里面是否包含了某笔交易，即只需 root hash 而无需下载所有交易即可完成判断。

来检查一下到目前为止是否正确：

很好！我们已经获得了第一笔挖矿奖励，但是，我们要如何查看余额呢？

未花费的交易输出

我们需要找到所有的未花费交易输出（unspent transactions outputs, UTXO）。未花费（unspent） 指的是这个输出还没有被包含在任何交易的输入中，或者说没有被任何输入引用。在上面的图示中，未花费的输出是：

1. tx0, output 1;
2. tx1, output 0;
3. tx3, output 0;
4. tx4, output 0.

当然了，当我们检查余额时，我们并不需要知道整个区块链上所有的 UTXO，只需要关注那些我们能够解锁的那些 UTXO（目前我们还没有实现密钥，所以我们将会使用用户定义的地址来代替）。首先，让我们定义在输入和输出上的锁定和解锁方法：

bool CanUnlockOutputWith(string unlockingData, TXInput* in) {
    return in->scriptSig == unlockingData;
}

bool CanBeUnlockedWith(string unlockingData, TXOutput* out) {
    return out->scriptPubKey == unlockingData;
}

在这里，我们只是将 script 字段与 unlockingData 进行了比较。在后续文章我们基于私钥实现了地址以后，会对这部分进行改进。

下一步，找到包含未花费输出的交易，这一步相当困难：

vector<struct transaction> FindUnspentTransactions(string address, struct blockchain* bc) {
    vector<struct transaction>            unspentTXs;
    map<string, vector<int>>    spentTXOs;
    struct blockchainiterator* bci = Iterator(bc);

    while (1) {
        struct block* block = Next(bci);

        for (int i = 0; i < block->transactions.size(); i++) {
            string txID = block->transactions[i]->id;

            for (int j = 0; j < block->transactions[i]->vout.size(); j++) {
        
                if (spentTXOs[txID].size() != 0) {
                    for (int k = 0; k < spentTXOs[txID].size(); k++) {
                        if (spentTXOs[txID][k] == j) {
                            goto CONFLAG;
                        }
                    }//for (int k = 0; k < spentTXOs[txID].size(); k++) {
                }//if (spentTXOs[txID].size() != 0) {
                if ( CanBeUnlockedWith(address, &(block->transactions[i]->vout[j])) ) {
                    unspentTXs.push_back(*(block->transactions[i]));
                }
            CONFLAG:
                int tmp = 0;
            }//for (int j = 0; j < block->transactions[i]->vout.size(); i++) {

            if (false == IsCoinbase(*(block->transactions[i])) ) {
                for (int k = 0; k < block->transactions[i]->vin.size(); k++) {
                    if (CanUnlockOutputWith(address, &(block->transactions[i]->vin[k]))) {
                        string inTxID = block->transactions[i]->vin[k].txid;
                        spentTXOs[inTxID].push_back(block->transactions[i]->vin[k].vout);
                    }
                }
            }

        }//for (int i = 0; i < block->transactions.size(); i++) {
        if (block->prevBlockHash == "")
            break;
    }

    return unspentTXs;
}

由于交易被存储在区块里，所以我们不得不检查区块链里的每一笔交易。从输出开始：

if ( CanBeUnlockedWith(address, &(block->transactions[i]->vout[j])) ) {
                    unspentTXs.push_back(*(block->transactions[i]));
                }

如果一个输出被一个地址锁定，并且这个地址恰好是我们要找的未花费交易输出的地址，那么这个输出就是我们想要的。不过在获取它之前，我们需要检查该输出是否已经被包含在一个输入中，也就是检查它是否已经被花费了：

if (spentTXOs[txID].size() != 0) {
                    for (int k = 0; k < spentTXOs[txID].size(); k++) {
                        if (spentTXOs[txID][k] == j) {
                            goto CONFLAG;
                        }
                    }//for (int k = 0; k < spentTXOs[txID].size(); k++) {
                }//if (spentTXOs[txID].size() != 0) {

我们跳过那些已经被包含在其他输入中的输出（被包含在输入中，也就是说明这个输出已经被花费，无法再用了）。检查完输出以后，我们将所有能够解锁给定地址锁定的输出的输入聚集起来（这并不适用于 coinbase 交易，因为它们不解锁输出）：

if (false == IsCoinbase(*(block->transactions[i])) ) {
                for (int k = 0; k < block->transactions[i]->vin.size(); k++) {
                    if (CanUnlockOutputWith(address, &(block->transactions[i]->vin[k]))) {
                        string inTxID = block->transactions[i]->vin[k].txid;
                        spentTXOs[inTxID].push_back(block->transactions[i]->vin[k].vout);
                    }
                }
            }

这个函数返回了一个交易列表，里面包含了未花费输出。为了计算余额，我们还需要一个函数将这些交易作为输入，然后仅返回一个输出：

vector<TXOutput> FindUTXO(string address, struct blockchain* bc) {
    vector<TXOutput> UTXOs;
    vector<struct transaction> unspentTransactions  = FindUnspentTransactions(address, bc);

    for (auto& tx : unspentTransactions) {
        for (auto& out : tx.vout) {
            if (CanBeUnlockedWith(address, &out)) {
                UTXOs.push_back(out);
            }
        }
    }
    return UTXOs;
}

就是这么多了！现在我们来实现 getbalance 命令：

void getBalance(string address) {
    Blockchain* bc = NewBlockchain(address);
    int balance = 0;
    vector<txoutput> UTXOs = FindUTXO(address, bc);
    for (auto& out : UTXOs) {
        balance += out.value;
    }

    std::cout << "Balance of " << address << " : " << balance << std::endl;
}

账户余额就是由账户地址锁定的所有未花费交易输出的总和。

在挖出创世块以后，来检查一下我们的余额：

这就是我们的第一笔钱！

发送币

现在，我们想要给其他人发送一些币。为此，我们需要创建一笔新的交易，将它放到一个块里，然后挖出这个块。之前我们只实现了 coinbase 交易（这是一种特殊的交易），现在我们需要一种通用的交易：

Transaction* NewUTXOTransaction(string from, string to, int amount, Blockchain* bc) {
    vector<TXInput> inputs;
    vector<TXOutput> outputs;
    map<string, vector<int>> validOutputs;
    int acc = FindSpendableOutputs(from,amount,bc, validOutputs);

    if (acc < amount){
        std::cerr << "ERROR: Not enough funds" << std::endl;
        return NULL;
    }

    map<string, vector<int>>::iterator it = validOutputs.begin();
    for (; it != validOutputs.end(); it++) {
        for (auto& out : it->second) {
            TXInput input = TXInput{ it->first,out,from };
            inputs.push_back(input);
        }
    }

    TXOutput output = TXOutput{ amount, to };
    outputs.push_back(output);
    if (acc > amount){
        TXOutput newout = TXOutput{ acc - amount, from }; 
        outputs.push_back(newout);
    }
    Transaction* tx = new Transaction{ "", inputs, outputs };
    SetID(tx);

    return tx;
}

在创建新的输出前，我们首先必须找到所有的未花费输出，并且确保它们存储了足够的值（value），这就是 FindSpendableOutputs 方法做的事情。随后，对于每个找到的输出，会创建一个引用该输出的输入。接下来，我们创建两个输出：

1. 一个由接收者地址锁定。这是给实际给其他地址转移的币。

2. 一个由发送者地址锁定。这是一个找零。只有当未花费输出超过新交易所需时产生。记住：输出是不可再分的。

FindSpendableOutputs 方法基于之前定义的 FindUnspentTransactions 方法：

int FindSpendableOutputs(string address, int amount, struct blockchain* bc, map<string, vector<int>>& unspentOutputs) {
    unspentOutputs.clear();
    vector<struct transaction> unspentTXs  =  FindUnspentTransactions(address, bc);
    int accumulated = 0;

    for (auto& tx : unspentTXs) {
        string txID = tx.id;
        for (int outIdx = 0; outIdx < tx.vout.size(); outIdx++) {
            if (CanBeUnlockedWith(address, &tx.vout[outIdx]) && accumulated < amount) {
                accumulated += tx.vout[outIdx].value;
                unspentOutputs[txID].push_back(outIdx);

                if (accumulated >= amount){
                    break;
                }
            }
        }
    }

    return accumulated;
}

这个方法对所有的未花费交易进行迭代，并对它的值进行累加。当累加值大于或等于我们想要传送的值时，它就会停止并返回累加值，同时返回的还有通过交易 ID 进行分组的输出索引。我们并不想要取出超出需要花费的钱。

现在，我们可以修改 Blockchain.MineBlock 方法：

void MineBlock(vector<struct transaction*> transactions, struct blockchain* bc) {
    string lastHash;

    struct block* p = g_db["l"];
    if (p == NULL)
        return;
    lastHash = p->hash;

    struct block* newBlock = NewBlock(transactions, lastHash);
    (*(bc->db))[newBlock->hash] = newBlock;
    (*(bc->db))["l"] = newBlock;

    bc->tip = newBlock->hash;
}

最后，让我们来实现 send 方法：

void send(string from,string to,int amount) {
    Blockchain* bc = NewBlockchain(from);
    Transaction* tx = NewUTXOTransaction(from, to, amount, bc);
    vector<Transaction*> tmp;
    tmp.push_back(tx);
    MineBlock(tmp, bc);
    printChain(bc);
    getBalance(from);
    getBalance(to);
    std::cout << "sucess!!" << std::endl;
}

发送币意味着创建新的交易，并通过挖出新块的方式将交易打包到区块链中。不过，比特币并不是一连串立刻完成这些事情（不过我们的实现是这么做的）。相反，它会将所有新的交易放到一个内存池中（mempool），然后当一个矿工准备挖出一个新块时，它就从内存池中取出所有的交易，创建一个候选块。只有当包含这些交易的块被挖出来，并添加到区块链以后，里面的交易才开始确认。

让我们来检查一下发送币是否能工作(正确与错误情况)：

总结

虽然不容易，但是现在终于实现交易了！不过，我们依然缺少了一些像比特币那样的一些关键特性：

1. 地址（address）。我们还没有基于私钥（private key）的真实地址。

2. 奖励（reward）。现在挖矿是肯定无法盈利的！

3. UTXO 集。获取余额需要扫描整个区块链，而当区块非常多的时候，这么做就会花费很长时间。并且，如果我们想要验证后续交易，也需要花费很长时间。而 UTXO 集就是为了解决这些问题，加快交易相关的操作。

4. 内存池（mempool）。在交易被打包到块之前，这些交易被存储在内存池里面。在我们目前的实现中，一个块仅仅包含一笔交易，这是相当低效的。

 工程代码见群下载  文件名为part4.zip

参考博文：

https://blog.csdn.net/simple_the_best/article/details/78236282

https://jeiwan.cc/posts/building-blockchain-in-go-part-4/