四.比特币默克尔树(上)

Bczheng12026-04-08 14:55
1.默克尔树
1.1默克尔树根哈希

像之前我们对区块头进行了哈希，包括创世区块的哈希值，可见这些数据就是区块的最终哈希，但是好像没看到交易数据？这样得来的哈希值如何能代表区块呢？区块的核心就是交易数据。

问题的关键点在默克尔树，在CBlock类有这个字段：uint256 hashMerkleRoot;

它是默克尔树根哈希，代表了交易数据，是根据一定的规则将交易数据进行多重哈希得来的值。

所以我们哈希值区块头，将这个值也包含进去了，相当于间接的哈希了交易数据。其性质是一样的。不需要哈希原始交易数据。

1.2交易类CTransaction

为了方便理解默克尔树，这里区块里的交易部分用字符串代替，不涉及真实的交易实现，我们先来实现一个简单的交易类，里面保存交易数据，如下：

cpp 复制代码 
//处理和存储交易数据的类
class CTransaction
{
public:
    string vin;
    string vout;
};

在真实的区块里，vin，vout的定义不是字符串 ，而是自定义类对象，并且是vector数组。

这里我就简单的用一个字符串代替了。

比如，A转给B 50个btc。交易数据格式就是这这样：

vin="a:50";

vout="b:50";

表示扣掉a 50个btc，b增加50btc。

这里不采用string data="a to b 50";是为了更接近源码的设计写法，方便以后我们更好的理解交易部分。

1.3交易数据序列化

因为哈希需要字节形式的数据，所以我们需要将CTransaction类对象序列化字节流。

在源码中已经有相关实现，我们直接拿来使用。

cpp 复制代码 
    uint256 GetHash() const
    {
        return SerializeHash(*this);
    }

SerializeHash这个函数，将对象序化并且进行哈希，然后返回哈希值。

我们来看一下怎么实现的，方便我们来正常的使用它，解决兼容性问题：

这是一个模板函数，定义在util.h头文件里

cpp 复制代码 
template<typename T>
uint256 SerializeHash(const T& obj, int nType=SER_GETHASH, int nVersion=VERSION)
{
    // Most of the time is spent allocating and deallocating CDataStream's
    // buffer.  If this ever needs to be optimized further, make a CStaticStream
    // class with its buffer on the stack.
    CDataStream ss(nType, nVersion);
    ss.reserve(10000);
    ss << obj;
    return Hash(ss.begin(), ss.end());
}

util头文件我们已经有了，但是我们之前只添加了一个hash函数，这里我们不复制util.h头文件，只复制里面的SerializeHash函数代码到我们的util.h中(复制上述代码)。

可以看到，序列化用到了CDataStream类

先创建CDataStream类对象，nType,nVersion为默认值，SER_GETHASH，VERSION在serialize.h有定义。

然后为这个对象预分配10000字节空间，一般序列化对象不会超过这个大小，足够用了。

接着ss<<obj，这是最关键的一句，将obj序列化给ss。

这个<<写法是重载了操作符。

然后ss.begin()是序列化数据起始地址，ss.end是结束地址。

2.CDataStream类

CDataStream类是一个序列化类，用来帮助我们序列化各种类型，如int,string,vector,map等。都可以用CDataStream很方便的实现序列化和反序列化。

这个类存在于serialize.h头文件里,我们需要将源码中的serialize.h拷到我们的项目中。

以下为解决文件报错过程(不需要了解可跳过，后面会给出改好的头文件，直接使用即可)

2.1boost库

复制过来后，发现开头有这一句：

cpp 复制代码 
#include <boost/type_traits/is_fundamental.hpp>

这个是boost第三方库相关，说明serialize.h需要使用boost库的某些功能。

经过查找，发现使用的是 boost::is_fundamental<T>这个模板类功能，这个类的作用是能帮我们判断一个类型是否是基本类型，如int,char,double,而不是string,或者用户自定义的类等。

为什么需要这个呢，因为序列化vector类型时，需要判断是vector<int>基本类型，还是vector<string>类型，因为基本和非基本类型内存布局原因，两者需要不同的序列化实现。

由于源码中使用boost库的地方不多，只是序列vector类型需要用到，分别用到了下面三个类：

boost::is_fundamental;

boost::true_type;

boost::false_type;

而安装boost库，可能需要指定的版本。

这里我们优先使用替换方案解决，这个库将留在以后看情况安装，非目前重点。

2.2type_traits代用库

我们可以用自带的C++ 标准库type_traits来代替，需要C++ 11支持。

用里面的std::is_fundamental模板类代替boost::is_fundamental;

std::is_fundamental会根据类型生成对应的类实例：std::is_fundamental<类型>()

基本类型生成: std::true_type 类型对象

非基本类型生成: std::false_type 类型对象。

以下为使用示例：

cpp 复制代码 
// tmp.cpp : 此文件包含 "main" 函数。程序执行将在此处开始并结束。
//

#include <iostream>
#include<string>
#include <type_traits>
#include<vector>


template<typename T>
void Serialize_impl(const std::vector<T>& v,const std::true_type&)
{
	std::cout << "调用基本类型序列化" << std::endl;
	//处理v对象代码...
}
template<typename T>
void Serialize_impl(const std::vector<T>& v,const std::false_type&)
{
	std::cout << "调用非基本类型序列化" << std::endl;
	//处理v对象代码...
}

template<typename T>
void Serialize(const std::vector<T>& v)
{
	Serialize_impl(v,std::is_fundamental<T>()); //通过is_fundamental选择生成 true_type还是false_type
}

int main()
{
	std::cout << "注意:以下为1是基本类型,0是非基本类型" << std::endl;
	std::cout << std::is_fundamental<int>::value << std::endl;  
	std::cout << std::is_fundamental<std::string>::value << std::endl;

	//以下为应用示例，可以根据类型调用不同的函数
	//创建不同类型的vector 对象;
	std::vector<int> i;
	std::vector<std::string> s;

	//调用Serialize函数序列化，观察会执行什么函数

	Serialize(i);
	Serialize(s);
}

结果：

可以看到，程序会通过不同的类型选择执行不同的序列化，这个库实现的是这样的一个功能。

那么，我们用type_traits替换boost库需要的操作是。

注释掉头boost头文件，然后加入我们的替用库头文件，接着将boost改成std就行，它们的类命名，只是命名空间不一样，其它不用改。这里为了省事，我直接用宏定义替换：

cpp 复制代码 
//#include <boost/type_traits/is_fundamental.hpp>
#include <type_traits>
#define boost std
2.3basic_string类型

在这个文件中，有basic_string这个类，这是一个模板类，可以根据类型生成ascii字符串，还是宽字符串，比如：

复制代码 
std::basic_string<char> str = "Hello, World!";

它生成的就是string类型。等同于 string str;（宽字符就不介绍了)

而basic_string所在头文件 就是string，在这里如果不包含会识别不到basic_string。

所以我们还得包含一下：

cpp 复制代码 
#include<string>
using namespace std;
2.4set类型

这也是一个容器，性质类似于map vector，CDataStream也支持序列化这种类型。

我们需要包含头文件，解决std::set报错：

cpp 复制代码 
#include <set>
2.5 ios::badbit

这个就是一个值，相当于读取文件报错之类返回的值。

比如if res==ios::badbit cout<<"文件损坏""<<endl;

它的作用就是这个，这个存在于头文件ios中，我们需要包含这个头文件，解决

exceptmask = ios::badbit | ios::failbit; 这句代码报错。

这里的是用法是设置捕获哪些报错，我们现在不需要太过关注，大概了解即可。

解决ios报错：

cpp 复制代码 
#include <ios>
2.6 vector insert

vector中的insert函数可以在容器指定位置插入一个元素，此方法有多个重载。

我们主要需要了解这个重载：

复制代码 
iterator insert(iterator position, InputIterator first, InputIterator last);

它表示，将迭代器first到last这段范围的数据插入到position之前。

如下示例：

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <vector>

int main() {
    std::vector<char> vec = { 'A', 'B', 'C' };
    char arr[] = { 'X', 'Y','Z'};
    char* first = arr;          // 指针指向首元素
    char* last = arr + 3;      // 范围不包含arr+3  指到arr+3。即arr+3之前的数据

    // 使用指针作为迭代器
    auto it = vec.insert(vec.begin() + 1, first, last);//vec.begin()+1 迭代器指向'B'

    //输出查看效果
    for (char c : vec) {
        std::cout << c << " ";
    }
    return 0;
}

结果：X,Y,Z这一段插入到指定字符B之前：

明白了上面，我们再来看这个报错：

cpp 复制代码 
#if !defined(_MSC_VER) || _MSC_VER >= 1300
    void insert(iterator it, const char* first, const char* last)
    {
        insert(it, (const_iterator)first, (const_iterator)last);

    }
#endif

将指针类型强制转换成const_iterator不合法了，这是由于以前的编译不严格，可以这样转换。

现在已经不允许了。

这里是自己写的insert函数，有好几个重载，而这里的调用是三个迭代器参数类型，对应着下面这个函数：

cpp 复制代码 
    void insert(iterator it, const_iterator first, const_iterator last)
    {
        if (it == vch.begin() + nReadPos && last - first <= nReadPos)
        {
            // special case for inserting at the front when there's room
            nReadPos -= (last - first);
            memcpy(&vch[nReadPos], &first[0], last - first);
        }
        else
            vch.insert(it, first, last);
    }

最终还是调用vch的insert函数(上面的memcpy也可以用insert替换,只是效率问题)

所以我们解决这个报错，直接调用vch.insert(it,first,last)其实就可以了，不需要强制转换。

本身可以直接使用指针，如下：

cpp 复制代码 
#if !defined(_MSC_VER) || _MSC_VER >= 1300
    void insert(iterator it, const char* first, const char* last)
    {
        //insert(it, (const_iterator)first, (const_iterator)last);
        vch.insert(it, first, last);
    }
#endif
2.7 assert

这个assert是用于调试的，如果条件为假，则终止程序运行，并输出一些报错信息。

这个assert在<cassert>头文件中定义，所以我们需要包含一下解决assert未定义标识符报错：

cpp 复制代码 
#include<cassert>

ok,现在没有报错了，此文件已经可以正常编译了。

CDataStream示例

我们现在来测试一下CDataStream的使用，先测试string类型。

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include "serialize.h"
#include<string.h>
using namespace std;
int main() {
	CDataStream ss(SER_DISK,101);
	string str = "hello";
	ss << str;
	auto p = ss.begin();

}
2.8allocator内存分配

测试直接报错，主要是跟rebind相关。

因为vector之类的容器，内部肯定要分配内存，而这些容器使用的是alloactor类来分配管理内存，这样就不必每一个容器单独写一份代码。 它们是这样设计的。

通过模板来指定：

cpp 复制代码 
template<typename T, typename Allocator = std::allocator<T>>
class vector;

这样，当你不显式指定模板的第二个参数

比如vector<int> a; 那么使用的就是allocator默认分配器。

而在CDataStream的vector中，使用了自定义分配内存器，为什么要这样呢，是为了安全性。

因为在释放内存空间后，可能会有残留的数据，所以需要手动擦除掉，而不是仅简单的标注这块内存不使用了。

所以我们需要参与内存分配这个过程，就必须自定义分配器。

相关源码如下：

cpp 复制代码 
template<typename T>
struct secure_allocator : public std::allocator<T>
{
    // MSVC8 default copy constructor is broken
    typedef std::allocator<T> base;
    typedef typename base::size_type size_type;
    typedef typename base::difference_type  difference_type;
    typedef typename base::pointer pointer;
    typedef typename base::const_pointer const_pointer;
    typedef typename base::reference reference;
    typedef typename base::const_reference const_reference;
    typedef typename base::value_type value_type;
    secure_allocator() throw() {}
    secure_allocator(const secure_allocator& a) throw() : base(a) {}
    ~secure_allocator() throw() {}
    template<typename _Other> struct rebind
    { typedef secure_allocator<_Other> other; };

    void deallocate(T* p, std::size_t n)
    {
        if (p != NULL)
            memset(p, 0, sizeof(T) * n);
        allocator<T>::deallocate(p, n);
    }
};

重写了父类allocator的deallocate方法，这个方法是在内存释放时被调用。

在里面我们调用memset擦除了内存。

因为容器内部有多种类型，所以这里需要rebind机制，这里就不详细介绍rebind相关了。

你只需要知道，之前rebind写法已经不兼容现在的编译器了。所以这里会报错。

那么这里我们为了省事，安全性现在我们不需要考虑，直接不使用自定义分配器，而是使用默认的分配器，即：

将

cpp 复制代码 
   typedef vector<char, secure_allocator<char> > vector_type;
   vector_type vch;

改为：

cpp 复制代码 
 typedef vector<char, std::allocator<char> > vector_type;
 vector_type vch;

即可。

2.9构造函数

改完之后，出现 "CDataStream::CDataStream": 重定义默认参数 : 参数 1

这是因为这两个构造函数

cpp 复制代码 
    CDataStream(const vector_type& vchIn, int nTypeIn=0, int nVersionIn=VERSION) : vch(vchIn.begin(), vchIn.end())
    {
        Init(nTypeIn, nVersionIn);
    }

    CDataStream(const vector<char>& vchIn, int nTypeIn=0, int nVersionIn=VERSION) : vch(vchIn.begin(), vchIn.end())
    {
        Init(nTypeIn, nVersionIn);
    }

有冲突了，为什么呢，本来vector_type用的是自定义分配器，跟vector<char> 类型参数无冲突。

现在改成了默认的，它就等同于vector<char>这个类型了，所以相当于定义了两个相同参数的构造函数，我们注释掉其中一个即可。

ok,改完后运行不报错了(注意只是粗略的改一下，可能会有其它bug相关，这个目前不是重点。

我们需要项目先跑起来，了解默克尔树相关，其它问题将留待以后详细测试研究解决)

2.91复制构造函数

ps:这之前还有一个报错：

cpp 复制代码 
friend CDataStream operator+(const CDataStream& a, const CDataStream& b)
{
    CDataStream ret = a; // 调用复制构造函数
    ret += b;
    return ret;
}

类对象在进行这种赋值时 ret=a，拷贝副本，如果你没有显式定义复制构造函数，编译器会自动生成一个，会对所有的成员进行复制。

但在这里，没有正常生成报错，可能是编译版本，或更改了allocator导致vch不能正常复制有关。

具体原因不研究，我们直接显式定义拷贝,CDataStream增加如下构造函数：

cpp 复制代码 
    //解决没有相关复制构造函数问题 
    CDataStream(const CDataStream& other)
        : vch(other.vch),
        nReadPos(other.nReadPos),
        state(other.state),
        exceptmask(other.exceptmask),
        nType(other.nType),
        nVersion(other.nVersion)
    {

    }

复制相关成员。

3.测试使用

现在我们用如下代码测试：

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include "serialize.h"
#include<string.h>
using namespace std;
int main() {
	CDataStream ss(SER_DISK, 101);

	string str = "hello";
	ss << str; //序列化
	//输出字符串
	for (auto it = ss.begin(); it != ss.end(); ++it)
	{
		cout << *it << "  ";
	}
}   cout << endl;
    //输出ascii码
	for (auto it = ss.begin(); it != ss.end(); ++it)
	{
		cout << (unsigned int)(*it) << "  ";
	}
}

运行结果：

正常输出hello字符串和ascii码，说明ss序列化正常，里面的数据没问题。

但是这里前面多了一个5的这个数字，前面5这个数字，用来表示数据长度，表示有5个字符数据。

这是CDataStrem自定义添加的说明，相关函数为WriteCompactSize用来写入数据大小到vch里。

注意:这些数据都存在 vector_type vch; vch这个vector类型的变量里。 即CDataStrem类成员vch里。

看定义：

typedef vector<char, std::allocator<char> > vector_type;

vector_type vch;

这其实就是一个vector的char数组，简单来看: vector<char> vch;

改好的serialize.h下载地址：

务必使用vs2022 Community新版本之类的编译器，否则不保证兼容性。

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