前言

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。

挖矿的奖励

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：

1. c + 32 字节的交易哈希 -> 该笔交易的未花费交易输出记录

2. 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) ==  {

            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 217 年 9 月 18 日，在比特币中已经有 485，86 个块，整个数据库所需磁盘空间超过 14 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 217 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：

1. 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。

2. 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.

3. 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.

4. 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：

1. Blockchain.FindUTXO - 通过对区块进行迭代找到所有未花费输出。

2. 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。

3. UTXOSet.FindSpendableOutputs - 类似 Blockchain.FindSpendableOutputs，但是使用 UTXO 集。

4. UTXOSet.FindUTXO - 类似 Blockchain.FindUTXO，但是使用 UTXO 集。

5. 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 :=

    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：

本文来源：区块链研究实验室