剝開比原看程式碼14：比原的挖礦流程是什麼樣的？

比原鏈Bytom發表於2019-02-16

作者：freewind

比原專案倉庫：

Github地址：https://github.com/Bytom/bytom

Gitee地址：https://gitee.com/BytomBlockc…

當我們以bytom init --chain_id=solonet建立比原單機節點用於本地測試時，很快會發現自己將面臨一個尷尬的問題：餘額為0。就算我們使用bytom node --mining開啟挖礦，理論上由於我們是單機狀態，本機算力就是全網算力，應該每次都能夠挖到，但是不知道為什麼，在我嘗試的時候發現總是挖不到，所以打算簡單研究一下比原的挖礦流程，看看有沒有辦法能改點什麼，給自己單機多挖點BTM以方便後面的測試。

所以在今天我打算通過原始碼分析一下比原的挖礦流程，但是考慮到它肯定會涉及到比原的核心，所以太複雜的地方我就會先跳過，那些地方時機成熟的時候會徹底研究一下。

如果我們快速搜尋一下，就能發現在比原始碼中有一個型別叫CPUMiner，我們圍繞著它應該就可以了。

首先還是從比原啟動開始，看看CPUMiner是如何被啟動的。

下面是bytom node --mining對應的入口函式：

cmd/bytomd/main.go#L54-L57

func main() {
    cmd := cli.PrepareBaseCmd(commands.RootCmd, "TM", os.ExpandEnv(config.DefaultDataDir()))
    cmd.Execute()
}

由於傳入了引數node，所以建立Node並啟動：

cmd/bytomd/commands/run_node.go#L41-L54

func runNode(cmd *cobra.Command, args []string) error {
    // Create & start node
    n := node.NewNode(config)
    if _, err := n.Start(); err != nil {
        // ...
}

在建立一個Node物件的時候，也會建立CPUMiner物件：

node/node.go#L59-L142

func NewNode(config *cfg.Config) *Node {
    // ...
    node.cpuMiner = cpuminer.NewCPUMiner(chain, accounts, txPool, newBlockCh)
    node.miningPool = miningpool.NewMiningPool(chain, accounts, txPool, newBlockCh)
    // ...
    return node
}

這裡可以看到建立了兩個與挖礦相關的東西，一個是NewCPUMiner，另一個是miningPool。我們先看NewCPUMiner對應的程式碼：

mining/cpuminer/cpuminer.go#L282-L293

func NewCPUMiner(c *protocol.Chain, accountManager *account.Manager, txPool *protocol.TxPool, newBlockCh chan *bc.Hash) *CPUMiner {
    return &CPUMiner{
        chain:             c,
        accountManager:    accountManager,
        txPool:            txPool,
        numWorkers:        defaultNumWorkers,
        updateNumWorkers:  make(chan struct{}),
        queryHashesPerSec: make(chan float64),
        updateHashes:      make(chan uint64),
        newBlockCh:        newBlockCh,
    }
}

從這裡的欄位可以看到，CPUMiner在工作的時候：

  • 可能需要用到外部的三個物件分別是：chain（代表本機持有的區塊鏈），accountManager（管理帳戶），txPool（交易池）
  • numWorkers：應該保持幾個worker在挖礦，預設值defaultNumWorkers為常量1，也就是說預設只有一個worker。這對於多核cpu來說有點虧，真要挖礦的話可以把它改大點，跟核心數相同（不過用普通電腦不太可能挖到了）
  • updateNumWorkers：外界如果想改變worker的數量，可以通過向這個通道發訊息實現。CPUMiner會監聽它，並按要求增減worker
  • queryHashesPerSec：這個沒用上，忽略吧。我發現比原的開發人員很喜歡預先設計，有很多這樣沒用上的程式碼
  • updateHashes: 這個沒用上，忽略
  • newBlockCh: 一個來自外部的通道，用來告訴外面自己成功挖到了塊，並且已經放進了本地區塊鏈，其它地方就可以用它了（比如廣播出去）

然而這裡出現的並不是CPUMiner全部的欄位，僅僅是需要特意初始化的幾個。完整的在這裡:

mining/cpuminer/cpuminer.go#L29-L45

type CPUMiner struct {
    sync.Mutex
    chain             *protocol.Chain
    accountManager    *account.Manager
    txPool            *protocol.TxPool
    numWorkers        uint64
    started           bool
    discreteMining    bool
    wg                sync.WaitGroup
    workerWg          sync.WaitGroup
    updateNumWorkers  chan struct{}
    queryHashesPerSec chan float64
    updateHashes      chan uint64
    speedMonitorQuit  chan struct{}
    quit              chan struct{}
    newBlockCh        chan *bc.Hash
}

可以看到還多出了幾個：

  • sync.Mutex：為CPUMiner提供了鎖，方便在不同的goroutine程式碼中進行同步
  • started：記錄miner是否啟動了
  • discreteMining：這個在當前程式碼中沒有賦過值，永遠是false，我覺得應該刪除。已提issue #961
  • wg和workerWg：都是跟控制goroutine流程相關的
  • speedMonitorQuit：也沒什麼用，忽略
  • quit：外界可以給這個通道發訊息來通知CPUMiner退出

再回到n.Start看看cpuMiner是何時啟動的：

node/node.go#L169-L180

func (n *Node) OnStart() error {
    if n.miningEnable {
        n.cpuMiner.Start()
    }
    // ...
}

由於我們傳入了引數--mining，所以n.miningEnable是true，於是n.cpuMiner.Start會執行：

mining/cpuminer/cpuminer.go#L188-L205

func (m *CPUMiner) Start() {
    m.Lock()
    defer m.Unlock()

    if m.started || m.discreteMining {
        return
    }

    m.quit = make(chan struct{})
    m.speedMonitorQuit = make(chan struct{})
    m.wg.Add(1)
    go m.miningWorkerController()

    m.started = true
    log.Infof("CPU miner started")
}

這段程式碼沒太多需要說的，主要是通過判斷m.started保證不會重複啟動，然後把真正的工作放在了m.miningWorkerController()中：

mining/cpuminer/cpuminer.go#L126-L125

func (m *CPUMiner) miningWorkerController() {
    // 1. 
    var runningWorkers []chan struct{}
    launchWorkers := func(numWorkers uint64) {
        for i := uint64(0); i < numWorkers; i++ {
            quit := make(chan struct{})
            runningWorkers = append(runningWorkers, quit)

            m.workerWg.Add(1)
            go m.generateBlocks(quit)
        }
    }
    runningWorkers = make([]chan struct{}, 0, m.numWorkers)
    launchWorkers(m.numWorkers)

out:
    for {
        select {
        // 2. 
        case <-m.updateNumWorkers:
            numRunning := uint64(len(runningWorkers))
            if m.numWorkers == numRunning {
                continue
            }

            if m.numWorkers > numRunning {
                launchWorkers(m.numWorkers - numRunning)
                continue
            }

            for i := numRunning - 1; i >= m.numWorkers; i-- {
                close(runningWorkers[i])
                runningWorkers[i] = nil
                runningWorkers = runningWorkers[:i]
            }

        // 3.
        case <-m.quit:
            for _, quit := range runningWorkers {
                close(quit)
            }
            break out
        }
    }

    m.workerWg.Wait()
    close(m.speedMonitorQuit)
    m.wg.Done()
}

這個方法看起來程式碼挺多的，但是實際上做的事情還是比較好理清的，主要是做了三件事：

  1. 第1處程式碼是按指定的worker數量啟動挖礦例程
  2. 第2處是監聽應該保持的worker數量並增減
  3. 第3處在被知關閉的時候安全關閉

程式碼比較清楚，應該不需要多講。

可以看第1處程式碼中，真正挖礦的工作是放在generateBlocks裡的：

mining/cpuminer/cpuminer.go#L84-L119

func (m *CPUMiner) generateBlocks(quit chan struct{}) {
    ticker := time.NewTicker(time.Second * hashUpdateSecs)
    defer ticker.Stop()

out:
    for {
        select {
        case <-quit:
            break out
        default:
        }

        // 1.
        block, err := mining.NewBlockTemplate(m.chain, m.txPool, m.accountManager)
        // ...

        // 2.
        if m.solveBlock(block, ticker, quit) {
            // 3.
            if isOrphan, err := m.chain.ProcessBlock(block); err == nil {
                // ...
                // 4.
                blockHash := block.Hash()
                m.newBlockCh <- &blockHash
                // ...
            }
        }
    }

    m.workerWg.Done()
}

方法裡省略了一些不太重要的程式碼，我們可以從標註的幾處看一下在做什麼：

  1. 第1處通過mining.NewBlockTemplate根據模板生成了一個block
  2. 第2處是以暴力方式（從0開始挨個計算）來爭奪對該區塊的記帳權
  3. 第3處是通過chain.ProcessBlock(block)嘗試把它加到本機持有的區塊鏈上
  4. 第4處是向newBlockCh通道發出訊息，通知外界自己挖到了新的塊

mining.NewBlockTemplate

我們先看一下第1處中的mining.NewBlockTemplate：

mining/mining.go#L67-L154

func NewBlockTemplate(c *protocol.Chain, txPool *protocol.TxPool, accountManager *account.Manager) (b *types.Block, err error) {
    // ...
    return b, err
}

這個方法很長，但是內容都被我忽略了，原因是它的內容過於細節，並且已經觸及到了比原的核心，所以現在大概瞭解一下就可以了。

比原在一個Block區塊裡，有一些基本資訊，比如在其頭部有前一塊的hash值、挖礦難度值、時間戳等等，主體部有各種交易記錄，以及多次層的hash摘要。在這個方法中，主要的邏輯就是去找到這些資訊然後把它們包裝成一個Block物件，然後交由後面處理。我覺得在我們還沒有深刻理解比原的區塊鏈結構和規則的情況下，看這些太細節的東西沒有太大用處，所以先忽略，等以後合適的時候再回過頭來看就簡單了。

m.solveBlock

我們繼續向下，當由NewBlockTemplate生成好了一個Block物件後，它會交給solveBlock方法處理：

mining/cpuminer/cpuminer.go#L50-L75

func (m *CPUMiner) solveBlock(block *types.Block, ticker *time.Ticker, quit chan struct{}) bool {
    // 1. 
    header := &block.BlockHeader
    seed, err := m.chain.CalcNextSeed(&header.PreviousBlockHash)
    // ...

    // 2.
    for i := uint64(0); i <= maxNonce; i++ {
        // 3. 
        select {
        case <-quit:
            return false
        case <-ticker.C:
            if m.chain.BestBlockHeight() >= header.Height {
                return false
            }
        default:
        }

        // 4.
        header.Nonce = i
        headerHash := header.Hash()
        
        // 5.
        if difficulty.CheckProofOfWork(&headerHash, seed, header.Bits) {
            return true
        }
    }
    return false
}

這個方法就是挖礦中我們最關心的部分了：爭奪記帳權。

我把程式碼分成了4塊，依次簡單講解：

  1. 第1處是從本地區塊鏈中找到新生成的區塊指定的父區塊，並由它計算出來seed，它是如何計算出來的我們暫時不關心（比較複雜），此時只要知道它是用來檢查工作量的就可以了
  2. 第2處是使用暴力方式來計算目標值，用於爭奪記帳權。為什麼說是暴力方式？因為挖礦的演算法保證了想解開難題，沒有比從0開始一個個計算更快的辦法，所以這裡從0開始依次嘗試，直到maxNonce結束。maxNonce是一個非常大的數^uint64(0)（即2^64 - 1），基本上是不可能在一個區塊時間內遍歷完的。
  3. 第3處是在每次迴圈中進行計算之前，都看一看是否需要退出。在兩種情況下應該退出，一是quit通道里有新訊息，被人提醒退出（可能是時間到了）；另一種是本地的區塊鏈中已經收到了新的塊，且高度比較自己高，說明已經有別人搶到了。
  4. 第4處是把當前迴圈的數字當作Nonce，計算出Hash值
  5. 第5處是呼叫difficulty.CheckProofOfWork來檢查當前算出來的hash值是否滿足了當前難度。如果滿足就說明自己擁有了記帳權，這個塊是有效的；否則就繼續計算

然後我們再看一下第5處的difficulty.CheckProofOfWork:

consensus/difficulty/difficulty.go#L120-L123

func CheckProofOfWork(hash, seed *bc.Hash, bits uint64) bool {
    compareHash := tensority.AIHash.Hash(hash, seed)
    return HashToBig(compareHash).Cmp(CompactToBig(bits)) <= 0
}

在這個方法裡，可以看到出現了一個tensority.AIHash，這是比原獨有的人工智慧友好的工作量演算法，相關論文的下載地址：https://github.com/Bytom/byto…，有興趣的同學可以去看看。由於這個演算法的難度肯定超出了本文的預期，所以就不研究它了。在以後，如果有機會有條件的話，也許我會試著理解一下（不要期待~）

從這個方法裡可以看出，它是呼叫了tensority.AIHash中的相關方法進判斷當前計算出來的hash是否滿足難度要求。

在本文的開始，我們說過希望能找到一種方法修改比原的程式碼，讓我們在solonet模式下，可以正常挖礦，得到BTM用於測試。看到這個方法的時候，我覺得已經找到了，我們只需要修改一下讓它永遠返回true即可：

func CheckProofOfWork(hash, seed *bc.Hash, bits uint64) bool {
    compareHash := tensority.AIHash.Hash(hash, seed)
    return HashToBig(compareHash).Cmp(CompactToBig(bits)) <= 0 || true
}

這裡也許會讓人覺得有點奇怪，為什麼要在最後的地方加上|| true，而不是在前面直接返回true呢？這是因為，如果直接返回true，可能使得程式中關於時間戳檢查的地方出現問題，出現如下的錯誤：

time="2018-05-17T12:10:14+08:00" level=error msg="Miner fail on ProcessBlock block, timestamp is not in the valid range: invalid block" height=32

原因還未深究，可能是因為原本的程式碼是需要消耗一些時間的，正好使得檢查通過。如果直接返回true就太快了，反而使檢查通過不了。不過我感覺這裡是有一點問題的，留待以後再研究。

這樣修改完以後，再重新編譯並啟動比原節點，每個塊都能挖到了，差不多一秒一個塊（一下子變成大富豪了：）

m.chain.ProcessBlock

我們此時該回到generateBlocks方法中的第3處，即：

mining/cpuminer/cpuminer.go#L84-L119

func (m *CPUMiner) generateBlocks(quit chan struct{}) {
        //...
        if m.solveBlock(block, ticker, quit) {
            // 3.
            if isOrphan, err := m.chain.ProcessBlock(block); err == nil {
                // ...
                // 4.
                blockHash := block.Hash()
                m.newBlockCh <- &blockHash
                // ...
            }
        }
    }

    m.workerWg.Done()
}

m.chain.ProcessBlock把剛才成功拿到記帳權的塊向本地區塊鏈上新增：

protocol/block.go#L191-L196

func (c *Chain) ProcessBlock(block *types.Block) (bool, error) {
    reply := make(chan processBlockResponse, 1)
    c.processBlockCh <- &processBlockMsg{block: block, reply: reply}
    response := <-reply
    return response.isOrphan, response.err
}

可以看到這裡實際上是把這個工作甩出去了，因為它把要處理的塊放進了Chain.processBlockCh這個通道里，同時傳過去的還有一個用於對方回覆的通道reply。然後監聽reply等訊息就可以了。

那麼誰將會處理c.processBlockCh裡的內容呢？當然是由Chain，只不過這裡就屬於比原核心了，我們留等以後再詳細研究，今天就先跳過。

如果處理完沒有出錯，就進入到了第4塊，把這個block的hash放在newBlockCh通道里。這個newBlockCh是由外面傳入的，很多地方都會用到。當它裡面有新的資料時，就說明本機挖到了新塊（並且已經新增到了本機的區塊鏈上），其它的地方就可以使用它進行別的操作（比如廣播出去）

那麼到這裡，我們今天的問題就算解決了，留下了很多坑，以後專門填。

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