写一个最简单的区块链——Yet another Go tutorial

前言

为什么说是最简单的区块链呢，因为根本写不出一个完整的区块链，甚至连区块链的Demo都算不上。本文充其量可以当做Go语言的一个入门教程，至少对我来说是这样。所以，即使读者没有任何区块链和Go语言的知识，也可以放心往下看。

本文使用Go语言实现了

• 区块的定义和构建
• 区块链的定义和构建
• 添加交易
• 查看区块链内容
• 提供Go API和Web API两种方式

区块链的概念

区块链源自比特币，当年中本聪计划打造一个完全去中心化的电子货币交易系统，区块链应运而生。发明区块链的动机，大概是中本聪觉得，任何中心化的系统都不够安全，一旦把特权赋予某些人，就存在滥用职权和腐败的可能。只有在去中心化的系统中，才会存在绝对的安全。

去中心化其实很简单，直接让每一个节点都保存完整的交易信息，自然就不需要中心节点了。但这样会造成资源的极大浪费，也会造成通信的拥堵。不过比特币似乎就是这样干的，毕竟比特币的总量不算很多，交易量也不至于太大。

去中心化的另一个问题是需要共识机制。因为区块链是一个单向链表，如果两个节点同时想要向链表头部添加元素，势必造成链表的分叉。共识机制规定了整个网络中最长的那个链为有效链，任何节点一旦发现其它链比本地保存的链更长，就必须更换为那个最长的链。

此外，节点是不能随意向区块链中添加元素的，否则谁添加的最快，谁的区块链就最长，那岂不是成了速度竞赛。制约的方法是，一个节点产生的交易，必须由另一个节点记账，才能加入区块链中。为了鼓励人们积极为其他人记账，中本聪设计了“工作量证明”这一环节，也就是我们俗称的“挖矿”。成功为他人记账的节点，会收到若干个比特币的奖励。这样一来，人们蜂拥而至，争先为别人记账，但交易数量有限，多个人同时记账只会有一个人记账成功，其他人无功而返。为了使这一过程不受网速的影响，使大家能够公平竞争，中本聪规定，记账者必须得到若干个0开头的账单摘要才算记账成功。所谓账单摘要，就是把账单数据按照规定的组合方式，加上随机数，再经过某种哈希算法（比如SHA256）得到的固定长度的数据串。目前的规定是以18个0开头，每个0是一个16进制数字，也就相当于平均每尝试16¹⁸次才可能得到一个符合条件的账单摘要。这也是为什么挖矿需要消耗大量的计算资源，而且挖矿会越来越难（数字0开头的数量还会进一步增多）。

说了这么多理论，也该开始实践了。但说着容易做着难，我们没法把上面提到的所有特性都实现出来，只能实现最基础的功能。即使如此，对帮助大家直观地了解区块链也已经足够了。

Go语言实现区块链

如果手边有一台电脑，建议按照本节的流程亲自敲一遍代码。

0.配置开发环境

本来想把如何配置开发环境写一写，但实在太繁琐，又难以满足不同系统用户的需求，遂作罢。大家只能发挥自己的聪明才智搞一搞了。

1. 定义区块

// file: Block.go
package core

import (
    "crypto/sha256"
    "encoding/hex"
    "time"
)

type Block struct {

    // Block header
    Index int64
    Timestamp int64
    PrevBlockHash string
    Hash string

    // Block data
    Data string
}

func createBlock(prevBlock Block, data string) Block{
    newBlock := Block{}
    newBlock.Index = prevBlock.Index + 1
    newBlock.Timestamp = time.Now().Unix()
    newBlock.PrevBlockHash = prevBlock.Hash
    newBlock.Data = data
    newBlock.Hash = calculateHash(newBlock)
    return newBlock
}

func calculateHash(block Block) string {
    toBeHashed := string(block.Index) + string(block.Timestamp) + block.PrevBlockHash + block.Data
    hashInBytes := sha256.Sum256([]byte(toBeHashed))
    return hex.EncodeToString(hashInBytes[:])
}

这段代码定义了一个结构体Block，用来表示一个区块。区块包含区块头和数据两部分，其中，区块头包括序号Index、时间戳Timestamp、上一区块的摘要PrevBlockHash以及当前区块的摘要Hash。数据为了简单起见，直接用string类型表示。

下面两个私有函数分别用来创建区块和计算给定区块的摘要。之所以称为私有函数，是因为函数名以小写字母开头，Go编译器自动按照函数名首字母的大小写决定该函数的访问级别。在calculateHash函数中，我们把序号、时间戳、上一区块的摘要以及数据连接成一个长字符串，并计算该字符串的哈希值，作为当前区块的摘要。需要注意，Go语言中声明变量可以不显式指定类型，但需要用:=符号来初始化。

2. 定义区块链

// file: BlockChain.go
package core

import "fmt"

type BlockChain struct {
    Blocks []*Block
}

func CreateBlockChain() BlockChain {
    genesisBlock := createBlock(Block{Index:-1}, "I am genesis block.")
    blockChain := BlockChain{}
    blockChain.Blocks = append(blockChain.Blocks, &genesisBlock)
    return blockChain
}

func (blockChain *BlockChain) AddTransaction(data string)  {
    block := createBlock(*blockChain.Blocks[len(blockChain.Blocks) - 1], data)
    blockChain.Blocks = append(blockChain.Blocks, &block)
}

func (blockChain *BlockChain) Print()  {
    for _, block := range blockChain.Blocks {
        fmt.Printf("Index: %d\n", block.Index)
        fmt.Printf("Timestamp: %d\n", block.Timestamp)
        fmt.Printf("PreBlockHash: %s\n", block.PrevBlockHash)
        fmt.Printf("Hash: %s\n", block.Hash)
        fmt.Printf("Data: %s\n", block.Data)
        fmt.Println()
    }
}

这里，我们把区块链定义为另一个结构体，内部包含区块的数组切片。Go语言中的数组切片，其实就是变长数组，它的容量依赖于实际数组的长度。

我们提供了三个公有函数。CreateBlockChain用来创建一个新的区块链，在该函数中自动创建了一个区块，称为“创世区块”，该区块不含任何数据，Index为0，只用于标识区块链的起点。AddTransaction函数用来添加交易，内部会创建一个新的区块，并链接到区块链上。Print函数用来打印完整的区块链信息。

细心的话可以发现，这里的函数名前面增加了一些内容。在Go语言中，这种函数称为方法，方法名前面的部分是接收者，类似于C++中的this指针。AddTransaction和Print方法都声明了BlockChain类型的接收者，于是这两个方法可以当做BlockChain类型的成员函数来使用。

3. Go API Demo

以上已经实现了区块链的核心功能。我们现在写一个demo来测试一下效果。

// file: main.go
package main

import (
    "BlockChainDemo/core"
)

func main()  {
    blockChain := core.CreateBlockChain()
    blockChain.AddTransaction("Send 1 BTC to Faye.")
    blockChain.AddTransaction("Send 2 BTC to Liling.")
    blockChain.Print()
}

Go语言的主函数必须位于main包中，否则不能执行。运行该程序，输出结果为

Index: 0
Timestamp: 1538731505
PreBlockHash: 
Hash: f8970ec722193096998452516c709c1890323e5df5bd7cf1e139b9c592394f6d
Data: I am genesis block.

Index: 1
Timestamp: 1538731505
PreBlockHash: f8970ec722193096998452516c709c1890323e5df5bd7cf1e139b9c592394f6d
Hash: 12f8ca6f66b0b21e6d1ed7682265f849f46e4a4ff10e6ba794021eb25d0ab033
Data: Send 1 BTC to Faye.

Index: 2
Timestamp: 1538731505
PreBlockHash: 12f8ca6f66b0b21e6d1ed7682265f849f46e4a4ff10e6ba794021eb25d0ab033
Hash: 1c849f10a0da4f2aa45275f1585ddc700fa46c24cb8162484bf628a16aeac5a0
Data: Send 2 BTC to Liling.

可以看到，添加两次交易后，区块链的长度变为3，除了创世节点，后面每个节点表示一次交易。每个区块的Hash值与当前区块和上一区块都有关，因此任何人都无法篡改历史数据，任何微小的改动都会导致后面链条中所有数据的变化。

4. Web API Demo

最后一部分，发挥Go语言强大的Web编程能力，我们提供一个Web API供HTTP访问使用。

// file: server.go
package main

import (
    "BlockChainDemo/core"
    "encoding/json"
    "io"
    "net/http"
)

var blockChain core.BlockChain

func run()  {
    http.HandleFunc("/blockchain/get", blockchainGetHandler)
    http.HandleFunc("/blockchain/write", blockchainWriteHandler)
    http.ListenAndServe("localhost:8888", nil)
}

func blockchainGetHandler(writer http.ResponseWriter, request *http.Request) {
    bytes, error := json.MarshalIndent(blockChain, "", "\t")
    if error != nil {
        http.Error(writer, error.Error(), http.StatusInternalServerError)
        return
    }
    io.WriteString(writer, string(bytes))
}

func blockchainWriteHandler(writer http.ResponseWriter, request *http.Request)  {
    data := request.URL.Query().Get("data")
    blockChain.AddTransaction(data)
    blockchainGetHandler(writer, request)
}

func main()  {
    blockChain = core.CreateBlockChain()
    run()
}

实现方法非常简单，设置两个回调函数，对应两个URL，一个用来查询当前区块链，另一个用来向区块链中添加交易。运行此程序，然后打开浏览器，访问http://localhost:8888/blockchain/get，可以看到如下结果

get

此时只有创世区块。接下来添加一个交易
http://localhost:8888/blockchain/write?data=Send 1 BTC to Faye.

现在区块链变成了这样

write

每调用一次，区块链中就添加一个区块。

好了，到此为止，我们已经实现了预定的全部功能。

完整代码已上传GitHub，请点击jingedawang/BlockChainDemo下载。

总结

区块链并没有想象中那么神秘，也不是无所不能。最初版本的区块链有很大局限性，所以才有了区块链2.0、3.0，以及以太坊、智能合约的出现。想真正了解区块链，不深入到行业应用中是不行的，所以本文只是浅尝辄止，抛砖引玉而已。鉴于当下区块链工程师年薪百万，我想，是时候考虑转行了:-)

参考资料

区块链技术核心概念与原理讲解 慕课网
用GO语言构建自己的区块链 慕课网
Go 语言教程 菜鸟教程
golang 函数以及函数和方法的区别 D_Guco