Go语言golang 200行写区块链源代码分析

Github上有一个Repo，是一个使用Go语言（golang），不到200行代码些的区块链源代码，准确的说是174行。原作者起了个名字是 Code your own blockchain in less than 200 lines of Go! 而且作者也为此写了一篇文章。 https://medium.com/@mycoralhealth/code-your-own-blockchain-in-less-than-200-lines-of-go-e296282bcffc

这篇文章是一个大概的思路和代码的实现，当然还有很多代码的逻辑没有涉及，所以我就针对这不到200行的代码进行一个分析，包含原文章里没有涉及到的知识点，对Go语言，区块链都会有一个更深的认识。

所有的源代码都在这里： https://github.com/nosequeldeebee/blockchain-tutorial/blob/master/main.go

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import (
	"crypto/sha256"
	"encoding/hex"
	"encoding/json"
	"io"
	"log"
	"net/http"
	"os"
	"strconv"
	"sync"
	"time"

	"github.com/davecgh/go-spew/spew"
	"github.com/gorilla/mux"
	"github.com/joho/godotenv"
)

在源代码的开头，是作者引入的一些包，有标准的，也有第三方的。像sha256，hex这些标准包是为了sha-256编码用的，其他还有启动http服务，打印日志的log，并发控制的sync，时间戳的time。

第三方包有三个，其中两个我都详细介绍过，相信大家不会陌生。

go-spew是一个变量结构体的调试利器，可以打印出变量结构体对应的数据和结构，调试非常方便，详细深入了解可以参考我这篇文章。Go语言经典库使用分析（八）| 变量数据结构调试利器 go-spew

gorilla/mux是一个web路由服务，可以很简单的帮我们构建web服务。以前我深入分析过gorilla/handler，他们都是一家出产整体思路差不多，可以参考下。 Go语言经典库使用分析（三）| Gorilla Handlers 详细介绍 。

不过目前用gin的比较多，也推荐使用gin https://github.com/gin-gonic/gin。

godotenv是一个读取配置文章的库，可以让我们读取.env格式的配置文件，比如从配置文件里读取IP、PORT等新。不过目前配置文件还是推荐YAML和TOML，对应的第三方库是：

gopkg.in/yaml.v21 https://github.com/BurntSushi/toml

TOML是我的最爱。关于Go工具包管理等知识可以参考我这篇 Go语言实战笔记（一）| Go包管理

既然要写一个区块链，那么肯定的有一个区块的实体，我们通过golang的struct来实现。

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// Block represents each 'item' in the blockchain
type Block struct {
	Index     int
	Timestamp string
	BPM       int
	Hash      string
	PrevHash  string
}

Block里包含几个字段：

1. Index 就是Block的顺序索引
2. Timestamp是生成Block的时间戳
3. BPM，作者说代表心率，每分钟心跳数
4. Hash是通过sha256生成的散列值，对整个Block数据的Hash
5. PrevHash 上一个Block的Hash，这样区块才能连在一起构成区块链

这段代码涉及到的是Struct的只是，具体可以参考我这篇文章Go语言实战笔记（七）| Go 类型

有了区块Block了，那么区块链就非常好办了。

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// Blockchain is a series of validated Blocks
var Blockchain []Block

就是这么简单，一个Block数组就是一个区块链。区块链的构成关键在于Hash和PrevHash，通过他们一个个串联起来，就是一串Block，也就是区块链。因为相互之间通过Hash和PrevHash进行关联，所以整个链很难被篡改，链越长被篡改的成本越大，因为要把整个链全部改掉才能完成篡改的目的，这样的话，其他节点验证这次篡改肯定是不能通过的。

既然关键点在于Hash，所以我们要先算出来一个Block的数据的Hash，也就是对Block里的字段进行Hash，计算出一个唯一的Hash值。

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// SHA256 hasing
func calculateHash(block Block) string {
	record := strconv.Itoa(block.Index)   block.Timestamp   strconv.Itoa(block.BPM)   block.PrevHash
	h := sha256.New()
	h.Write([]byte(record))
	hashed := h.Sum(nil)
	return hex.EncodeToString(hashed)
}

sha256是golang内置的sha256的散列标准库，可以让我们很容易的生成对应数据的散列值。从源代码看，是把Block的所有字段进行字符串拼接，然后通过sha256进行散列，散列的数据再通过hex.EncodeToString转换为16进制的字符串，这样就得到了我们常见的sha256散列值,类似这样的字符串8d969eef6ecad3c29a3a629280e686cf0c3f5d5a86aff3ca12020c923adc6c92。

Block的散列值被我们计算出来了，Block的Hash和PrevHash这两个字段搞定了，那么我们现在就可以生成一个区块了，因为其他几个字段都是可以自动生成的。

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// create a new block using previous block's hash
func generateBlock(oldBlock Block, BPM int) Block {

	var newBlock Block

	t := time.Now()

	newBlock.Index = oldBlock.Index   1
	newBlock.Timestamp = t.String()
	newBlock.BPM = BPM
	newBlock.PrevHash = oldBlock.Hash
	newBlock.Hash = calculateHash(newBlock)

	return newBlock
}

因为区块链是顺序相连的，所以我们在生成一个新的区块的时候，必须知道上一个区块，也就是源代码里的oldBlock。另外一个参数BPM就是我们需要在区块里存储的数据信息了，这里作者演示的例子是心率，我们可以换成其他业务中想要的数据。

Index是上一个区块的Index 1，保持顺序；Timestamp通过time.Now()可以得到；Hash通过calculateHash方法计算出来。这样我们就生成了一个新的区块。

在这里作者并没有使用POW（工作量证明）这类算法来生成区块，而是没有任何条件的，这里主要是为了模拟区块的生成，演示方便。

区块可以生成了，但是生成的区块是否可信，我们还得对他进行校验，不能随便生成一个区块。在比特币(BitCoin)中校验比较复杂，这里作者采用了简单模拟的方式。

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// make sure block is valid by checking index, and comparing the hash of the previous block
func isBlockValid(newBlock, oldBlock Block) bool {
	if oldBlock.Index 1 != newBlock.Index {
		return false
	}

	if oldBlock.Hash != newBlock.PrevHash {
		return false
	}

	if calculateHash(newBlock) != newBlock.Hash {
		return false
	}

	return true
}

简单的对比Index,Hash是否是正确的，并且重新计算了一遍Hash，防止被篡改。

到了这里，关于区块链的代码已经全部完成了，剩下的就是把区块链的生成、查看等包装成一个Web服务，可以通过API、浏览器访问查看。因为作者这里没有实现P2P网络，所以采用的是WEB服务的方式。

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// create handlers
func makeMuxRouter() http.Handler {
	muxRouter := mux.NewRouter()
	muxRouter.HandleFunc("/", handleGetBlockchain).Methods("GET")
	muxRouter.HandleFunc("/", handleWriteBlock).Methods("POST")
	return muxRouter
}

通过mux定义了两个Handler，URL都是/,但是对应的Method是不一样的。

GET方法通过handleGetBlockchain函数实现，用于获取区块链的信息。

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func handleGetBlockchain(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
	bytes, err := json.MarshalIndent(Blockchain, "", "  ")
	if err != nil {
		http.Error(w, err.Error(), http.StatusInternalServerError)
		return
	}
	io.WriteString(w, string(bytes))
}

Blockchain是一个[]Block，handleGetBlockchain函数的作用是把Blockchain格式化为JSON字符串，然后显示出来。io.WriteString是一个很好用的函数，可以往Writer里写入字符串。更多参考 Go语言实战笔记（十九）| Go Writer 和 Reader

‘POST'方法通过handleWriteBlock函数实现，用于模拟区块的生成。

代码语言：javascript复制

func handleWriteBlock(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
	w.Header().Set("Content-Type", "application/json")
	
	//使用了一个Mesage结构体，更方便的存储BPM
	var msg Message

    //接收请求的数据信息,类似{"BPM":60}这样的格式
	decoder := json.NewDecoder(r.Body)
	if err := decoder.Decode(&msg); err != nil {
		respondWithJSON(w, r, http.StatusBadRequest, r.Body)
		return
	}
	defer r.Body.Close()

    //控制并发，生成区块链，并且校验
	mutex.Lock()
	prevBlock := Blockchain[len(Blockchain)-1]
	newBlock := generateBlock(prevBlock, msg.BPM)

    //校验区块链
	if isBlockValid(newBlock, prevBlock) {
		Blockchain = append(Blockchain, newBlock)
		spew.Dump(Blockchain)
	}
	mutex.Unlock()

    //返回新的区块信息
	respondWithJSON(w, r, http.StatusCreated, newBlock)

}

以上代码我进行了注释，便于理解。主要是通过POST发送一个{"BPM":60}格式的BODY来添加区块，如果格式正确，那么就生成区块进行校验，合格了就加入到区块里；如果格式不对，那么返回错误信息。

用于控制并发的锁可以参考Go语言实战笔记（十七）| Go 读写锁

这个方法里有个Message结构体，主要是为了便于操作方便。

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// Message takes incoming JSON payload for writing heart rate
type Message struct {
	BPM int
}

返回的JSON信息，也被抽取成了一个函数respondWithJSON，便于公用。

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func respondWithJSON(w http.ResponseWriter, r *http.Request, code int, payload interface{}) {
	response, err := json.MarshalIndent(payload, "", "  ")
	if err != nil {
		w.WriteHeader(http.StatusInternalServerError)
		w.Write([]byte("HTTP 500: Internal Server Error"))
		return
	}
	w.WriteHeader(code)
	w.Write(response)
}

好了，快完成了,以上Web的Handler已经好了，现在我们要启动我们的Web服务了。

代码语言：javascript复制

// web server
func run() error {
	mux := makeMuxRouter()
	//从配置文件里读取监听的端口
	httpPort := os.Getenv("PORT")
	log.Println("HTTP Server Listening on port :", httpPort)
	s := &http.Server{
		Addr:           ":"   httpPort,
		Handler:        mux,
		ReadTimeout:    10 * time.Second,
		WriteTimeout:   10 * time.Second,
		MaxHeaderBytes: 1 << 20,
	}

	if err := s.ListenAndServe(); err != nil {
		return err
	}

	return nil
}

和原生的http.Server基本一样，应该比较好理解。mux其实也是一个Handler，这就是整个Handler处理链。现在我们就差一个main主函数来启动我们整个程序了。

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//控制并发的锁
var mutex = &sync.Mutex{}

func main() {
    //加载env配置文件
	err := godotenv.Load()
	if err != nil {
		log.Fatal(err)
	}

    //开启一个goroutine生成一个创世区块
	go func() {
		t := time.Now()
		genesisBlock := Block{}
		genesisBlock = Block{0, t.String(), 0, calculateHash(genesisBlock), ""}
		spew.Dump(genesisBlock)

		mutex.Lock()
		Blockchain = append(Blockchain, genesisBlock)
		mutex.Unlock()
	}()
	log.Fatal(run())

}

整个main函数并不太复杂，主要就是加载env配置文件，开启一个go协程生成一个创世区块并且添加到区块链的第一个位置，然后就是通过run函数启动Web服务。

然和一个区块链都有一个创世区块，也就是第一个区块。有了第一个区块我们才能添加第二个，第三个，第N个区块。创世区块因为是第一个区块，所以它是没有PrevHash的。

终于可以运行了，假设我们设置的PORT是8080,现在我们通过go run main.go启动这个简易的区块链程序，就可以看到控制台输出的创世区块信息。然后我们通过浏览器打开http://localhost:8080也可以看到这个区块链的信息，里面只有一个创世区块。

如果我们要新增一个区块，通过curl或者postman，向http://localhost:8080 发送body格式为{"BPM":60}的POST的信息即可。然后在通过浏览器访问http://localhost:8080查看区块链信息，验证是否已经添加成功。

到这里，整个源代码的分析已经完了，我们看下这个简易的区块链涉及到多少知识：

1. sha256散列
2. 字节到16进制转换
3. 并发同步锁
4. Web服务
5. 配置文件
6. 后向式链表
7. 结构体
8. JSON
9. ……

等等，上面的很多知识，我已经在文章中讲解或者通过以前些的文章说明，大家可以看一下，详细了解。

区块链作为一个新的分布式数据存储技术，在追踪，信用，防篡改等方便肯定可以发挥更大的作用，当然这也是一个不错的机会，这里推荐基本不错的书籍，可以更好的了解和深入学习区块链。

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