以太坊交易池源码分析

交易池概念原理

交易池工作概况:

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  1. 交易池的数据来源主要来自:
    • 本地提交,也就是第三方应用通过调用本地以太坊节点的RPC服务所提交的交易;
    • 远程同步,是指通过广播同步的形式,将其他以太坊节点的交易数据同步至本地节点;
  2. 交易池中交易去向:被Miner模块获取并验证,用于挖矿;挖矿成功后写进区块并被广播
  3. Miner取走交易是复制,交易池中的交易并不减少。直到交易被写进规范链后才从交易池删除;
  4. 交易如果被写进分叉,交易池中的交易也不减少,等待重新打包。

关键数据结构

TxPoolConfig

type TxPoolConfig struct {
    
	Locals    []common.Address // 本地账户地址存放
	NoLocals  bool             // 是否开启本地交易机制
	Journal   string           // 本地交易存放路径
	Rejournal time.Duration    // 持久化本地交易的间隔

	PriceLimit uint64         // 价格超出比例,若想覆盖一笔交易的时候,若价格上涨比例达不到要求,那么不能覆盖
  
	PriceBump  uint64 // 替换现有交易的最低价格涨幅百分比(一次)

	AccountSlots uint64 // 每个账户的可执行交易限制
	GlobalSlots  uint64 // 全部账户最大可执行交易
	AccountQueue uint64 // 单个账户不可执行的交易限制
	GlobalQueue  uint64 // 全部账户最大非执行交易限制
  
	Lifetime time.Duration // 一个账户在queue中的交易可以存活的时间
}

默认配置:

Journal:   "transactions.rlp",
Rejournal: time.Hour,

PriceLimit: 1,
PriceBump:  10,

AccountSlots: 16,
GlobalSlots:  4096,
AccountQueue: 64,
GlobalQueue:  1024,

Lifetime: 3 * time.Hour

TxPool

type TxPool struct {
    
	config      TxPoolConfig // 交易池配置
	chainconfig *params.ChainConfig // 区块链配置
	chain       blockChain // 定义blockchain接口
	gasPrice    *big.Int
	txFeed      event.Feed //时间流
	scope       event.SubscriptionScope // 订阅范围
	signer      types.Signer //签名
	mu          sync.RWMutex

	istanbul bool // Fork indicator whether we are in the istanbul stage.

	currentState  *state.StateDB // 当前头区块对应的状态
	pendingNonces *txNoncer      // Pending state tracking virtual nonces
	currentMaxGas uint64         // Current gas limit for transaction caps

	locals  *accountSet // Set of local transaction to exempt from eviction rules
	journal *txJournal  // Journal of local transaction to back up to disk

	pending map[common.Address]*txList   // All currently processable transactions
	queue   map[common.Address]*txList   // Queued but non-processable transactions
	beats   map[common.Address]time.Time // Last heartbeat from each known account
	all     *txLookup                    // All transactions to allow lookups
	priced  *txPricedList                // All transactions sorted by price

	chainHeadCh     chan ChainHeadEvent
	chainHeadSub    event.Subscription
	reqResetCh      chan *txpoolResetRequest
	reqPromoteCh    chan *accountSet
	queueTxEventCh  chan *types.Transaction
	reorgDoneCh     chan chan struct{
    }
	reorgShutdownCh chan struct{
    }  // requests shutdown of scheduleReorgLoop
	wg              sync.WaitGroup // tracks loop, scheduleReorgLoop
}

txpool初始化

Txpool初始化主要做了以下几件事:

  1. 检查配置 配置有问题则用默认值填充

    config = (&config).sanitize()
    

    对于这部分的检查查看TxPoolConfig的字段。

  2. 初始化本地账户

pool.locals = newAccountSet(pool.signer)
  1. 将配置的本地账户地址加到交易池
pool.locals.add(addr)

我们在安装以太坊客户端往往可以指定一个数据存储目录,此目录便会存储着所有我们导入的或者通过本地客户端创建的帐户keystore文件。而这个加载过程便是从该目录加载帐户数据

  1. 更新交易池

    pool.reset(nil, chain.CurrentBlock().Header())
    
  2. 创建所有交易存储的列表,所有交易的价格用最小堆存放

    pool.priced = newTxPricedList(pool.all)
    

    通过排序,优先处理gasprice越高的交易。

  3. 如果本地交易开启 那么从本地磁盘加载本地交易

    if !config.NoLocals && config.Journal != "" {
          
    		pool.journal = newTxJournal(config.Journal)
    
    		if err := pool.journal.load(pool.AddLocals); err != nil {
          
    			log.Warn("Failed to load transaction journal", "err", err)
    		}
    		if err := pool.journal.rotate(pool.local()); err != nil {
          
    			log.Warn("Failed to rotate transaction journal", "err", err)
    		}
    	}
    
  4. 订阅链上事件消息

    pool.chainHeadSub = pool.chain.SubscribeChainHeadEvent(pool.chainHeadCh)
    
  5. 开启主循环

    go pool.loop()
    

注意:local交易比remote交易具有更高的权限,一是不轻易被替换;二是持久化,即通过一个本地的journal文件保存尚未打包的local交易。所以在节点启动的时候,优先从本地加载local交易。

本地地址会被加入白名单,凡由此地址发送的交易均被认为是local交易,不论是从本地递交还是从远端发送来的。

到此为止交易池加载过程结束。

添加交易到txpool

之前我们说过交易池中交易的来源一方面是其他节点广播过来的,一方面是本地提交的,追根到源代码一个是AddLocal,一个是AddRemote,不管哪个都会调用addTxs。我们对添加交易的讨论就会从这个函数开始,它主要做了以下几件事:

  1. 过滤池中已经存在的交易

    if pool.all.Get(tx.Hash()) != nil {
          
      errs[i] = fmt.Errorf("known transaction: %x", tx.Hash())
    			knownTxMeter.Mark(1)
    			continue
    		}
    
  2. 将交易添加到队列中

    newErrs, dirtyAddrs := pool.addTxsLocked(news, local)
    
    进入到addTxsLocked函数中:
    replaced, err := pool.add(tx, local)
    

    进入到 pool.add函数中,这个add函数相当重要,它是将交易添加到queue中,等待后面的promote,到pending中去。如果在queue或者pending中已经存在,并且它的gas price更高时,将覆盖之前的交易。下面来拆开的分析一下add 这个函数。

    ①:看交易是否收到过,如果已经收到过就丢弃

    if pool.all.Get(hash) != nil {
    		log.Trace("Discarding already known transaction", "hash", hash)
    		knownTxMeter.Mark(1)
    		return false, fmt.Errorf("known transaction: %x", hash)
    	}
    

    ②:如果交易没通过验证也要丢弃,这里的重点是验证函数:

    validateTx: 主要做了以下几件事
    - 交易大小不能超过32kb
    - 交易金额不能为负
    - 交易gas值不能超出当前交易池设定的gaslimit
    - 交易签名必须正确
    - 如果交易为远程交易,则需验证其gasprice是否小于交易池gasprice最小值,如果是本地,优先打包,不管gasprice
    - 判断当前交易nonce值是否过低
    - 交易所需花费的转帐手续费是否大于帐户余额  cost == V + GP * GL
    - 判断交易花费gas是否小于其预估花费gas
    

    ③:如果交易池已满,丢弃价格过低的交易

    if uint64(pool.all.Count()) >= pool.config.GlobalSlots+pool.config.GlobalQueue {
          
    		// If the new transaction is underpriced, don't accept it
    		if !local && pool.priced.Underpriced(tx, pool.locals) {
          
    			log.Trace("Discarding underpriced transaction", "hash", hash, "price", tx.GasPrice())
    			underpricedTxMeter.Mark(1)
    			return false, ErrUnderpriced
    		}
    		// New transaction is better than our worse ones, make room for it
    		drop := pool.priced.Discard(pool.all.Count()-int(pool.config.GlobalSlots+pool.config.GlobalQueue-1), pool.locals)
    		for _, tx := range drop {
          
    			log.Trace("Discarding freshly underpriced transaction", "hash", tx.Hash(), "price", tx.GasPrice())
    			underpricedTxMeter.Mark(1)
    			pool.removeTx(tx.Hash(), false)
    		}
    	}
    

    注意这边的GlobalSlots和GlobalQueue ,就是我们说的pending和queue的最大容量,如果交易池的交易数超过两者之和,就要丢弃价格过低的交易。

    ④:判断当前交易在pending队列中是否存在nonce值相同的交易。存在则判断当前交易所设置的gasprice是否超过设置的PriceBump百分比,超过则替换覆盖已存在的交易,否则报错返回替换交易gasprice过低,并且把它扔到queue队列中(enqueueTx)。

    if list := pool.pending[from]; list != nil && list.Overlaps(tx) {
          
    		// Nonce already pending, check if required price bump is met
    		inserted, old := list.Add(tx, pool.config.PriceBump)
    		if !inserted {
          
    			pendingDiscardMeter.Mark(1)
    			return false, ErrReplaceUnderpriced
    		}
    		// New transaction is better, replace old one
    		if old != nil {
          
    			pool.all.Remove(old.Hash())
    			pool.priced.Removed(1)
    			pendingReplaceMeter.Mark(1)
    		}
    		pool.all.Add(tx)
    		pool.priced.Put(tx)
    		pool.journalTx(from, tx)
    		pool.queueTxEvent(tx)
    		log.Trace("Pooled new executable transaction", "hash", hash, "from", from, "to", tx.To())
    		return old != nil, nil
    	}
    	// New transaction isn't replacing a pending one, push into queue
    	replaced, err = pool.enqueueTx(hash, tx)
    

    添加交易的流程就到此为止了。接下来就是如何把queue(暂时不可执行)中添加的交易扔到pending(可执行交易)中,速成promote。

  3. 提升交易

    提升交易主要把交易从queue扔到pending中,我们在接下来的里面重点讲

    done := pool.requestPromoteExecutables(dirtyAddrs)
    

交易升级

promoteExecutables将future queue中的交易移动到pending中,同时也会删除很多无效交易比如nonce低或者余额低等等,主要分以下步骤:

①:将所有queue中nonce低于账户当前nonce的交易从all里面删除

forwards := list.Forward(pool.currentState.GetNonce(addr))
		for _, tx := range forwards {
    
			hash := tx.Hash()
			pool.all.Remove(hash)
			log.Trace("Removed old queued transaction", "hash", hash)
		}

②:将所有queue中花费大于账户余额 或者gas大于限制的交易从all里面删除

drops, _ := list.Filter(pool.currentState.GetBalance(addr), pool.currentMaxGas)
		for _, tx := range drops {
    
			hash := tx.Hash()
			pool.all.Remove(hash)
			log.Trace("Removed unpayable queued transaction", "hash", hash)
		}

③:将所有可执行的交易从queue里面移到pending里面(proteTx)

注:可执行交易:将pending里面nonce值大于等于账户当前状态nonce的且nonce连续的几笔交易作为准备好的交易

readies := list.Ready(pool.pendingNonces.get(addr))
		for _, tx := range readies {
    
			hash := tx.Hash()
			if pool.promoteTx(addr, hash, tx) {
    
				log.Trace("Promoting queued transaction", "hash", hash)
				promoted = append(promoted, tx)
			}
		}

重点就是 promoteTx的处理,这个方法与add的不同之处在于,add是获得到的新交易插入pending,而promoteTx是将queue列表中的Txs放入pending接下来我们先看看里面是如何来处理的:

inserted, old := list.Add(tx, pool.config.PriceBump)
	if !inserted {
    
		// An older transaction was better, discard this
		// 老的交易更好,删除这个交易
		pool.all.Remove(hash)
		pool.priced.Removed(1)

		pendingDiscardMeter.Mark(1)
		return false
	}
	// Otherwise discard any previous transaction and mark this
	// 现在这个交易更好,删除旧的交易
	if old != nil {
    
		pool.all.Remove(old.Hash())
		pool.priced.Removed(1)

		pendingReplaceMeter.Mark(1)
	} else {
    
		// Nothing was replaced, bump the pending counter
		pendingGauge.Inc(1)
	}

主要就做了这几件事:

  1. 将交易插入pending中,如果待插入的交易nonce在pending列表中存在,那么待插入的交易gas price大于或等于原交易价值的110%(跟pricebump设定有关)时,替换原交易
  2. 如果新交易替换了某个交易,从all列表中删除老交易
  3. 最后更新一下all列表

经过proteTx之后,要扔到pending的交易都放在了promoted []*types.Transaction中,再回到promoteExecutables中,继续下面步骤:

④:如果非本地账户queue大于限制(AccountQueue),从最后取出nonce较大的交易进行remove

if !pool.locals.contains(addr) {
			caps = list.Cap(int(pool.config.AccountQueue))
			for _, tx := range caps {
				hash := tx.Hash()
				pool.all.Remove(hash)
			...
		}

⑤:最后如果队列中此账户的交易为空则删除此账户

if list.Empty() {
    
			delete(pool.queue, addr)
		}

到此我们的升级交易要做的事情就完毕了。


交易降级

交易降级的几个场景:

  1. 出现了新的区块,将会从pending中移除出现在区块中的交易到queue中
  2. 或者是另外一笔交易(gas price 更高),则会从pending中移除到queue中

关键函数:demoteUnexecutables,主要做的事情如下:

①:遍历pending中所有地址对应的交易列表

for addr, list := range pool.pending {
    
  ...}

②:删除所有认为过旧的交易(low nonce)

olds := list.Forward(nonce)
		for _, tx := range olds {
    
			hash := tx.Hash()
			pool.all.Remove(hash)
			log.Trace("Removed old pending transaction", "hash", hash)
		}

③:删除所有费用过高的交易(余额低或用尽),并将所有无效者送到queue中以备后用

drops, invalids := list.Filter(pool.currentState.GetBalance(addr), pool.currentMaxGas)
		for _, tx := range drops {
    
			hash := tx.Hash()
			log.Trace("Removed unpayable pending transaction", "hash", hash)
			pool.all.Remove(hash)
		}
		pool.priced.Removed(len(olds) + len(drops))
		pendingNofundsMeter.Mark(int64(len(drops)))

		for _, tx := range invalids {
    
			hash := tx.Hash()
			log.Trace("Demoting pending transaction", "hash", hash)
			pool.enqueueTx(hash, tx)
		}

④:如果交易前面有间隙,将后面的交易移到queue中

if list.Len() > 0 && list.txs.Get(nonce) == nil {
    
			gapped := list.Cap(0)
			for _, tx := range gapped {
    
				hash := tx.Hash()
				log.Error("Demoting invalidated transaction", "hash", hash)
				pool.enqueueTx(hash, tx)
			}
			pendingGauge.Dec(int64(len(gapped)))
		}

注:间隙的出现通常是因为交易余额问题导致的。假如原规范链A 上交易m花费10,分叉后该账户又在分叉链B发出一个交易m花费20,这就导致该账户余额本来可以支付A链上的某笔交易,但在B链上可能就不够了。这个余额不足的交易在B如果是n+3,那么在A链上n+2,n+4号交易之间就出现了空隙,这就导致从n+3开始往后所有的交易都要降级;

到底交易降级结束。


重置交易池


重置交易池将检索区块链的当前状态(主要由于更新导致链状态变化),并确保交易池的内容对于链状态而言是有效的。

流程图如下:

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根据上面流程图,主要功能是由于规范链的更新,重新整理交易池:

  1. 找到由于规范链更新而作废的交易
  2. 给交易池设置最新的世界状态
  3. 把旧链退回的交易重新放入交易池

参考:

https://github.com/mindcarver/blockchain_guide (很优秀的区块链开源学习营地)

https://learnblockchain.cn/2019/06/03/eth-txpool/#%E6%B8%85%E7%90%86%E4%BA%A4%E6%98%93%E6%B1%A0

https://blog.csdn.net/lj900911/article/details/84825739

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转载自blog.csdn.net/pulong0748/article/details/109103562