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一顿饭的时间就可以看懂!以太坊源码分析之txpool

2021-1-14 17:55

交易池概念原理


交易池工作概况:

一顿饭的时间就可以看懂!以太坊源码分析之txpool

  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 复制代码

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)

③: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

④:更新交易池
   pool.reset(nil, chain.CurrentBlock().Header())

⑤: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。

⑥: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)   		}   	}

⑦:订阅链上事件消息
   pool.chainHeadSub = pool.chain.SubscribeChainHeadEvent(pool.chainHeadCh)

⑧: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,先用一张简图说明一下:

一顿饭的时间就可以看懂!以太坊源码分析之txpool


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		}

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 !local && pool.priced.Underpriced(tx, pool.locals) {			...		}		drop := pool.priced.Discard(pool.all.Count()-int(pool.config.GlobalSlots+pool.config.GlobalQueue-1), pool.locals)		for _, tx := range drop {			...			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。

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:先看张图:

一顿饭的时间就可以看懂!以太坊源码分析之txpool


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,addTx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 {	...	}

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;

到此为止交易降级结束。

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。

reset的调用时机如下:
  1. TxPool初始化的过程:NewTxPool;
  2. TxPool事件监听go程收到规范链更新事件

流程图如下:

一顿饭的时间就可以看懂!以太坊源码分析之txpool


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:如果老区块头不为空 且老区块头不是新区块的父区块,说明新老区块不在一条链上
if oldHead != nil && oldHead.Hash() != newHead.ParentHash {}

②:如果新头区块和旧头区块相差大于64,则所有交易不必回退到交易池
if depth := uint64(math.Abs(float64(oldNum) - float64(newNum))); depth > 64 {  log.Debug("Skipping deep transaction reorg", "depth", depth)}

③:如果旧链的头区块大于新链的头区块高度,旧链向后退并回收所有回退的交易
for rem.NumberU64() > add.NumberU64() {				discarded = append(discarded, rem.Transactions()...)				if rem = pool.chain.GetBlock(rem.ParentHash(), rem.NumberU64()-1); rem == nil {					log.Error("Unrooted old chain seen by tx pool", "block", oldHead.Number, "hash", oldHead.Hash())					return				}			}

④:如果新链的头区块大于旧链的头区块,新链后退并回收交易
for add.NumberU64() > rem.NumberU64() {				included = append(included, add.Transactions()...)				if add = pool.chain.GetBlock(add.ParentHash(), add.NumberU64()-1); add == nil {					log.Error("Unrooted new chain seen by tx pool", "block", newHead.Number, "hash", newHead.Hash())					return				}			}

⑤:当新旧链到达同一高度的时候同时回退,知道找到共同的父节点
for rem.Hash() != add.Hash() {				discarded = append(discarded, rem.Transactions()...)				if rem = pool.chain.GetBlock(rem.ParentHash(), rem.NumberU64()-1); rem == nil {					log.Error("Unrooted old chain seen by tx pool", "block", oldHead.Number, "hash", oldHead.Hash())					return				}				included = append(included, add.Transactions()...)				if add = pool.chain.GetBlock(add.ParentHash(), add.NumberU64()-1); add == nil {					log.Error("Unrooted new chain seen by tx pool", "block", newHead.Number, "hash", newHead.Hash())					return				}			} 

⑥:给交易池设置最新的世界状态
statedb, err := pool.chain.StateAt(newHead.Root)	if err != nil {		log.Error("Failed to reset txpool state", "err", err)		return	}	pool.currentState = statedb	pool.pendingNonces = newTxNoncer(statedb)	pool.currentMaxGas = newHead.GasLimit

⑦:把旧链回退的交易放入交易池
senderCacher.recover(pool.signer, reinject)pool.addTxsLocked(reinject, false)

到此整个reset的流程就结束了。


作者:mindcarver
链接:https://juejin.cn/post/6910025753119686670
来源:掘金

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