以太坊交易池源码解析
交易池概念原理
交易池工作概况：
- 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;
- 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
- 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；
- 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：
-
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。
-
初始化本地账户
pool.locals = newAccountSet(pool.signer)
- 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
-
更新交易池
pool.reset(nil, chain.CurrentBlock().Header()) -
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。
-
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) } } -
订阅链上事件消息
pool.chainHeadSub = pool.chain.SubscribeChainHeadEvent(pool.chainHeadCh) -
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：
-
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gas③：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。
-
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：
- 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
- 如果新交易替换了某个交易，从all列表中删除老交易
- 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：
- 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
- 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：
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：
- 找到由于规范链更新而作废的交易
- 给交易池设置最新的世界状态
- 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）
