状态管理

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本文档解释了在 go-ethereum (Geth) 实现中，以太坊的世界状态是如何被维护、修改和存储的。状态管理是跟踪以太坊区块链中的账户余额、合约代码和存储数据的一个关键组件。

有关交易执行期间状态变化的信息，请参阅 交易处理。有关智能合约执行的具体细节，请参阅 以太坊虚拟机。

以太坊状态概述

以太坊的世界状态是地址（账户）和账户状态之间的映射。它代表了区块链上所有账户的当前状态，并被维护为一个 Merkle Patricia Trie 结构，以确保数据的完整性和高效验证。

以太坊有两种类型的账户：

1. 外部拥有账户 (EOAs)：由私钥控制，拥有以太币余额。
2. 合约账户：除了余额外，还包含代码和存储。

状态 Trie 将账户地址映射到账户对象，账户对象包括：

• Nonce（EOA 的交易计数，合约的创建计数）
• Balance（以 Wei 为单位的余额）
• Storage Root（合约数据的存储 Trie 的根哈希）
• Code Hash（合约字节码的哈希）

来源：core/state/statedb.go68-79 core/types/transaction.go54-63

状态数据结构

核心状态管理依赖于几个关键数据结构：

1. StateDB：核心管理器，在状态 Trie 之上提供缓存层。
2. stateObject：表示单个以太坊账户（EOA 和合约）。
3. Trie：Merkle Patricia Trie，高效存储所有账户和存储数据。
4. Journal：记录所有状态修改，以便能够撤销更改。

来源：core/state/statedb.go79-158 core/state/state_object.go42-86 trie/trie.go38-60

StateDB：核心状态管理器

StateDB (core/state/statedb.go) 是与以太坊状态交互的主要接口。它提供了以下方法：

• 检索账户余额、nonce、代码和存储。
• 修改账户数据（更新余额、代码、存储）。
• 创建和销毁账户。
• 管理 Gas 退款。
• 跟踪状态更改以便回滚（通过 journal）。
• 在执行过程中创建中间状态根。

StateDB 提供了访问和修改账户的方法，维护内存状态对象的缓存，并协调 Trie 操作。

来源：core/state/statedb.go161-188 core/state/statedb.go294-325 core/state/statedb.go407-434

创建和使用

新的 StateDB 在每个区块处理开始时创建，通常使用前一个区块的状态根。在交易执行期间，StateDB 用于读取和修改状态。

来源：core/state/statedb.go160-188 core/state/statedb.go294-305 core/state/statedb.go407-455

账户状态对象

stateObject 结构体表示在状态转换期间被修改的以太坊账户。它包含：

stateObject 处理数据缓存和账户状态的分层更新。

• dirtyStorage：当前交易中进行的更改。
• pendingStorage：当前区块中进行的更改，但已按交易最终确定。
• uncommittedStorage：自上次提交以来的所有更改。
• originStorage：来自数据库的原始值。

来源：core/state/state_object.go42-86 core/state/state_object.go89-110

状态对象生命周期

1. 当通过 getOrNewStateObject 访问账户时创建。
2. 在交易执行期间修改。
3. 在每次交易后进行最终确定（finalise）。
4. 在区块完成时提交（commit）。

在此过程中，状态对象会跟踪原始值、待定更改，并确保所有修改都可以通过状态根进行验证。

来源：core/state/statedb.go610-627 core/state/state_object.go274-287

状态存储管理

以太坊智能合约将数据存储在键值存储中，称为存储。每个合约都有自己的存储 Trie，其根存储在账户对象中。

合约存储操作通过以下几种方法进行管理：

• GetState/SetState：读取和写入存储值。
• GetCommittedState：获取存储值，不考虑未提交的更改。
• updateTrie/updateRoot：将待定更改刷新到存储 Trie。

来源：core/state/state_object.go170-208 core/state/state_object.go210-234 core/state/state_object.go282-316

状态更改日志

Journal（core/state/journal.go）记录交易执行期间的所有状态更改，以便能够恢复到之前的状态。这对于处理交易失败、Gas 不足以及创建快照至关重要。

日志系统支持：

1. 快照：通过 Snapshot() 创建恢复点。
2. 回滚：通过 RevertToSnapshot() 回滚更改。
3. 操作跟踪：按类型记录所有状态修改。

来源：core/state/statedb.go711-718 core/state/journal.go

状态转换和最终确定

当交易执行时，它们通过 StateDB 修改状态。该过程遵循几个阶段：

1. 交易执行：通过 StateDB 方法修改账户。
2. 最终确定：每笔交易后，调用 Finalise() 以便为下一笔交易做准备。
3. 中间根计算：通过 IntermediateRoot() 生成 Trie 根哈希。
4. 区块提交：在区块结束时，通过 Commit() 创建最终状态。

Finalise 方法负责处理交易后的清理工作：

• 将自毁对象标记为待删除。
• 使用待定更改更新存储 Trie。
• 为下一笔交易准备对象。

来源： core/state/statedb.go728-766 core/state/statedb.go771-917

状态提交与持久化

当一个区块被确定时，所有状态更改必须被提交到持久存储。这分几个步骤完成：

1. StateDB 上的 Commit 方法将所有状态对象最终确定
2. 存储树被递归地更新并提交
3. 账户数据被序列化并存储在状态树中
4. 新的状态根被计算并返回
5. 底层数据库提交树节点

提交过程确保所有状态更改都被持久存储，并且可以通过新的状态根哈希进行引用。

来源： core/state/state_object.go418-452 core/state/statedb.go771-917 trie/trie.go

性能优化

Go-ethereum 实现了多种状态管理的优化技术

1. 缓存：账户和存储的内存缓存，以减少数据库读取
2. 批量处理：将数据库写入分组，以提高 I/O 性能
3. 预取：预测数据需求并提前加载节点
4. 修剪：删除过时的状态以减少存储需求

预取器

Trie 预取器（StateDB 中的 prefetcher）通过以下方式优化 Trie 节点检索：

• 预加载可能很快需要的节点
• 降低状态访问操作的延迟
• 批量请求节点以最小化数据库开销

来源： core/state/statedb.go190-223 core/state/statedb.go771-907

状态数据库存储

状态数据最终存储在分层数据库结构中

这种架构提供了：

• 通过内存缓存快速访问最近状态
• 历史状态的持久存储
• 高效的修剪和归档机制

来源： core/state/database.go trie/trie.go ethdb/database.go core/rawdb/database.go

结论

Geth 中的状态管理通过一套复杂的 Trie、缓存和日志系统来维护以太坊的世界状态。这种架构平衡了几个关键要求：

1. 正确性：确保状态转换遵循以太坊规则
2. 性能：在高吞吐量环境中进行优化以提高速度
3. 持久性：可靠地持久化状态更改
4. 内存效率：最小化资源需求

StateDB 提供了该复杂系统的干净接口，抽象了底层的 Trie 操作和数据库交互，同时提供了对当前状态的一致视图。

来源： core/state/statedb.go core/state/state_object.go trie/trie.go