谈到区块链的存储，我们很容易联想到它的链式存储结构，然而区块链从比特币发展到今日当红的EOS，技术形态已经演化了10年之久。目前的EOS的存储除了确认结构的链式存储以外，在状态存储方面有了很大的进步，尤其是引入了MongoDB plugin以后，可以将功能有限的状态库搭上大数据的班车。
本文将全面介绍EOS的存储技术：
EOS 存储，Merkle Tree，mongodb，chainbase，源码学习，context_free_actions
EOS的链式存储结构
EOS的区块数据结构如下：
Merkle Tree
默克尔树的演化路线是 Hash => Hash Tree => Merkle Tree ，他们都是为解决数据一致性而存在的，具体的含义如下：
Hash
是我们都熟知的技术了，它可以为一个文件或其他数据生成一个Hash值，我们在下载一个文件时，通常会在下载页面看到这个文件的Hash值以及该Hash值的算法，下载完毕以后，我们可以在本地对整个文件进行同样的Hash算法得到Hash值，然后与网页上的Hash值进行对比，如果相同，则说明文件完整，是网页上的源文件，如果不匹配则说明文件损坏，被修改或者不完整。
仍旧是文件完整性的校验需求，当这个文件特别大的时候，对这个文件进行Hash算法是能耗巨大的，所以可以将文件切割成很多的小块，每一个小块都有一个Hash，然后将所有小块的Hash值拼在一起再次进行Hash算法得到的就是Root Hash。这样一来，我们在下载大文件的时候，会先下载一个包含Root Hash的Hash list，通过校验Root Hash可以确定Hash list的正确性，确定Hash list正确以后，再逐个下载小块文件并逐一验证Hash，当发现某个小块Hash不匹配的时候，就可以单独重新下载该小块即可，而不必重新下载全部。Hash list的结构实际上是一个Root Hash 为根，小块Hashs为叶子节点的树高为2的Hash Tree。
Merkle Tree
实际上是对Hash List的优化，它极大的提高了性能。它的结构是一个二叉树（也可以是多叉树，性能优化的关键点是它的高度是大于等于2的），每个节点最多只有两个子节点，只有叶节点是根据小块文件做的Hash，每两个相邻的叶节点的父节点是由这两个Hash做的父Hash，如果叶节点的总数是单数，则会剩余一个，逐级而上，最终会有一个的根节点，这个根节点就是Merkle Root。这样以来，我们在下载大文件的时候，会首先下载一个Merkle Tree，从最左下叶节点进行校验，逐级而上，将整个Merkle Tree校验完毕。这里面不同于上面Hash Tree的是，只要最左下相邻的两个叶节点的Hash值与他们的父节点的Hash通过了匹配，则可以立即开始下载这两个叶节点对应的文件块，并行地，再校验其他叶节点，这就提高了性能，不必校验完整的Merkle Tree之后再下载文件。
Merkle Tree 与 区块链
上面的区块数据结构中包含了两个与Merkle Tree相关的字段：
transaction_mroot
，一个区块中的transactions字段可以包含多笔交易，区块中的transaction_mroot是所有该区块内打包的交易的Merkle Root，可以用来校验其中的每笔交易的正确性。如果该区块中不包含任何交易，则该字段的值为0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000。节点同步数据的时候，会先将交易的Merkle Tree下载并通过Merkle Root来校验，而不是将所有的交易主体全部下载下来，这样可以节省轻节点的数据量。
action_mroot
，创建一个基于所有分发的action的根，在区块内接收交易时进行评估。用在轻客户端的校验，功能同上。
action_mroot是始终有值的，哪怕transaction_mroot是0，这是因为出块本身也是一个action动作onblock，这个动作调用的是system合约的onblock函数。TODO：源码分析
signed_transaction get_on_block_transaction()
{
action on_block_act;
on_block_act.account = config::system_account_name;
on_block_act.name = N(onblock);
on_block_act.authorization = vector{{config::system_account_name, config::active_name}};
on_block_act.data = fc::raw::pack(self.head_block_header());
signed_transaction trx;
trx.actions.emplace_back(std::move(on_block_act));
trx.set_reference_block(self.head_block_id());
trx.expiration = self.pending_block_time() + fc::microseconds(999'999); // Round up to nearest second to avoid appearing expired
return trx;
}
context_free_actions
通过对eosio.null账户的nouce动作，可以将无签名的数据打包进入context_free_action字段，结果区块信息如下：
evsward@evsward-TM1701:~/work/src/github.com/eos/tutorials/bios-boot-tutorial$ cleos --wallet-url http://127.0.0.1:6666 --url http://127.0.0.1:8000 get block 440
{
"timestamp": "2018-08-14T08:47:09.000",
"producer": "eosio",
"confirmed": 0,
"previous": "000001b760e4a6610d122c5aa5d855aa49e29f3052ac3e40b9e1ef78e0f1fd02",
"transaction_mroot": "32cb43abd7863f162f4d8f3ab9026623ea99d3f8261d2c8b4d8bf920ab97e3d1",
"action_mroot": "09afeaf40d6988a14e9e92817d2ccf4023b280075c99f13782a6535ccc58cbb0",
"schedule_version": 0,
"new_producers": null,
"header_extensions": [],
"producer_signature": "SIG_K1_K2eFDzbxCg3hmQzpzPuLYmiesrciPmTHdeNsQDyFgcHUMFeMC3PntXTqiup5VuNmyb7qmH18FBdMuNKsc7jgCm1TSPFbaj",
"transactions": [{
"status": "executed",
"cpu_usage_us": 290
,
"net_usage_words": 16,
"trx": {
"id": "d74843749d1e255f13572b7a3b95af9ddd6df23d1d0ad19d88e1496091d4be2b",
"signatures": [
"SIG_K1_KVzwg3QRH6ZmempNsvAxpPQa42hF4tDpV5cqwqo7EY4oSU7NMrEFwG7gdSDCnUHHhmH1EwtVAmV1z9bqtTvvQNSXiSgaWG"
],
"compression": "none",
"packed_context_free_data": "",
"context_free_data": [],
"packed_trx": "8497725bb601973ea96f0000000100408c7a02ea3055000000000085269d000706686168616861010082c95865ea3055000000000000806b010082c95865ea305500000000a8ed3232080000000000d08cf200",
"transaction": {
"expiration": "2018-08-14T08:49:08",
"ref_block_num": 438,
"ref_block_prefix": 1873362583,
"max_net_usage_words": 0,
"max_cpu_usage_ms": 0,
"delay_sec": 0,
"context_free_actions": [{
"account": "eosio.null",
"name": "nonce",
"authorization": [],
"data": "06686168616861"
}
],
"actions": [{
"account": "eosiotesta1",
"name": "hi",
"authorization": [{
"actor": "eosiotesta1",
"permission": "active"
}
],
"data": {
"user": "yeah"
},
"hex_data": "0000000000d08cf2"
}
],
"transaction_extensions": []
}
}
}
],
"block_extensions": [],
"id": "000001b8d299602b289a9194bd698476c5d39c5ad88235460908e9d43d04edc8",
"block_num": 440,
"ref_block_prefix": 2492570152
}
正常的actions的内容是hi智能合约的调用，而context_free_action中包含了无签名的data数据，是已做数字摘要后的形态。源码中的操作：
("context_free_actions", fc::variants({
fc::mutable_variant_object()
("account", name(config::null_account_name))
("name", "nonce")
("data", fc::raw::pack(v))
})
);
EOS的StateDB
我们来设想一个场景：
A账户转账给B账户100个SYS，如何查看A账户的余额？
对于不知道以上动作何时发生的我们来讲，我们要如何做呢：
1、首先是从头扫描区块内的交易，交易内的action，直到找到A账户被创建的action所对应的区块号。
2、从这个区块号开始继续扫描，要将所有A账户的转账，包括收入和支出的所有action记录下来并统计。
3、算出A的当前余额。
以上步骤很容易出错且繁琐，每一次的余额查询都要重复这些操作实在是毫无意义，因此StateDB就诞生了，这个库顾名思义就是用来存储状态数据的，如果有了StateDB，上面的场景的解决办法就是：
从A账户被第一次收入SYS开始，为A账户在StateDB中建立一个table，存储A账户的余额，每当A账户发生转账的action，都会同步更新StateDB中相关table中A账户的余额的值，当我们需要知道A账户的余额时，我们可以直接查找这个余额state即可。
测试用例
这里为大家提供一个测试方法，也是我的命令history：
cleos create key
cleos wallet import 5JA9oDotJHoKnjUV6NrAMx4g5gWTCVCRLybTnG1XVU3EKGZZeNY
cleos wallet import
cleos wallet keys
cleos wallet import
cleos wallet keys
cleos create account eosio usertesta1 EOS761KfjhYy3FSypZGG5hePrR8K2wzmw75JCDXgypKt2DLXZoZPW
cleos create account eosio eosio.token EOS761KfjhYy3FSypZGG5hePrR8K2wzmw75JCDXgypKt2DLXZoZPW
cleos set contract eosio.token work/src/github.com/eos/build/contracts/eosio.token/
cleos push action eosio.token create '["eosio","100000000.0000 SYS"]'
cleos push action eosio.token issue
cleos push action eosio.token issue '["usertesta1","10000000.0000 SYS"]' -p eosio.token
cleos push action eosio.token issue '["usertesta1","10000000.0000 SYS"]' -p eosio
cleos get currency balance eosio.token usertesta1
cleos get table eosio.token usertesta1 accounts
cleos get table eosio.token eosio accounts
可以看到当我想获得usertesta1账户的余额时，是通过查询StateDB的table来获取的，而不是最开始的那种扫块的笨方法。
链式存储和StateDB存储的区别
链式存储，存储的是固定结构的数据：Block=> Block Header/ transactions=>actions，一个action的结构例子：
{
"account": "eosiotesta1",
"name": "hi",
"authorization": [{
"actor": "eosiotesta1",
"permission": "active"
}],
"data": {
"user": "yeah"
},
"hex_data": "0000000000d08cf2"
}
这个例子中，我们调用了hello合约的hi函数，data传入的格式是hi函数中自定义的，所以在链式存储中，留给我们发挥的空间也即在此。
StateDB
