比特币交易和内存池，比特币交易和内存池

我们先来看一条旧闻：

图 3-1 关于比特币内存池的旧闻

这里的比特币内存池包含尚未并入区块链的交易，因此也称为交易池。当用户使用比特币发起一笔交易时，它会通过 P2P 网络广播到各个节点，然后各个节点将这笔交易放入交易池中。然后矿工挖矿，也就是出块的时候，然后从交易池中选择一部分交易进行打包。区块生成后，相关交易从交易池中移除。因此，可以想象，当交易特别火爆时，交易数量急剧增加，但出块速度依然稳定，可能会导致交易积压，长时间无法处理。情况。

那么问题来了，既然需要选择交易的一部分进行打包，那么该选谁，不选谁呢？基于什么？很简单，比特币规定在每一笔交易中，所有输入的总和必须大于或等于所有输入的总和。注意这里大于等于！也就是说，你可以输入 101 个比特币，只能输出 100 个比特币，好吗？当然！额外的 1 比特币去哪儿了？答案是作为交易费用bitcoin交易，奖励给挖矿的矿工。回到上一个问题，矿工选择什么交易，不选择什么交易？很明显，看看哪个交易的手续费更高！

因此，朋友们，如果您希望您的交易更优惠地打包确认，请记得适当增加交易费用。目前各大交易平台都会对手续费给出一个参考值，基本上都是取平均值。那么，这笔费用是如何计算的呢？交易金额越大，手续费越高吗？胖兔告诉你，不，手续费只和交易本身的大小有关。交易规模是多少？一般来说，就是把所有的输入输出相加，总共占用多少字节。如果一次转账1000 BTC，但只使用一个UTXO，交易规模会非常小；可能你只转了1个BTC，却使用了10个UTXO，那么对不起，交易量反而会增加，极端情况下，你转的金额可能没有你要支付的手续费那么高！

图3-2 每日交易手续费走势图

上图是区块链给出的每日交易手续费走势图，截至发稿，每日总手续费为16.57个比特币。最高点出现在2017年12月22日，当天的手续费达到1495比特币！不知道比特币的价值？再看下图：

图3-3 单笔交易费用图表

这是每笔交易的平均费用，单位是美元。目前的平均费用为每笔交易 7 美元6.54 美元，高峰时为 160 美元！这个费用不便宜！

图 3-4 交易池中的交易总数

上图是比特币交易池的交易总数趋势图。现在矿池中的交易数量保持在 2700 到 2800 左右，峰值峰值出现在 2017 年 12 月，当时比特币最有价值，总交易量突破 18 万！这么多交易，交易池一定是巨大的！看下图：

图 3-5 交易池规模图

可以看到，交易池最大的时候已经达到了139M，但是和现在的电脑内存容量相比，这根本不算什么，一部手机就能轻松搞定。

好，我们进入源码时间。

交易池的代码在txmempool.h/cpp中定义，主要涉及CTxMemPoolEntry和CTxMemPool两个类。

CTxMemPoolEntry

CTxMemPoolEntry 是指交易池中的单个条目，包含交易和相关数据。数据声明部分如下：

图 3-6 CTxMemPoolEntry 数据成员

请注意，这里的所有数据成员都是私有的。所有数据都在构造函数中赋值或计算，然后只能通过类成员函数修改。

tx为交易指针，指向当前入口对应的交易。

nFee 是交易费用。

nTxWeight 是交易权重，是在 2017 年比特币引入 Segregated Witness 时添加的，未来会研究 Segregated Witness。

nUsageSize 是事务的内存使用量。这三个数据被缓存起来，方便统计计算。

nTime 是交易加入交易池的时间。

entryHeight是加入交易池时区块链的高度。

spendsCoinbase 是指交易是否花费一定的 Coinbase。所谓Coinbase就是矿工在挖矿过程中的奖励。比特币规定，所有成功挖出某个区块的矿工，除了交易手续费外，还有额外的奖励。 2009年比特币刚出现的时候，挖一个区块可以奖励50比特币，然后每4年减半，现在只有12.5比特币。

sigOpCost 为签名操作成本，即本次交易的签名需要多少条指令。关于签名脚本，我们以后会详细研究。

feeDelta为费用增量，增加的费用为nFee + feeDelta。其目的是在挖矿时调整交易优先级，所以初始化时这个值必须为0。

lockPoints 是锁定点。所谓锁点，可以是区块高度，也可以是时间，也就是说，交易只有达到一定的区块高度或者一定的时间点，才能被打包进区块。

接下来的两组数据分别对应后代事务和祖先事务。所谓后代事务，就是依赖于当前事务的后续事务。比如交易A是张三给李四10个BTC，交易B是李四拿了这10个BTC给王五8个BTC，那么交易B就是交易A的后代，交易A就是交易B的祖先。如果没有选择交易A进行打包，交易B自然要在后面等待。

nCountWithDescendants、nSizeWithDescendants 和 nModFeesWithDescendants 分别是指当前交易和所有后代交易，它们的总数、总大小和总手续费。

nCountWithAncestors、nSizeWithAncestors、nModFeesWithAncestors、nSigOpCostWithAncestors分别是指当前交易和所有后代交易，它们的总数、总大小、总手续费和总签名消耗。

CTxMemPool

交易池的实现是比特币源码中比较复杂的部分。班级宣言前有70行评论，而且都是大句子，让翻滚爬起来才英语四级的胖兔子显得很郁闷，想吐血。

因为CTxMemPool里面的数据和成员函数太多了，一一介绍太累了，就挑重点吧（瘦兔：别听他的，其实很多连胖兔自己看不懂~）。源码就不贴了，小伙伴们可以自行阅读理解。

地图发送。这是第一个重要的数据成员，也是 CTxMemPoolEntry 的集合。其数据类型为indexed_transaction_set，定义如下：

图3 -7 索引事务集合的类型声明

这使用了 boost 库的 multi_index_container，它是一个多索引容器，允许为一系列数据添加索引。容器中的元素类型为CTxMemPoolEntry，一共建了4个索引：第一，交易ID其实就是交易的hash；然后是手续费比率，也就是手续费除以交易规模，注意这里的手续费比率包括后代交易。 CompareTxMemPoolEntryByDesendantScore 是一个自定义算子，比较交易费率；三是进入交易池的时间；最后一个是包含祖先交易的交易费用比率。从上图我们可以知道，交易的最大数量可以达到18万，但是有了这四个索引bitcoin交易，在大多数情况下，搜索交易的时候，都能很快找到。

vTxHash。用于存储所有隔离见证哈希。它的类型是std::vector >，是一个向量，每个元素都是一对。 pair的第一个元素是witness hash，第二个元素类型txiter的定义是indexed_transaction_set::nth_index::type::const_iterator其实就是mapTx的第一个index的迭代器，通过它可以遍历所有的CTxMemPoolEntry，也就是遍历事务。

地图链接。用于存储与每个事务相关的父节点和子节点。它的类型是std::map，其中TxLinks 是一个包含两个数据成员，父母和孩子的结构。这两个成员的类型称为setEntries，是txiter(std::set)的集合。注意这个数据是私有的，只在类内部使用，主要是为了加快上下节点的访问速度。

mapNextTx。它的类型是indirectmap，是比特币中为了方便比较指针所指向的数据而自定义的数据类型。我们知道每笔交易的输入实际上来自于之前的输出，mapNextTx 存储了从每一个 COutPoint 到后续交易的链接。它与mapLinks的区别在于mapLinks中指向的父子交易还在交易池中，但是mapNextTx中的COutPoint可能已经写入了区块。

mapDeltas。存储的是每次交易所对应的交易手续费增量。

其他几个重要的私有数据成员，主要是：

nCheckFrequency，表示在2^32秒内，一共要检查几次交易池。

nTransactionsUpdated，当前更新了多少交易以触发挖矿操作。

minerPolicyEstimator 是一个 CBlockPolicyEstimator 类变量，用于挖矿策略评估。

totalTxSize，所有交易的大小，不包括见证数据，与交易存储时占用的大小不同。

cachedInnerUsage，所有map成员的累积元素占用的动态内存。包括mapTx、mapNextTx、mapDeltas等。

lastRollingFeeUpdate，上次调整费率的时间。

blockSinceLastRollingFeeBump，自上次调整速率后是否已生成块。

rollingMinimumFeeRate，最后调整的最低费率。

最后介绍比较重要的成员函数：

check 和 setSanityCheck，setSanityCheck 用于设置对事务池进行完整性检查的频率。 check是检查整个交易池，包括：每笔交易的输入是现有的UTXO还是交易池中其他交易的输出；每个交易输入都在 mapNextTx 中；祖先交易状态正常；可以通过 mapNextTx 找到后代交易；还要检查事务大小和内存使用情况。注意这里的check可以防止双花交易，我们知道每个输出只能作为输入一次，用完就会销毁，但是如果一个输出被使用了两次，就叫做双花-spend or double-spend，这是数字货币必须解决的问题。

addUnchecked，removeUnchecked是添加或删除新事务。

HasNoInputsOf 用于检查交易的所有输入是否不在交易池中。也就是说，所有祖先交易都被打包进了区块。

PrioritiseTransaction、ApplyDelta、ClearPrioritisation 用于调整交易优先级，一般用于挖矿。

RemoveStaged 用于从事务池中删除部分事务。这里删除的原因可能是过期、大小限制、重组、打包成块、冲突、被取代等。删除交易后，其相关祖先和后代交易中的数据将一起更新。

UpdateTransactionsFromBlock，受挖矿机制影响，有时矿工会提前挖出后面的区块，但由于没有链接到主链，这个区块中包含的交易会被放回交易池，然后他们的后代交易可能已经在交易池中，UpdateTransactionsFromBlock 会找到这些后代交易并更新相关数据。

CalculateMemPoolAncestors，CalculateDescendants，当一个事务被放入内存池时，CalculateMemPoolAncestors用于查找其所有祖先事务，CalculateDescendants查找所有后代事务。

GetMinFee 用于计算加入交易池所需的最低费用。

TrimToSize 用于调整交易池的大小，此时可能会移除部分交易（原因设置为大小限制）。

Expire 用于将所有早于指定时间的事务设置为过期。

交易池是比特币非常重要的一部分，下面的很多内容如果不啃这部分就不容易理解。嗯，这次就到这里了。下一章已经准备好开始考虑挖矿了。

本文原作者胖兔（魏兆华）首发于简书，欢迎转载，转载请注明出处。