以太坊源码分析：交易缓冲池txpool

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区块链就是何交易打交道，我们今天就介绍下，交易处理过程中的一个重要组成部分：txpool。这篇文章主要从功能角度介绍，通过这篇文章会了解：

  1. txpool的在交易中的位置和作用。
  2. txpool的功能，核心组成部分queued和pending。
  3. txpool如何实现它的功能。
  4. txpool源码的重要关注点。

以太坊内部有个重要的内部功能是txpool，从字面意思就能看出来，交易池就是存放交易的池子。它在以太坊中的位置如下图，只要有新交易，无论是本节点创建的，还是其他peer节点广播来的，都会先加入到交易池里，在打包区块的时候，就从这个池子里提取，区块产生之后，共识区块，交易上链。

txpool主图

txpool有4个功能：

  1. 作为存放交易的缓冲区，大量交易到来时，先存起来
  2. 为打包区块服务，合适交易会被打包到区块
  3. 清理交易
  4. 当交易的数量多于缓冲区大小时，过滤/惩罚发送大量交易的账户（攻击者）

我们来一张稍微详细点的模块交互图，看txpool怎么实现上面4个功能的。

txpool模块交互

缓存功能的设计

txpool中的交易分为queued和pending 2种，其中queued存放未来的、当前无法执行的交易。以太坊使用nonce值决定某个账户的交易顺序，多条交易值nonce值必须连续，如果和过去的交易不连续，则无法执行，我们不妨使用nonce值，标记交易的号码，nonce为10的交易，称为第10号交易。举个例子，当前账户的nonce是10，txpool中有该账户的第100号交易，但txpool中没有第11~99号交易，这些交易的缺失，造成第100号交易无法执行，所以第100号交易就是未来的交易、不可执行的交易，存放在queue中。

pending存放可执行的交易。比如我们把上面的1199号交易补全了，那么11100号交易都可以进入到pending，因为这些交易都是连续的，都可以打包进区块。

当节点收到交易（本地节点发起的或peer广播来的）时，会先存放到queued，txpool在某些情况下，把queued中可执行的交易，转移到pending中。

为区块打包服务

这是txpool最核心的功能，worker在打包区块的时候，会获取所有的pending交易，但这些交易还存在txpool中，worker只是读取出来，至于txpool何时删除交易，稍后从txpool清理交易的角度单独在看。

清理交易

txpool清理交易有以下几种条件，符合任意以下1条的，都是无效交易，会被从pending或者queued中移除：

  1. 交易的nonce值已经低于账户在当前高度上的nonce值，代表交易已过期，交易已经上链就属于这种情况
  2. 交易的GasLimit大于区块的GasLimit，区块容不下交易
  3. 账户的余额已不足以支持该交易要消耗的费用
  4. 交易的数量超过了queued和pending的缓冲区大小，需要进行清理

交易清理主要有3个场景：

  1. txpool订阅了ChainHeadEvent事件，该事件代表主链上有新区块产生，txpool会根据最新的区块，检查每个账号的交易，有些无效的会被删除，有些由于区块回滚会从pending移动到queued，然后把queued中可执行的交易移动到pending，为下一轮区块打包组号准备。

  2. queued交易移动到pending被称为“提升”（promote），这个过程中，同样会检查交易，当交易不符合以上条件时，就会被直接从queued中删除。

  3. 删除停留在queued中超过3小时的交易，3小时这个超时时间是可以通过geth的启动参数调整的。txpool记录了某个账户交易进入pending的时间，如果这个时间超过了3小时，代表该账号的交易迟迟不能被主链打包，既然无法被主链接受，就删除掉在queued中本来就无法执行的交易。

惩罚恶意账号

这也是txpool很重要的一个属性，可以防止恶意账户以发起大量垃圾交易。防止恶意用户造成：

  1. 占用txpool空间
  2. 浪费节点大量内存和CPU
  3. 降低打包性能

只有当交易的总数量超过缓冲区大小时，txpool才会认为有恶意账户发起大量交易。pending和queued缓冲区大小不同，但处理策略类似：

  1. pending的缓冲区容量是4096，当pending的交易数量多于此时，就会运行检查，每个账号的交易数量是否多于16，把这些账号搜集出来，进行循环依次清理，什么意思呢？就是每轮只删除（移动到queued）这些账号的每个账号1条交易，然后看数量是否降下来了，不满足再进行下一轮，直到满足。
  2. queued的缓冲区容量是1024，超过之后清理策略和pending差不多，但这里可是真删除了。

该部分功能未抽象成单独的函数，而是在promoteExecutables()中，就是在每次把queued交易转移到pending后执行的。

本地交易的特权，txpool虽然对交易有诸多限制，但如果交易是本节点的账号发起的，以上数量限制等都对他无效。所以，如果你用本节点账号不停的发送交易，并不会被认为是攻击者，你用txpool.status命令，可以查看到交易的数量，肯定可以大于4096，我曾达到过60000+。

重点关注的源码

txpool的主要设计上面就讲完了，如果你想把txpool的代码阅读一番，我建议你重点关注一下这些函数和变量，按图索骥能就完全掌握txpool的实现。

  • TxPoolConfig：txpool的配置参数
  • chainHeadCh：txpool订阅了新区块事件
  • pending：pending的交易，每个账号都有一个交易列表
  • queue：queued的交易，每个账号都有一个交易列表
  • loop：txpool的事件处理函数
  • addTx：添加1条交易的源头，你能找到类似的函数
  • promoteExecutables：queued交易移动到pending
  • reset：根据当前区块的最新高度，重置txpool中的交易

仔细阅读一遍，你会发现txpool会涉及多个锁（TxPool.mu, TxPool.all, TxPool.priced.all），所以当txpool中的交易很多时，它的性能是很低的，这也会影响到区块的打包。

  1. 如果这篇文章对你有帮助，不妨关注下我的Github，有文章会收到通知。
  2. 本文作者：大彬
  3. 如果喜欢本文，随意转载，但请保留此原文链接：http://lessisbetter.site/2018/12/11/ethereum-design-of-txpool/
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