C++實現(xiàn)比特幣系統(tǒng)的源碼
更新時間：2021年01月20日 09:41:30 作者：東大大數(shù)據(jù)組Zzzcg
這篇文章主要介紹了C++實現(xiàn)比特幣系統(tǒng)的源碼,本文給大家介紹的非常詳細(xì)，對大家的學(xué)習(xí)或工作具有一定的參考借鑒價值，需要的朋友可以參考下
這是我最近寫的一個近乎于完整的模擬比特幣的代碼，實際上還不夠完整，不過已經(jīng)能實現(xiàn)打包交易進(jìn)入?yún)^(qū)塊，然后挖礦了。這個程序是只有一個節(jié)點在挖礦，所以暫時也不涉及分布式系統(tǒng)的東西，還算比較簡單容易理解。這個程序就是整個網(wǎng)絡(luò)中一個節(jié)點的視角。分享出來希望對大家有所幫助。
部署過程就是把代碼統(tǒng)統(tǒng)貼過去，要注意的就是代碼中有兩個文件的路徑，要手動改一下，代碼中有兩個文件的路徑，要手動改一下，代碼中有兩個文件的路徑，要手動改一下，重要的事情說三遍，然后就可以運行，觀察比特幣挖礦過程啦！有問題歡迎提問。
Blockchain.h這個沒什么說的，創(chuàng)建一個區(qū)塊鏈類
#pragma once
#include"Block.h"
#include<vector>//向量庫
class Blockchain
{
public:
Blockchain();//默認(rèn)構(gòu)造函數(shù)
void AddBlock(Block bNew);//增加區(qū)塊函數(shù)
uint32_t _nDifficulty;//難度值
vector<Block> _vChain;//保存區(qū)塊的變量
Block _GetLastBlock() const;//獲取最新的區(qū)塊，由const關(guān)鍵字，表示輸出的內(nèi)容不可更改
};
Blockchain.cpp修改難度值在這里修改Blockchain的構(gòu)造函數(shù)中的nDifficulty就可以了。
#include"Blockchain.h"
Blockchain::Blockchain()
{
_vChain.emplace_back(Block(0, "Genesis Block"));
_nDifficulty = 4;//難度值設(shè)置3基本上秒出結(jié)果，4可以看出差距，5大約要等2分鐘左右。
}
void Blockchain::AddBlock(Block bNew)
{
bNew.sPrevHash = _GetLastBlock().GetHash();
bNew.MineBlock(_nDifficulty);
_vChain.push_back(bNew);
bNew.WriteBlcokToTXT();//調(diào)用區(qū)塊類中的寫文件方法
}
Block Blockchain::_GetLastBlock() const
{
return _vChain.back();
}
Block.h這里是聲明區(qū)塊類
#pragma once
#include<cstdint>//包含了uint32_t等無符號整型
#include<iostream>//標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出庫
#include <fstream>
using namespace std;
static time_t first_time = 0;//這個地方是為了記錄每個區(qū)塊產(chǎn)生距離第一個區(qū)塊的時間而設(shè)置的全局變量
//創(chuàng)建區(qū)塊類
class Block
{
public:
string sPrevHash;//前一個區(qū)塊的哈希值
Block(uint32_t nIndexIn, const string& sDataIn);//構(gòu)造函數(shù)
string GetHash();//返回哈希值
void MineBlock(uint32_t nDifficulty);//挖礦，其參數(shù)nDifficulty表示指定的難度值
void NoMineBlock();//不挖礦直接添加區(qū)塊
uint32_t _nIndex;//區(qū)塊索引值，第幾個區(qū)塊，從0開始計算
int64_t _nNonce;//區(qū)塊隨機數(shù)
string _sData;//區(qū)塊描述字符
string _sHash;//區(qū)塊Hash值
time_t _tTime;//區(qū)塊生成時間
string _CalculateHash() const;//計算Hash值，const保證輸出的函數(shù)值不能被改變。
void WriteBlcokToTXT();//將區(qū)塊數(shù)據(jù)寫入到TXT文件中
};
Block.cpp
#include"Block.h"
#include"sha256.h"
#include"time.h"
#include<sstream>
Block::Block(uint32_t nIndexIn, const string& sDataIn) :_nIndex(nIndexIn), _sData(sDataIn)
//構(gòu)造函數(shù)Block的兩個參數(shù)為nIndexIn和sDataIn，分別賦值到Block中的_nIndex和_sData（構(gòu)造函數(shù)初始化用法）
{
_nNonce = -1;//Nounce設(shè)置為-1
_tTime = time(nullptr);//設(shè)置時間
if (nIndexIn == 0)//此處整個時間記錄下來是為了記錄當(dāng)前區(qū)塊生成所需要的時間，而不是當(dāng)前時間
first_time = _tTime;
}
string Block::GetHash()//返回哈希值函數(shù)的實現(xiàn)
{
return _sHash;
}
void Block::MineBlock(uint32_t nDifficulty)//挖礦函數(shù)，參數(shù)為難度值。
{
//char cstr[nDifficulty + 1];
char cstr[10 + 1];//這個數(shù)組實際上設(shè)置多大都可以，但是要大于nDifficulty的值
for (uint32_t i = 0; i < nDifficulty; ++i)//填充數(shù)組，使數(shù)組的前nDifficulty位都為0，作為難度。
{
cstr[i] = '0';
}
cstr[nDifficulty] = '\0';
string str(cstr);//創(chuàng)建一個string類的對象，初始化為cstr（將字符串?dāng)?shù)組轉(zhuǎn)換為string類對象）
do
{
_nNonce++;
_sHash = _CalculateHash();
} while (_sHash.substr(0, nDifficulty) != str);//substr表示從下標(biāo)0開始--->nDifficulty的內(nèi)容
//要尋找一個Nounce使得總體哈希值的前n位的0（即0的個數(shù)）和難度值的個數(shù)相同，則挖礦成功。
cout << "Block mined:" << _sHash << endl;
}
inline string Block::_CalculateHash() const
{
stringstream ss;//該對象可以通過<<接收多個數(shù)據(jù)，保存到ss對象中，并通過str方法，將內(nèi)容賦給一個string對象
ss << _nIndex << _tTime << _sData << _nNonce << sPrevHash;
//return sha256(ss.str());
return sha256(sha256(ss.str()));
}
void Block::WriteBlcokToTXT()//將生成的區(qū)塊數(shù)據(jù)輸出到一個txt文檔中來保存路徑自己改
{
ofstream outfile("out.txt", ios::app);//此處修改保存區(qū)塊數(shù)據(jù)的路徑
outfile <<"Index:"<<_nIndex<<endl;
outfile << "Nonce:" << _nNonce << endl;
outfile << "_sData:" << _sData << endl;
outfile << "_sHash:" << _sHash << endl;
outfile << "sPrevHash:" << sPrevHash << endl;
outfile << "_tTime:" << _tTime - first_time << endl;
outfile << endl;
outfile.close();
}
sha256.h 這是一個哈希算法，沒什么說的，網(wǎng)上抄的，這個東西我到現(xiàn)在也沒看懂，太深奧了。但是只要知道功能就行了。
#pragma once
#ifndef SHA256_H
#define SHA256_H
#include <string>
class SHA256
{
protected:
typedef unsigned char uint8;
typedef unsigned int uint32;
typedef unsigned long long uint64;
const static uint32 sha256_k[];
static const unsigned int SHA224_256_BLOCK_SIZE = (512 / 8);
public:
void init();
void update(const unsigned char* message, unsigned int len);
void final(unsigned char* digest);
static const unsigned int DIGEST_SIZE = (256 / 8);
protected:
void transform(const unsigned char* message, unsigned int block_nb);
unsigned int m_tot_len;
unsigned int m_len;
unsigned char m_block[2 * SHA224_256_BLOCK_SIZE];
uint32 m_h[8];
};
std::string sha256(std::string input);
#define SHA2_SHFR(x, n) (x >> n)
#define SHA2_ROTR(x, n) ((x >> n) | (x << ((sizeof(x) << 3) - n)))
#define SHA2_ROTL(x, n) ((x << n) | (x >> ((sizeof(x) << 3) - n)))
#define SHA2_CH(x, y, z) ((x & y) ^ (~x & z))
#define SHA2_MAJ(x, y, z) ((x & y) ^ (x & z) ^ (y & z))
#define SHA256_F1(x) (SHA2_ROTR(x, 2) ^ SHA2_ROTR(x, 13) ^ SHA2_ROTR(x, 22))
#define SHA256_F2(x) (SHA2_ROTR(x, 6) ^ SHA2_ROTR(x, 11) ^ SHA2_ROTR(x, 25))
#define SHA256_F3(x) (SHA2_ROTR(x, 7) ^ SHA2_ROTR(x, 18) ^ SHA2_SHFR(x, 3))
#define SHA256_F4(x) (SHA2_ROTR(x, 17) ^ SHA2_ROTR(x, 19) ^ SHA2_SHFR(x, 10))
#define SHA2_UNPACK32(x, str) \
{ \
*((str) + 3) = (uint8) ((x) ); \
*((str) + 2) = (uint8) ((x) >> 8); \
*((str) + 1) = (uint8) ((x) >> 16); \
*((str) + 0) = (uint8) ((x) >> 24); \
}
#define SHA2_PACK32(str, x) \
{ \
*(x) = ((uint32) *((str) + 3) ) \
| ((uint32) *((str) + 2) << 8) \
| ((uint32) *((str) + 1) << 16) \
| ((uint32) *((str) + 0) << 24); \
}
#endif
sha256.cpp
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include <cstring>
#include <fstream>
#include "sha256.h"
const unsigned int SHA256::sha256_k[64] = //UL = uint32
{ 0x428a2f98, 0x71374491, 0xb5c0fbcf, 0xe9b5dba5,
0x3956c25b, 0x59f111f1, 0x923f82a4, 0xab1c5ed5,
0xd807aa98, 0x12835b01, 0x243185be, 0x550c7dc3,
0x72be5d74, 0x80deb1fe, 0x9bdc06a7, 0xc19bf174,
0xe49b69c1, 0xefbe4786, 0x0fc19dc6, 0x240ca1cc,
0x2de92c6f, 0x4a7484aa, 0x5cb0a9dc, 0x76f988da,
0x983e5152, 0xa831c66d, 0xb00327c8, 0xbf597fc7,
0xc6e00bf3, 0xd5a79147, 0x06ca6351, 0x14292967,
0x27b70a85, 0x2e1b2138, 0x4d2c6dfc, 0x53380d13,
0x650a7354, 0x766a0abb, 0x81c2c92e, 0x92722c85,
0xa2bfe8a1, 0xa81a664b, 0xc24b8b70, 0xc76c51a3,
0xd192e819, 0xd6990624, 0xf40e3585, 0x106aa070,
0x19a4c116, 0x1e376c08, 0x2748774c, 0x34b0bcb5,
0x391c0cb3, 0x4ed8aa4a, 0x5b9cca4f, 0x682e6ff3,
0x748f82ee, 0x78a5636f, 0x84c87814, 0x8cc70208,
0x90befffa, 0xa4506ceb, 0xbef9a3f7, 0xc67178f2 };
void SHA256::transform(const unsigned char* message, unsigned int block_nb)
{
uint32 w[64];
uint32 wv[8];
uint32 t1, t2;
const unsigned char* sub_block;
int i;
int j;
for (i = 0; i < (int)block_nb; i++) {
sub_block = message + (i << 6);
for (j = 0; j < 16; j++) {
SHA2_PACK32(&sub_block[j << 2], &w[j]);
}
for (j = 16; j < 64; j++) {
w[j] = SHA256_F4(w[j - 2]) + w[j - 7] + SHA256_F3(w[j - 15]) + w[j - 16];
}
for (j = 0; j < 8; j++) {
wv[j] = m_h[j];
}
for (j = 0; j < 64; j++) {
t1 = wv[7] + SHA256_F2(wv[4]) + SHA2_CH(wv[4], wv[5], wv[6])
+ sha256_k[j] + w[j];
t2 = SHA256_F1(wv[0]) + SHA2_MAJ(wv[0], wv[1], wv[2]);
wv[7] = wv[6];
wv[6] = wv[5];
wv[5] = wv[4];
wv[4] = wv[3] + t1;
wv[3] = wv[2];
wv[2] = wv[1];
wv[1] = wv[0];
wv[0] = t1 + t2;
}
for (j = 0; j < 8; j++) {
m_h[j] += wv[j];
}
}
}
void SHA256::init()
{
m_h[0] = 0x6a09e667;
m_h[1] = 0xbb67ae85;
m_h[2] = 0x3c6ef372;
m_h[3] = 0xa54ff53a;
m_h[4] = 0x510e527f;
m_h[5] = 0x9b05688c;
m_h[6] = 0x1f83d9ab;
m_h[7] = 0x5be0cd19;
m_len = 0;
m_tot_len = 0;
}
void SHA256::update(const unsigned char* message, unsigned int len)
{
unsigned int block_nb;
unsigned int new_len, rem_len, tmp_len;
const unsigned char* shifted_message;
tmp_len = SHA224_256_BLOCK_SIZE - m_len;
rem_len = len < tmp_len ? len : tmp_len;
memcpy(&m_block[m_len], message, rem_len);
if (m_len + len < SHA224_256_BLOCK_SIZE) {
m_len += len;
return;
}
new_len = len - rem_len;
block_nb = new_len / SHA224_256_BLOCK_SIZE;
shifted_message = message + rem_len;
transform(m_block, 1);
transform(shifted_message, block_nb);
rem_len = new_len % SHA224_256_BLOCK_SIZE;
memcpy(m_block, &shifted_message[block_nb << 6], rem_len);
m_len = rem_len;
m_tot_len += (block_nb + 1) << 6;
}
void SHA256::final(unsigned char* digest)
{
unsigned int block_nb;
unsigned int pm_len;
unsigned int len_b;
int i;
block_nb = (1 + ((SHA224_256_BLOCK_SIZE - 9)
< (m_len % SHA224_256_BLOCK_SIZE)));
len_b = (m_tot_len + m_len) << 3;
pm_len = block_nb << 6;
memset(m_block + m_len, 0, pm_len - m_len);
m_block[m_len] = 0x80;
SHA2_UNPACK32(len_b, m_block + pm_len - 4);
transform(m_block, block_nb);
for (i = 0; i < 8; i++) {
SHA2_UNPACK32(m_h[i], &digest[i << 2]);
}
}
std::string sha256(std::string input)
{
unsigned char digest[SHA256::DIGEST_SIZE];
memset(digest, 0, SHA256::DIGEST_SIZE);
SHA256 ctx = SHA256();
ctx.init();
ctx.update((unsigned char*)input.c_str(), input.length());
ctx.final(digest);
char buf[2 * SHA256::DIGEST_SIZE + 1];
buf[2 * SHA256::DIGEST_SIZE] = 0;
for (int i = 0; i < SHA256::DIGEST_SIZE; i++)
sprintf(buf + i * 2, "%02x", digest[i]);
return std::string(buf);
}
user.h創(chuàng)建一個用戶類
#pragma once
#include <iostream>//標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出庫
#include <vector>
#include <string>
#include <fstream>
#include<sstream>
#include "BlockChain.h"
#include "sha256.h"
using namespace std;
class User
{
public:
Blockchain uBlockchain;//當(dāng)前節(jié)點創(chuàng)建一個自己的區(qū)塊鏈，因為每個用戶都保存一條自己的區(qū)塊鏈
string batchTX();//打包交易
};
user.cpp這里是實現(xiàn)用戶的打包交易，通過默克爾樹的方式將若干條交易打包。其中300TXdata.txt后面我會貼上，一定注意文件的路徑問題，不然可能運行不了。（大神當(dāng)我沒說）。
#include"user.h"
string User::batchTX()
{
ifstream myfile("300TXdata.txt");//讀取txt文檔中的300條交易數(shù)據(jù)
string temp[300];
int i = 0;
if (!myfile.is_open())
{
cout << "未成功打開文件" << endl;
}
while (getline(myfile, temp[i++]))//將取出來的第一行放在數(shù)組中i的位置然后i++
{
//cout << temp[i++] << endl;
getline(myfile, temp[i++]);//將取出來的下一行放在數(shù)組i后面的位置然后i++
//cout << temp[i] << endl;
}
for (int i = 0; i < 300; i++)//這是一個偽默克爾樹生成過程，為了便于實現(xiàn)，就這樣寫了。
//實際上真的默克爾樹生成也不難，暫時先這樣吧。
{
stringstream ss;//該對象可以通過<<接收多個數(shù)據(jù)，保存到ss對象中，并通過str方法，將內(nèi)容賦給一個string對象
ss << temp[0] << temp[i];
temp[0] = sha256(ss.str());
//cout << temp[0] << endl;
}
myfile.close();
return temp[0];
}
TestforBitcoin.cpp這就是測試程序了，我是假設(shè)100個用戶中某個用戶挖礦成功了，然后來挖礦。實際上不是這樣的過程，而是先挖礦才知道是哪個用戶挖礦成功，不過對于一個用戶來說，都無所謂了，只是為了模擬的逼真一點，加了個隨機數(shù)。
#include<iostream>
#include<cstdint>
#include"Blockchain.h"
#include"user.h"
#include<stdio.h>
#include <cstdlib>
#include <ctime>
#include"time.h"
#include"sha256.h"
using namespace std;
int main()
{
srand((int)time(0));//隨機數(shù)種子
Blockchain bChain = Blockchain();//首先創(chuàng)建一個區(qū)塊鏈
User user[100];//創(chuàng)建100個用戶
int miner_id;
for (int i = 0; i < 100000; i++)//十萬次出塊，記錄出塊速度
{
miner_id = rand() % 100;
for (int j = 0; j < 100; j++)
{
user[j].uBlockchain = bChain;//把100個節(jié)點的區(qū)塊鏈初始化。
}
user[miner_id].uBlockchain = bChain;//對挖礦區(qū)塊初始化
printf("Mining block %d...\n", i);
user[miner_id].uBlockchain.AddBlock(Block(i, user[miner_id].batchTX()));
bChain = user[miner_id].uBlockchain;
printf("Miner ID is %d...\n", miner_id);
}
system("pause");
return 0;
}
300dataTX.txt這里包含了300條交易，用戶A->用戶B的轉(zhuǎn)賬，以及金額，這個東西我是用一個程序模擬生成的，如果需要這個這個程序我之后再發(fā)出來。
01100SUSPE 10111ZKHWI 79 10010VQJGH 00100UXYMT 34 00011YMAWT 10010XTPCF 43 10101TZZMF 01110SHOLR 51 01011WVQDR 11101VDFBV 59 11001RRPTU 01011QZWRG 68 11100TFFJG 10101TMVIS 76 00010OBWAS 00001OIMYE 85 10000ROVQD 11010RWCPI 93 01111MKMHH 01100LSBFT 1 11011PGDXT 01010OOSVF 10 01001KUCNF 10011JBRMR 18 10110NQTEQ 00101MXICU 26 00000IDKUU 10011HTZSG 35 10100LZJKG 01000KHYJS 43 01110GVABS 11100FDPZE 52 11001JJQRD 00010IQGPH 60 00101EFPHH 10000DMFGT 68 10111GAGYT 00111GIVWF 77 00000BOFOE 11011BWMNR 85 11110EKWEQ 01001ESLDU 93 01110ZYNVU 11110HNCTG 2 01001CUMLG 00000BBTKS 10 10111XPDCR 10100EXSAD 19 00101ADUSD 01111ZLJQH 27 11001DZTIH 11001CHIHT 35 01110YVJZT 01111XCZXF 44 11100BJAPE 00111AQQNQ 20 00010WFZFQ 10000VMOEU 28 10111ZSQWU 00110YAFUG 37 00101UOHMF 11110TWWLS 45 11011WKGCR 01001WRVBD 54 01101RYXTD 10111RFMRH 62 10000UUWJH 00101UBDIT 70 00010PHNSS 10000OXCYE 79 10100SDEIE 01110RLTOQ 87 01011NZCYQ 11100MGKFU 95 11011QNTPU 01010PUJVG 4 11101LJKFF 10111KQALR 12 00010OEJVR 00101NMYCD 21 10000JSAMD 11011IAPSH 29 01100MORCG 01100LWGIT 37 11010HCQSS 11000GRFZE 46 01001JYHJE 10010JFWPQ 54 10111ETYZQ 00100MBNGU 62 00011HHXQT 10011HPMWF 71 10000CDNGF 01011JLDMR 79 01110FZMWR 11101EGUDD 88 11000ANDND 00010HUTTH 96 00101DIUDG 10000CQJJS 4 10111GWTTS 00100FMAAE 13 00001BSKKE 11011AAZQQ 21 11111EOBAQ 01001DVQGU 29 01110ZCAQT 11111YJPXF 38 01000CXRHF 00011BFGNR 46 10110WTIXR 10000WBXED 55 00101ZHGNC 01110ZPWUG 63 11001UDXEG 11000UKNKS 71 01111XROUS 01101XYEBE 80 11100SMNLE 00111RUCRQ 88 00010VIEBP 10001UQTHT 96 10110QWDRT 00110PEKYF 5 00100TSUIF 11110SZJOR 13 11011OGLYR 01000NVAED 22 01101RBKOC 10110QJRVG 30 11001MXBFG 00101LFQLS 38 00010PLRVS 10001OTHCE 47 10100KHQLD 01111JOGKQ 55 01000MDHCP 11100MKXAT 63 11011HQYST 01010PYNRF 72 11101KMXJF 10110KUMHR 80 00011FAOZQ 00101MQDXC 89 10011IWFPC 11011HDUOG 97 00100DSEGG 01101KZTES 5 11010GFVWS 11001FNKUE 14 01000JBUMD 10010IJBLP 22 10101EXKDP 00100DFABT 30 00011HLBTT 10010GSRRF 39 10001CHAJE 01011BOIIR 47 01111FVRAQ 11101ECGYC 56 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