bitcoin transaction 比特币 交易
作者：互联网
一说起交易的概念，可能大家都明白。比如这么热的天，胖兔出门散步渴了，一看微信里零钱余额还有8块，便买了瓶3块钱的饮料，扫码付账3块，零钱还剩下5块。OK，这就是日常再普遍不过的一次交易。按照普通的程序设计思路，可以为每个人的钱包余额定义一个变量，每次交易花费之后，便从余额中减去交易费用。瞧，是不是很简单？
但是在比特币的世界里，交易跟咱们平常耳熟能详的交易过程却不一样。你的比特币钱包里，并没有一个代表余额的数字，那有什么呢？是一个或者一堆叫做UTXO（Unspent Transaction Output）的东东，直译叫做未花费的交易输出。什么鬼？名字就很别扭对不对？其实你可以把它理解成会员卡，每张会员卡里都有一个数字代表比特币数量，但跟现实生活中不一样的是，每张会员卡都只能使用一次！你不能像在超市刷卡那样，原来卡里有100，刷掉60，卡里还剩下40，而是不管卡里有多少，只要拿出来刷（Spend）了，那对不起，这张会员卡就变成已花费状态，然后从此消失。那有人说，要找零怎么办？其实很简单，再返一张新的会员卡给自己，卡里还有40（先不考虑交易费用），这张新卡自然也是未花费状态，继续存入你的钱包，OK，交易就这样完成了！
下图是采用UTXO方式交易的示意图。
图2-1 UTXO交易示意图
上图中，交易C的两个输入，分别来自交易A和交易B的输出，在交易C中付给的120接着又在交易D中作为输入使用。在ABCD这4个交易都完成以后，余下可用的UTXO只有30、80、40这3个了。
有人可能会想，干嘛要这样设计呀？多麻烦！俗话说存在即真理，比特币既然这么设计，必有它的考虑。
第一，利于并行。我的钱包里可能有很多张UTXO，那么我可以用不同的UTXO同时去买不同的东西，这个时候比特币网络就可以并行处理这些不同的交易，要知道比特币网络中，每个交易从发生到确认一般需要6个区块，也就是一个小时，甚至有的交易还可能会失败，这对互不干扰的并行处理来说不算什么，换成串行处理的余额式钱包那就很麻烦了。
第二，可回溯。采取UTXO的方式，每一次交易的输入，都来自之前某个交易的输出，并可以一直追溯到源头。换句话说，对每个比特币来说，可以从它的产生开始，一直查询到相关的每一次交易，任何人想伪造、篡改都是办不到的！
第三，避免数据膨胀。采用账户余额的方式，数据库的体积将会随着账户数量的增长而迅速增加，而且账户数据不会被删除。而采用UTXO的方式，不会出现数据迅速增长的情况。
当然，UTXO确实也有它不便的地方，比如要想查每个账户的余额，必须得回溯查询一大堆交易信息，对时间和资源来说都是一种浪费，因此后来的以太坊对此进行了针对性改进。当然这是后话了，将来有机会再探讨。
图2-2 UTXO数量变化趋势图
上图是blockchain公布的比特币UTXO数量变化情况。可以看到，最近一年中，UTXO数量最多的时候是在2018年1月10日左右，峰值达到6771万。本文写作时，UTXO数量已经下降到5575万左右，可见UTXO方式能够有效地防止用户数据膨胀。
OK，原理交待完毕。下面再看相关源码。
跟交易相关的基础数据，都定义在src/primitives/transaction.h里，主要的一共有4个类，由简到繁分别是COutPoint，CTxIn、CTxOut、CTransaction。下面是它们简单的结构关系图：
图2-2 交易基础类结构
COutPoint
前面已经介绍过，交易的每一笔输入，其实都是来自于之前某个交易的输出。COutPoint就是用来定位之前这一笔交易的。它有两个数据成员：
hash就是之前那一笔交易的hash值，可以据此来寻找到完整的交易信息。
n是该笔交易输出中的序号。从前面的例子我们可以知道，每一笔交易可以有多个输出，比如我拿100BTC（即100个比特币）作为输入，要转给别人60BTC，就需要产生两个输出：一个是别人的钱包里多出一个60BTC，另一人是自己的钱包里多出一个40BTC（不考虑交易费用）。之后，我再去用这个40BTC，那么回溯就会找到这个100=60+40的交易，hash就是这个交易的hash值，n就指向第2个输出。
CTxIn
CTxIn就是交易输入。主要包含以下几个数据成员：
prevout是COutPoint类型，指向的就是相关联的上一个交易，该交易的输出就是本次交易的输入。
scriptSig是CScript类型，指的是解锁脚本。通俗的理解就是，如何证明这个UTXO是你的，并且能够作为本次交易的输入？要靠这个脚本来提供证明。关于脚本，将来再进行详细解析。
nSequence字面意义是序号，这个数据最初的设计目的，是希望矿工在打包交易数据的时候，优先选择序列号更高的，后来发现它其实没什么用，就在BIP 68（比特币改进提议，第68号）中，将它用于nLockTime（相对锁定时间）功能，这个值默认是0xffffffff，32位整数的最大值，这个时候nLockTime是不起作用直接忽略的。
scriptWitness也是CScript类型，用于隔离见证功能（BIP 148），这是很重要的一次改进。不过暂且我们也不去理会，留待未来再详细解析。
CTxOut
CTxOut是交易输出。主要就是两个数据成员：
nValue的类型是CAmount，指的是这笔输出的金额。
scriptPubKey是CScript类型，它用脚本的方式，明确了谁可以收到这笔输出，也就是这笔输出归谁所有。从变量名称可以看出来，脚本中包含了接收者的公钥，只有接收者本人用自己的私钥才能成功匹配，成为合法拥有者。
CTransaction
终于轮到CTransaction交易了，它需要关注的数据成员主要有：
vin是vector<CTxIn>类型，表示输入集合。一个交易不光可以有多个输出，也可以有多个输入。比如我要付100BTC出去，但我只有40BTC、60BTC两个UTXO怎么办？很简单，就把这两个都作为输入就行了。
vout是vector<CTxOut>类型，表示输出集合。这个应该不用解释了。
nVersion是交易版本号。
nLockTime是之前刚刚介绍的锁定时间，它指的是交易什么时候有效。允许取值有三种情况：如果值为0，代表交易立即生效；如果值小于50亿，那么指代的是区块高度，表示区块链达到一定高度（区块总数达到一定数量）之后，交易才有效；如果值大于等于50亿，则表示Unix时间戳，用1970年1月1日以来的经过的秒数，指的是交易生效时间，必须达到这个时间点之后交易才算有效。
两个私有数据成员，hash和m_witness_hash，是用来计算哈希值的，它们只用于内存中，一般情况下只计算一次。说到这里，需要说明一下的是，刚刚介绍CTransaction这6个数据成员都是带有const修饰符的，为什么呢？这是因为每个交易的数据只要一有变化，整个哈希值就要重新计算，为了避免无意中的改动，干脆把所有数据成员声明为const，这样就不会出问题了。
那么问题来了，如果交易数据确实要改动怎么办？问得好，继续往下看，源码里还声明了一个CMutableTransaction，顾名思义就是可变的交易，它不是一个类，而是一个结构，跟CTransaction一样，拥有vin、vout、nVersion、nLockTime四个主要数据，但它的所有数据都是可变的。然后CTransaction类能够直接从CMutableTransaction结构来进行构造，这样就解决了CTransaction数据修改的问题。
最后还声明了一个CTransactionRef类型，它等同于std::shared_ptr<const CTransaction>，可以理解为指向交易数据的一个指针。这个类型在后面用得很多，需要关注一下。
OK，交易的基本数据结构就这几个了。那么这些交易又是怎么被打包的呢？它们在被打包之前又是怎么个状态呢？下一节继续探究比特币交易池。
本文原创作者胖兔（魏兆华），首次发表于简书，欢迎转载，请注明出处。
作者：魏兆华
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来源：简书
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