第3章
守護程序的初始化與運作
3.1 概述
節點初始化是節點首次使用時，根據使用者傳入的參數進行設定，并根據參數進行網絡、資料庫、本地區塊鍊以及P2P分布式網絡等子產品的初始化，使得節點能夠正常運作。節點初始化由bytomd守護程序執行，在初次運作時一次性完成。
本章主要内容：
- bytomd守護程序初始化流程。
- 守護程序初始化的具體實作，包括網絡、資料庫、本地區塊鍊初始化等。
- 守護程序啟動流程和停止流程。
3.2 bytomd守護程序初始化流程及指令參數
守護程序是一種特殊程序，啟動後一直在背景運作，隻有當觸發特定的信号時，才會執行退出操作。比原鍊的守護程序是bytomd，初始化流程如圖3-1所示。
在編寫指令行程式時，通常需要對指令參數進行解析。不同語言一般都會提供解析指令行參數的方法或庫，以友善程式員使用。在GO語言标準庫中提供了flag包，友善進行指令行解析。
bytomd程序支援的傳參如下：
3.3 bytomd守護程序的初始化實作
bytomd守護程序的Cobra流程與bytomcli過程非常相似，是以在此略去，後續主要對bytomd守護程序重要内容進行深入分析。在這裡我們看一下bytomd預處理過程中使用到的代碼檔案結構，指令如下：
bytomd守護程序啟動時，會根據不同的指令行flag參數，初始化不同的子產品，最終以守護程序的方式運作。有關bytomd守護程序所有的運作工作都在node.NewNode(config)的具體實作中。下面介紹具體的實作過程。
3.3.1 Node對象
Node對象說明如下。
- cmn.BaseService：服務管理。
- config：目前節點的全局配置。
- syncManager：區塊和交易同步管理。
- wallet：本地錢包管理。
- accessTokens：token管理，使用者通路憑證。
- api：API Server接口服務。
- chain：本地區塊鍊管理對象。
- txfeed：目前版本中該功能未使用。
- cpuMiner：CPU挖礦管理對象。
- miningPool：礦池管理對象。
- miningEnable：是否啟用挖礦模式。
node.NewNode(config)整個過程是為了建立Node對象，Node對象是整個bytomd所有子產品運作的基礎。
cmn.BaseService是tendermint架構的一個服務管理子產品，在這裡我們可以把Node作為一個服務，對該服務進行OnStart/OnStop/IsRunning等操作管理。tendermint架構可以保證這些操作不會被重複執行多次。
3.3.2 配置初始化
在執行node.NewNode(config)之前，config的預設配置就已經定義好了。在深入node.NewNode(config)分析之前，我們需要先了解預設配置都有哪些。
首先，bytomd守護程序聲明一個config全局變量，表示整個bytomd守護程序的配置資訊。程序啟動時config對象被賦予一個預設的配置參數。
預設的配置參數分有6個，每個針對不同的子產品。下面對配置進行說明。我們将預設參數歸納為三塊：Base基礎配置、P2P網絡配置、其他配置。
1. Base基礎配置
BaseConfig用于配置bytomd節點所需的基礎參數，包括資料目錄、日志、監聽位址等相關參數。
部分參數從配置檔案中擷取預設值，比如ApiAddress參數，它的tag是api_addr。我們可以從config/toml.go中擷取預設值：
2. P2P網絡配置
P2PConfig用于配置bytomd P2P通信協定中使用的參數，包括本機監聽端口、通信節點逾時、位址簿等相關參數。
注意，在比特币中，節點會采用DNS的方式來詢問種子節點，進而查詢到其他節點的IP位址。而在比原鍊中，種子節點是IP位址，一般會寫死到代碼裡。技術細節我們會在後面的第10章詳細講解。
3. 其他配置
WalletConfig用于配置bytomd本地錢包使用的參數，包括是否啟用本地錢包和更新等相關參數。
在bytomd守護程序聲明config = DefaultConfig()之後，init()函數實作了config對象中各屬性的指派。具體實作代碼如下：
在init()函數中定義了很多不同類型的flag參數，并将flag的參數值綁定到config對象上，比如：
這條語句的含義為：
- 定義一個Bool類型的flag參數。
- 該flag的名稱為mining。
- 該flag的指派對象為config.Mining。
- 該flag的描述資訊為Enable mining。
至此，bytomd守護程序所需要的配置資訊初始化完畢，程式運作真正進入初始階段。下面對此進行深入分析。
3.3.3 建立檔案鎖
在比原鍊中，一份資料目錄（--root參數指定）隻能同時由一個bytomd守護程序讀寫，因為LevelDB高性能鍵值資料庫是單程序模式，如果多個程序同時讀寫一份資料，會造成資料不一緻的情況。是以，需要使用檔案鎖可以保證同一時間一個程序讀寫一份資料目錄，代碼如下：
bytomd啟動時，lockDataDirectory函數使用flock在RootDir目錄下建立一個LOCK檔案。如果bytomd程序在一個檔案的inode上加了鎖，那麼再次啟動bytomd程序則會對errors.New中的内容報錯并退出程序。flock的作用是檢測程序是否已經存在。
flock主要有3種操作類型。
- LOCK_SH：共享鎖，多個程序使用同一把鎖用于讀鎖。
- LOCK_EX：排他鎖，同時隻允許一個程序使用，一般用于寫鎖。
- LOCK_UN：釋放鎖。
如果深入研究flock包的函數，我們可以看到，這裡使用了LOCK_EX鎖，即同時隻允許一個程序使用，代碼示例如下：
3.3.4 初始化網絡類型
比原鍊的三種網絡模式，分别是mainnet主網、testnet測試網和solonet單機模式。
其中initActiveNetParams函數根據使用者傳入的chain_id，初始化網絡類型。consensus.ActiveNetParams對象儲存了目前使用的網絡模式。在比原鍊代碼中會經常引用consensus.ActiveNetParams對象，用來識别目前節點連接配接的網絡類型。
ActiveNetParams預設使用主網。MainNetParams中的參數說明如下。
- Bech32HRPSegwit：隔離見證，是一種協定更新，我們會在後面第5章講解。
- Checkpoints：檢查點，指定一個高度，以及與這個高度相比對的hash值，用于快速同步時驗證區塊的正确性。通常在主網更新時，會将曆史的塊資訊寫死在Checkpoints中。
Checkpoints檢查點有兩種作用：第一是防止分叉，如果有人試圖從檢查點之前的區塊進行分叉，目前節點不會接受這個分叉；也用于保護網絡不受全網51%的算力攻擊，因為攻擊者不可能逆轉檢查點之前的交易。第二是用于節點間的快速同步，我們将在第10章中詳細講解。
3.3.5 初始化資料庫（持久化存儲）
建立一條公鍊，需要将鍊上的所有資料（包含塊資訊、交易資訊等）存儲在本地鍵值資料庫中。在比原鍊中使用LevelDB來存儲鍊上資料，代碼如下：
dbm使用tendermint架構的db管理庫。dbm.NewDB傳回一個DB對象，DB對象提供了資料庫接口和許多方法實作，包括使用記憶體映射、檔案系統目錄結構、GO中LevelDB等的實作。
dbm.NewDB傳回一個DB對象，需要傳入三個參數：db的名稱，db使用的鍵值資料庫（預設為LevelDB），db資料存儲的路徑。leveldb.NewStore函數傳回一個Store對象，即比原鍊對LevelDB進行了封裝，在LevelDB的基礎上增加了區塊緩存（cache）、區塊驗證、區塊狀态、區塊查詢等功能。
3.3.6 初始化交易池
當交易被廣播到網絡中并且被礦工接收到時，礦工會将接收到的交易加入到本地的TxPool交易池中，TxPool對象的作用是管理本地交易池。交易池相當于一個緩沖區，它并不是無限大。預設情況下比原鍊中交易池最大可以存儲10 000筆交易。如果超出這個門檻值，則會傳回"transaction pool reach the max number"提示。
protocol.NewTxPool()傳回一個TxPool執行個體對象。此處我們隻介紹交易池初始化部分，交易池實作原理的代碼将在6.10節中深入剖析。
3.5.7 建立一條本地區塊鍊
當節點第一次啟動時，判斷本地持久化存儲的狀态，當狀态為初始化時會初始化本地的區塊鍊。區塊鍊的第一個區塊（創世區塊）會被加入到區塊高度為0的地方。代碼如下：
protocol.NewChain傳回一個Chain對象，NewChain需要接收兩個參數：Store區塊鍊的存儲對象，TxPool交易池。Chain對象管理着比原鍊的整個區塊鍊條。代碼如下：
NewChain函數的執行可分為下面幾個步驟：
1）執行個體化Chain對象。
2）store.GetStoreStatus擷取本地區塊鍊的存儲狀态，如果狀态為nil則說明區塊鍊未被初始化。執行initChainStatus初始化本地區塊鍊，該函數初始化創世區塊（第一個區塊）并添加到本地鍊上。
3）store.LoadBlockIndex加載塊索引，從資料庫中讀取所有Block Header資訊并緩存在記憶體中，目的是加速通路區塊頭資訊。
4）c.index.SetMainChain，設定目前節點已同步的最新區塊。
5）go c.blockProcesser()，啟動一個go rutine，用于更新本地區塊鍊上的區塊資訊。
3.3.8 初始化本地錢包
預設情況下比原鍊節點會啟用本地錢包功能。代碼執行個體如下：
在比原鍊的節點啟動時，上述代碼流程主要邏輯為：
1）建立加密機hsm對象，hsm對象管理keystore檔案，該檔案是存儲私鑰的一種格式（JSON）。keystore是一串代碼，本質上是加密後的私鑰，需配合錢包的密碼來使用。
2）建立錢包資料庫。
3）建立賬戶管理對象。
4）建立資産管理對象。
5）執行個體化Wallet對象。
6）RescanBlocks掃描本地所有區塊，觸發錢包更新操作。
3.3.9 初始化網絡同步管理
P2P通信子產品主要由SyncManager管理，SyncManager負責節點業務層資訊的同步工作，即區塊和交易資訊的同步。代碼如下：
主要參數說明如下：
- newBlockCh：通道用于新挖掘出的區塊進行快速廣播給其他節點。通道大小為1024。
- netsync.NewSyncManager：執行個體化syncManager同步管理對象，它管理節點與節點之間的區塊、交易資訊同步。
- newPoolTxListenner：啟動一個goroutine，監聽交易池中的交易，将交易發送給syncManager同步管理對象或本地錢包。
詳細實作機制将在第10章進行講解。
3.3.10 初始化Pprof性能分析工具
Pprof是GO語言标準庫中自帶的性能分析工具。用于記憶體分析、CPU分析、代碼追蹤等，還可以生成性能分析圖表。（詳細參考
https://golang.org/pkg/net/http/pprof/）。在比原鍊中預設不啟用該功能，可以使用--prof_laddr參數啟動代碼性能分析功能，代碼示例如下：
3.3.11 初始化CPU挖礦功能
在比原鍊節點源碼中，隻提供了CPU裝置的挖礦功能，以目前全網的算力來看，CPU裝置挖礦幾乎挖不到BTM币了。目前主流的挖礦裝置，有比特大陸定制的挖礦晶片或各大礦池使用GPU裝置挖礦。挖礦和礦池細節将在第13章中詳細解讀。代碼執行個體如下：
其中，simd參數用于Tenaority CPU指令的優化。
3.4 bytomd守護程序的啟動方式和停止方式
我們在GO語言下實作守護程序的方式一般是，監聽标準的SIGTERM信号。在監聽到SIGTERM信号後，程序處于阻塞狀态，以實作守護程序。隻有當程序收到來自外部的SIGTERM信号時，程序則處于非阻塞狀态，實作程序退出。Linux信号參考
http://man7.org/linux/man-pages/man7/signal.7.html。代碼執行個體如下：
signal.Notify監聽中斷和Term信号。啟用goroutine取c對象，select進入阻塞狀态。當程序接收到Term信号則通知c對象，執行os.Exit退出守護程序。
發送Term信号有兩種方式：一種是執行指令kill -15 pid；另一種是程序運作在前台。
當守護程序接收到Term信号後就停止運作，在其退出之前需要做掃尾工作，如退出挖礦模式，退出P2P同步功能等。代碼示例如下：
3.5 本章小結
本章從源碼的角度分析了bytomd啟動過程中的Node對象建立和初始化，以及總結bytomd實作的邏輯。