【原】用Java编写第一个区块链（一）

　　写这篇随笔主要是尝试帮助自己了解如何学习区块链技术开发。

　【本文禁止任何形式的全文粘贴式转载，本文来自 zacky31 的随笔】

目标：

• 创建一个最基本的“区块链”
• 实现一个简单的挖矿系统

前提：

　　对面向对象编程有一定的基础

注意：

　　值得注意的是，这不会是一个完整的功能，恰恰相反，这是一个概念证明的实例，可以帮助您进一步了解区块链。

准备：

　　我将会使用Java来实现，当然你也可以使用任何面向对象的语言。

环境：

• JDK 8
• IDEA
• Maven

开始吧

　　区块链就好比多个块连接起来。其中每一块都将拥有自己的签名，签名中包含其前面的块信息和一些数据（例如交易信息）。

　　每个块不仅仅包含它之前的块信息，同时也包含自身。如果前面一块内容改变了，其 hash 值也会改变，将会导致其后面所有的块发生变化。通过计算和比较所得的 hash 值，我们可以判断区块链是否合法。换句话说，改变区块链中的任意内容，将会改变整个区块链的签名。

　　根据上面的分析，我们先创建一个 Block 类。

import java.util.Date;

public class Block {
    public String hash; //存放数字签名
    public String preHash; //前面块的签名
    private String data;
    private long timeStamp;

    public Block(String data, String preHash) {
        this.data = data;
        this.preHash = preHash;
        this.timeStamp = new Date().getTime();
    }
}

　　接下来，我们需要一个生成签名的方法。有很多加密算法可供选择，这里使用 SHA256 刚刚好。

import java.security.MessageDigest;

public class StringUtil {
    public static String applySha256(String input) {
        try {
            MessageDigest digest = MessageDigest.getInstance("SHA-256");

            byte[] hash = digest.digest(input.getBytes("UTF-8"));
            StringBuilder hexString = new StringBuilder();
            for (int i = 0; i < hash.length; i++) {
                String hex = Integer.toHexString(0xff & hash[i]);
                if (hex.length() == 1) hexString.append('0');
                hexString.append(hex);
            }
            return hexString.toString();
        } catch (Exception e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }
}

　　现在，我们向 Block 类中添加计算数字签名的方法，并修改一下其构造方法。

public Block(String data, String preHash) {
        this.data = data;
        this.preHash = preHash;
        this.timeStamp = new Date().getTime();
        this.hash = calculateHash();
    }

    public String calculateHash() {
        String calculatedhash = StringUtil.applySha256(preHash + Long.toString(timeStamp) + data);
        return calculatedhash;
    }

　　到这里，可以写个 Main 方法看一下效果。

public class Main {

    public static void main(String[] args) {
        Block first = new Block("Hi i am the first block", "0");
        System.out.println("Hash for block 1 : " + first.hash);
        Block second = new Block("Hi i am the second block", first.hash);
        System.out.println("Hash for block 2 : " + second.hash);
        Block third = new Block("Hi i am the third block", second.hash);
        System.out.println("Hash for block 3 : " + third.hash);
    }
}

　　可以看见每个 Block 都有自己唯一的 数字签名，当然，现在还没有构成一个区块链，将这些块存放到一个 ArrayList 中吧。修改 Main 类后再次运行。

import com.google.gson.GsonBuilder;

import java.util.ArrayList;

public class Main {

    public static ArrayList<Block> blockchain = new ArrayList<Block>();

    public static void main(String[] args) {
        blockchain.add(new Block("Hi i am the first block", "0"));
        blockchain.add(new Block("Hi i am the second block", blockchain.get(blockchain.size() - 1).hash));
        blockchain.add(new Block("Hi i am the third block", blockchain.get(blockchain.size() - 1).hash));

        String blockchainJson = new GsonBuilder().setPrettyPrinting().create().toJson(blockchain);
        System.out.println(blockchainJson);
    }
}

　　现在，需要一种方法去验证创建的区块链。编写一段 isChainValid() 方法。任何块的改变将会导致这个方法失效。

public static Boolean isChainValid() {
        Block currentBlock;
        Block previousBlock;

        for (int i = 1; i < blockchain.size(); i++) {
            currentBlock = blockchain.get(i);
            previousBlock = blockchain.get(i - 1);

            if (!currentBlock.hash.equals(currentBlock.calculateHash())) {
                System.out.println("Current Hashes not equal!");
                return false;
            }

            if (!previousBlock.hash.equals(currentBlock.preHash)) {
                System.out.println("Previous Hashes not equal!");
                return false
            }
        }
        return true;
    }

　　接下来，尝试一下挖矿！

　　

　　在 Block 类中，新增一个变量 nonce，并且添加到 calculateHash() 这个方法中，同时需要 mineBlock() 这个方法。这个方法中的 difficulty 变量就是用来控制计算量的。当设置的值较低时，大部分计算机很快就能算出来。

import java.util.Date;

public class Block {
    public String hash;
    public String preHash;
    private String data;
    private long timeStamp;
    private int nonce;

    public Block(String data, String preHash) {
        this.data = data;
        this.preHash = preHash;
        this.timeStamp = new Date().getTime();
        this.hash = calculateHash();
    }

    public String calculateHash() {
        String calculatedhash = StringUtil.applySha256(preHash + Long.toString(timeStamp) + Integer.toString(nonce) +
                data);
        return calculatedhash;
    }

    public void mineBlock(int difficulty) {
        String target = new String(new char[difficulty]).replace('\0', '0');
        while (!hash.substring(0, difficulty).equals(target)) {
            nonce++;
            hash = calculateHash();
        }
        System.out.println("Block Mined!!!" + hash);
    }
}

　　我们可以在 Main 类中定义个静态变量。尝试在每次创建新块去调用 mineBlock() 方法。

import com.google.gson.GsonBuilder;

import java.util.ArrayList;
import java.util.Date;

public class Main {

    public static ArrayList<Block> blockchain = new ArrayList<Block>();
    public static int difficulty = 5;

    public static void main(String[] args) {
        long beginTime1 = new Date().getTime();
        blockchain.add(new Block("Hi i am the first block", "0"));
        System.out.println("Trying to  mine block 1...");
        blockchain.get(0).mineBlock(difficulty);
        long endTime1 = new Date().getTime();
        System.out.println("Mining block 1 cost " + (endTime1 - beginTime1));

        long beginTime2 = new Date().getTime();
        blockchain.add(new Block("Hi i am the second block", blockchain.get(blockchain.size() - 1).hash));
        System.out.println("Trying to  mine block 2...");
        blockchain.get(1).mineBlock(difficulty);
        long endTime2 = new Date().getTime();
        System.out.println("Mining block 1 cost " + (endTime2 - beginTime2));

        long beginTime3 = new Date().getTime();
        blockchain.add(new Block("Hi i am the third block", blockchain.get(blockchain.size() - 1).hash));
        System.out.println("Trying to  mine block 3...");
        blockchain.get(2).mineBlock(difficulty);
        long endTime3 = new Date().getTime();
        System.out.println("Mining block 1 cost " + (endTime3 - beginTime3));

        System.out.println("\nBlockchain is Valid: " + isChainValid());

        String blockchainJson = new GsonBuilder().setPrettyPrinting().create().toJson(blockchain);
        System.out.println(blockchainJson);
    }

    public static Boolean isChainValid() {
        Block currentBlock;
        Block previousBlock;
        String hashTarget = new String(new char[difficulty]).replace('\0', '0');

        for (int i = 1; i < blockchain.size(); i++) {
            currentBlock = blockchain.get(i);
            previousBlock = blockchain.get(i - 1);

            if (!currentBlock.hash.equals(currentBlock.calculateHash())) {
                System.out.println("Current Hashes not equal!");
                return false;
            }

            if (!previousBlock.hash.equals(currentBlock.preHash)) {
                System.out.println("Previous Hashes not equal!");
                return false;
            }

            if (!currentBlock.hash.substring(0, difficulty).equals(hashTarget)) {
                System.out.println("This block hasn't been mined");
                return false;
            }
        }
        return true;
    }
}

　　运行发现，挖矿过程还是很费时间的。把计算量改成7，差不多每挖一个需要一分钟。。。

　　如果在此过程中，有人篡改了数据，将会导致：

• 区块链将会无效
• 不能够创建一个更长的区块链
• 网络中的诚实链将会比较长的区块链有时间上的优势

　　不过如果篡改数据拥有更强的运算速度，可能成功篡改。

　　这样，基本上简单实现了一个区块链了。