Bitcoin 中的挖矿算法（3）挖矿算法代码说明

1. 步骤说明：

step1. createNewBlock生成一个新块
step2. 轮循nounce，计算hash以符合难度值
step2.1 先循环增加CoinBase交易的Script 的nounce
step2.2 再循环CBlockHeader中的nounce来计算hash

2. 代码：

step2 大循环

while (true) {
//step1 std::unique_ptr<CBlockTemplate> pblocktemplate(BlockAssembler(empty_mempool, Params()).CreateNewBlock(::ChainstateActive(), coinbase_script));CBlock* pblock = &pblocktemplate->block;IncrementExtraNonce(pblock, pindexPrev, nExtraNonce);int64_t nStart = GetTime();arith_uint256 hashTarget = arith_uint256().SetCompact(pblock->nBits);uint256 hash;uint32_t nNonce = 0;while (true) {// Check if something foundif (ScanHash(pblock, nNonce, &hash)) {if (UintToArith256(hash) <= hashTarget) {// Found a solutionpblock->nNonce = nNonce;assert(hash == pblock->GetHash()); break;}}// Check for stop or if block needs to be rebuiltboost::this_thread::interruption_point();// Regtest mode doesn't require peers//if (vNodes.empty() && chainparams.MiningRequiresPeers())//break;if (nNonce >= 0xffff0000)break;if (empty_mempool.GetTransactionsUpdated() != nTransactionsUpdatedLast && GetTime() - nStart > 60)break;if (pindexPrev != ::ChainstateActive().m_chain.Tip())break;// Update nTime every few secondsif (UpdateTime(pblock, chainparams.GetConsensus(), pindexPrev) < 0)break; // Recreate the block if the clock has run backwards,// so that we can use the correct time.if (chainparams.GetConsensus().fPowAllowMinDifficultyBlocks)    {// Changing pblock->nTime can change work required on testnet:hashTarget.SetCompact(pblock->nBits);}}
...

step 2.1 先循环增加CoinBase交易的Script 的nounce

自2012年以来，比特币挖矿发展出一个解决区块头结构的根本性限制的方案。在比特币的早期，矿工可以通过遍历随机数(Nonce)直到生成的哈希值小于target从而挖出一个区块。随着难度的增加，矿工经常在尝试了40亿个nonce值后仍然没有出块。然而，这很容易通过更新区块的时间戳并计算经过的时间来解决。因为时间戳是区块头的一部分，它的变化可以让矿工再次遍历nonce的值。然而，当挖矿硬件的速度超过了4GH/秒，这种方法变得越来越困难，因为随机数的取值在一秒内就被用尽了。随着ASIC矿机的出现并且超过了TH/秒的hash速率后，挖矿软件为了找到有效的块，需要更多的空间来储存nonce值。时间戳可以延伸一点，但如果把它移动得太过遥远(too far into the future)，会导致区块变为无效。
区块头里面需要一个新的“改变”的源头。解决方案是使用coinbase交易作为额外随机值的来源，因为coinbase脚本可以储存2-100字节的数据，矿工们开始使用这个空间作为额外随机值的空间，允许他们去探索一个大得多的区块头值的范围来找到有效的区块。这个coinbase交易包含在merkle树中，这意味着任何coinbase脚本的变化将导致Merkle根的变化。8个字节的额外随机数，加上4个字节的“标准”随机数，允许矿工每秒尝试2^96（8后面跟28个零）种可能性而无需修改时间戳。如果未来矿工尝试完了以上所有的可能性，他们还可以通过修改时间戳来解决。同样，coinbase脚本中也有更多的空间可以为将来随机数的额外空间扩展做准备。

void IncrementExtraNonce(CBlock* pblock, const CBlockIndex* pindexPrev, unsigned int& nExtraNonce)
{// Update nExtraNoncestatic uint256 hashPrevBlock;if (hashPrevBlock != pblock->hashPrevBlock) {nExtraNonce = 0;hashPrevBlock = pblock->hashPrevBlock;}++nExtraNonce;unsigned int nHeight = pindexPrev->nHeight + 1; // Height first in coinbase required for block.version=2CMutableTransaction txCoinbase(*pblock->vtx[0]);txCoinbase.vin[0].scriptSig = (CScript() << nHeight << CScriptNum(nExtraNonce));assert(txCoinbase.vin[0].scriptSig.size() <= 100);pblock->vtx[0] = MakeTransactionRef(std::move(txCoinbase));pblock->hashMerkleRoot = BlockMerkleRoot(*pblock);
}

step2.2. 再循环CBlockHeader中的nounce来计算hash

bool static ScanHash(const CBlockHeader* pblock,
uint32_t& nNonce, uint256* phash)
{// Write the first 76 bytes of the block header to a double-SHA256 state.CHash256 hasher;CDataStream ss(SER_NETWORK, PROTOCOL_VERSION);ss << *pblock;assert(ss.size() == 80);hasher.Write((unsigned char*)&ss[0], 76);while (true) {nNonce++;// Write the last 4 bytes of the block header //(the nonce) to a copy of// the double-SHA256 state, and compute the result.CHash256(hasher).Write((unsigned char*)&nNonce, 4).Finalize((unsigned char*)phash);// Return the nonce if the hash has at least some //zero bits, caller will check if it has enough // to reach the targetif (((uint16_t*)phash)[15] == 0)return true;// If nothing found after trying for a while, return -1if ((nNonce & 0xfff) == 0)return false;}

. 将CBlockHeader中除nNonce的值都写入buf,. 既是写入到 CDataStream

class CBlockHeader
{public:// headerint32_t nVersion;uint256 hashPrevBlock;uint256 hashMerkleRoot;uint32_t nTime;uint32_t nBits;uint32_t nNonce;

class CBlockHeader
{SERIALIZE_METHODS(CBlockHeader, obj){ READWRITE(obj.nVersion, obj.hashPrevBlock, obj.hashMerkleRoot, obj.nTime, obj.nBits, obj.nNonce);}

.实际上算hash时先写入76bytes到CHash256 中，然后循环nNonce.

76bytes = 4bytes(nVersion)+  32bytes(hashPrevBlock) +
+32bytes(hashMerkleRoot)+4bytes(nTime)+4bytes(nBits)
= 76bytes

.CHash256 计算hash值:

hash.h
/** A hasher class for Bitcoin's 256-bit hash (double SHA-256). */
class CHash256 {private:CSHA256 sha;void Finalize(unsigned char hash[OUTPUT_SIZE]) {unsigned char buf[CSHA256::OUTPUT_SIZE];// 第一次SHA-256哈希计算sha.Finalize(buf);// 对上一步的计算结果再一次进行SHA-256哈希计算sha.Reset().Write(buf, CSHA256::OUTPUT_SIZE).Finalize(hash);}CHash256& Write(const unsigned char *data, size_t len) {sha.Write(data, len);return *this;}

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