如何分析EOS源码中的与资源管理

如何分析EOS源码中的与资源管理，相信很多没有经验的人对此束手无策，为此本文总结了问题出现的原因和解决方法，通过这篇文章希望你能解决这个问题。

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0 前言

1 EOS资源管理包括哪些资源

EOS资源管理模块主要对以下资源进行管理：

带宽和磁盘（Bandwidth and Log Storage (Disk)）
计算资源（Computation and Computational Backlog (CPU)）
内存资源（State Storage (RAM)）

交易数据在区块链网络传播时需要消耗带宽资源，在各节点进行持久化存储时需要消耗磁盘资源；交易在执行过程中会消耗CPU资源，后续节点需要replay区块时也会消耗CPU资源；交易总量增长过大和交易发生速度（频次）过快都是一种开销；EOS状态数据库（state db）存储应用层常访问的历史数据，如交易记录、账户余额等，这些需要消耗内存资源和磁盘资源。

2 为什么要对资源管理

EOS网络中的资源总是有限的，而交易处理又是资源敏感的，为避免资源滥用，必须对资源使用权限作出限制和管理，保障网络的正常运行。

3 Token与资源管理的关系

EOS的Token（通证）的引入，有以下功能：

配合实现资源管理，抵押的Token越多，可使用的资源越多；
奖励BP节点（增发）；
创业团队初始融资手段；
业务系统价值流通（如智能合约中某个操作，需要由发起方向接收方转账，则可由转移其拥有的Token来实现）

需要使用EOS网络资源的人就需要抵押其拥有的EOS Token，进行诸如购买RAM、抵押Token换取CPU资源和带宽资源等操作。

相关接口和实现在eosio.system智能合约中，如果未加载该智能合约并调用相关接口，则账户的RAM、CPU和NET使用不做限制，但交易和区块限制仍然生效。

4 资源管理机制

4.1 概述

如何分析EOS源码中的与资源管理

通过上图来分析EOS资源管理机制（从上而下分析），即在源码中如何实现：

资源包括RAM内存资源，计量单位为字节；CPU计算资源、计量单位为us微秒（即占用多长时间）；NET带宽资源，计量单位为字节；DISK磁盘资源隐含在前述部分，未单独再处理；
在具体实现时，分为单个账户限制、单笔交易限制和单个区块限制三部分；
通过使用量和限制量对比来进行管理； RAM的使用只有累计的概念，即只要该账户（对交易中各Action进行签名授权的账户）RAM还有使用剩余即可，对单次交易RAM使用量不做限制； CPU和NET的使用分为单次和累计两部分，即不能超出单次限制也不能超出累计限制；
一些基础的限制数据，如单笔交易最大CPU限制150ms、单个区块最大带宽限制1M等，通过写死的源码常量、或者config.ini配置文件、或者set接口调用、或者每次交易时传参来确定；
部分常变的限制数据，如账户抵押token量，全网token抵押量，以及所有资源使用量，均在状态数据库中存储（状态数据库基于内存文件映射机制实现）；主要包括四张表，第一张是账户使用量表usage_index，第二张是账户限制表limit_index，第三张是区块使用量表state_index，第四张是区块配置表config_index（表名已简写）；
资源使用异常有很多中错误码，主要包括图中所示错误码，其中需要说明的是灰名单账户机制，其限制量略有区别。

在交易初始化时会对资源使用量进行计算，并做早期检查，超标则直接拒绝执行；在交易执行完成时对账户限制、交易限制、区块限制进行检查；在区块打包时更新资源累计使用量，并更新限制。

4.2 虚拟资源限制

虚拟资源限制（virtual resource limits）与CPU&NET资源累计使用量相关，是为了更好的利用资源而引入的，因为资源使用量在不同时间段有高有低。引入虚拟资源限制后，当前一时间段资源使用量低时，扩大虚拟资源限制，下一时间段则可以使用相对更多的资源，反之亦然。

如何分析EOS源码中的与资源管理

如上图所示，区块CPU和NET限制结构定义一样:

target：预期的单个区块资源使用量；
max：单个区块资源使用限制；
periods：累计使用量计算时间周期，如区块使用量计算周期为1小时；
max_multiplier：空闲状态下最大的资源使用量限制扩大系数；
contract：缩小系数，虚拟资源限制缩小的步长；
expand：放大系数，虚拟资源限制放大的步长。

每个区块在打包时，对其包含的所有交易总量进行计算，如果资源使用量超过预期值target，则用contract系数来缩小virtual_resource_limits，如果低于预期值target，则用expand系数来扩大virtual_resource_limits。

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账户资源使用量限制只有在抵押了token的前提下才生效，其限制值会结合区块限制值和token抵押占比来计算。

4.3 累计使用量

累计使用量针对CPU和NET，RAM无此概念。

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如上图所示，累计使用量包括三个概念:

last_ordinal：该交易的时间，源码中通过区块头中的时间（区块编号）来确定；
value_ex:当前计算周期periods内的资源使用平均值；
consumed：过去一个计算周期的平均值加上当前周期的使用总量。

需注意，源码中在实现时，周期是平滑过渡的而不是严格分割，即假设前一周期是[0s-100s]，每0.5m出块，则下一周期为[0.5s-100.5s]，下下一周期为[1s-101s]。

每笔交易的每个action都会进行累加。如果两个action同属一个区块，则直接累加总用量consumed,直接累加平均使用量value_ex；如果该action与前一个action不属于同一区块，则将该区块之前的一个周期的平均使用量value_ex计算出来并加上当前区块使用量赋值给consumed，而平均使用量有一个衰减的概念。

如何分析EOS源码中的与资源管理

delta表示该action时间与上一笔action的时间差。可见，如果某账户频繁操作，其衰减系数decay会一直比较大，最终导致其value_ex衰减缓慢，且限制值会越来越小，从而较快的达到使用上限；而如果操作不频繁，则衰减变快，限制值越来越大，不容易达到使用上限。

5 源码详述

5.1 表数据结构说明

如何分析EOS源码中的与资源管理

如上图所示，一共4张表，resource_limits_config_index为区块限制配置表，resource_limits_state_index为区块使用记录表，resource_limits_index为账户限制配置表，resource_usage_index为账户使用记录表。usage_accumulator为CPU&NET累计使用量结构体，被区块使用记录表和账户使用记录表使用。elastic_limit_parameters为区块限制结构体，被区块限制配置表使用。

5.1.1 账户限制配置表

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5.1.2 账户使用记录表

如何分析EOS源码中的与资源管理

5.1.3 区块限制配置表

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5.1.4 区块使用记录表

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5.2 表操作接口说明

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上图表述了四张表被哪些接口访问。

5.2.1 账户限制相关方法

set_account_limits：设置账户的内存、CPU、带宽权重；不需要修改的部分可通过get_account_limits获取再传入；
get_account_limits：获取账户的内存、CPU、带宽权重；诸如购买内存、抵押CPU、带宽等等外部接口，最后都是调用这两个内部方法。
get_account_cpu_limit_ex：获取账户CPU限制（总限制、已使用、剩余量），该方法通过查询区块虚拟资源限制值，再查询账户权重和全网权重从而得到使用比例，最后得出实际限制值；
get_account_net_limit_ex：获取账户带宽限制（总限制、已使用、剩余量），与CPU同理；
get_account_cpu_limit：获取账户CPU剩余量，内部调用get_account_cpu_limit_ex；
get_account_net_limit：获取账户带宽剩余量，内部调用get_account_net_limit_ex；

5.2.2 账户使用相关方法

update_account_usage：标记账户使用了CPU和带宽资源；仅仅是标记作用，使用量为0，用以表明该账户这个时候发起了交易、申请了资源使用；在交易初始化时触发；即使后续交易失败，这一周期内也会有其使用记录，用于CPU和带宽累计使用量计算。
add_pending_ram_usage：增加账户内存使用量：创建账户、部署合约、修改权限等系统方法，以及其它智能合约接口需要操作状态数据库的都会调用该方法。
get_account_ram_usage：查询账户内存使用量。
verify_account_ram_usage：检查账户内存使用量是否超出限制。
add_transaction_usage：增加账户CPU和带宽使用量。

查询账户CPU和带宽使用量接口与查询账户CPU和带宽限制在一个接口中，见账户限制相关方法。

5.2.3 区块限制相关方法

set_block_parameters：设置区块CPU和带宽限制。
get_virtual_block_cpu_limit：查询区块虚拟CPU限制。
get_virtual_block_net_limit：查询区块虚拟带宽限制。
process_account_limit：生效账户权重和全网权重；例如账户CPU抵押量增大，则同步增大全网CPU抵押量。具体更新在set_account_limits交易时，生效则要等到区块打包时调用process_account_limit去生效。

5.2.4 区块使用记录表

get_block_cpu_limit：查询区块剩余CPU可用量，即限制值减去已使用量。
get_block_net_limit：查询区块剩余带宽可用量，即限制值减去已使用量。
process_block_usage：更新区块使用记录；在区块打包时调用。将当前区块使用量pending_net/cpu_usage统计到average_block_net/cpu_usage中，再根据当前区块使用量调整虚拟资源限制virtual_net/cpu_limit，最后重置pending_net/cpu_usage。

5.3 从数据角度分析

5.3.1 账户限制与使用

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如上图所示：

在创建系统核心账户和其它账户时，CREATE了该账户的限制配置记录，默认CPU、带宽和内存限制均为-1，表示不做限制；
在eosio.bios智能合约中提供了一个接口setalimits来设置账户权重，在eosio.system智能合约中提供了购买内存（buyram）、出售内存（sellram）、抵押CPU和带宽（delegatebw）、赎回CPU和带宽（undelegatebw）等接口来SET账户权重；
刚修改的账户权重在当前区块打包前不生效，区块打包完成后才生效。
在发送交易时调用相关GET接口对交易授权者账户限制进行查询。

以上为账户限制相关流程，下面分析账户使用相关流程：

EOS账户有其它已存在账户代为创建，创建账户时，创建者需要消耗内存、CPU和带宽；被创建账号不消耗资源，账户被创建时CREATE一条使用记录，默认使用值为0。
在该账户授权进行交易时，调用相关接口SET账户使用量。
在该账户授权进行交易时，调用相关接口GET账户使用量。

5.3.2 区块限制使用

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如上图所示（绿色为主要操作入口，蓝色为API查询接口）：

链初始化时，CREATE了区块限制记录。区块CPU最大限制为200ms，不超过500ms的一半。只有该节点自己处理的交易需要记录其资源消耗，其它节点广播过来的交易不记录资源消耗，可以理解为一个区块自己有200ms在处理交易，其余时间等待其它节点同步交易（此逻辑尚不确定，需要进一步研究）。每笔交易最少CPU消耗为100us。区块带宽最大限制为1M。这样的设计，是假设单笔交易耗时100us，消耗带宽200字节的情况下，TPS能够达到1万（1秒2个区块500ms/100us=1万,1秒2个区块1M/200bytes>1万）。区块使用量累计周期为1小时。账户使用量累计周期为24小时。
在区块打包时会SET区块限制，但目前源码实现其值与默认值一样。
在交易初始化和交易打包时，会GET区块限制信息，通过区块虚拟资源限制(账户权重/全网权重来获取账户实际限制)。
在区块打包时，会GET区块限制信息，判断该区块资源使用是否超标。
部分对外API接口也会调用相关方法查询区块和账户限制。

上述为区块限制相关流程，下面分析区块使用相关流程：

区块使用表主要包括四大部分：周期内平均使用量、当前区块使用量、全网权重以及虚拟资源限制。
在链初始化时会CREATE并SET虚拟资源限制为区块配置表中的最大限制值cpu/net_limit_paramters.max。
在交易打包时会SET区块使用量，即将该区块中所有交易的使用量累加。
在区块打包时会SET区块周期内平均使用量、虚拟资源限制，并重置区块使用量。
部分对外API接口也会调用相关方法查询区块使用信息。

5.4 从流程角度分析

主要流程包括交易初始化(transaction_context::init)、交易执行(transaction_context::exec)、交易打包（transaction_context::finalize）、区块打包(controller_impl::finalize_block)。

5.4.1 交易初始化

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交易初始化方法对该交易中所有action消耗的CPU和带宽总量进行计算，并计算CPU和带宽限制，并对CPU和带宽做基础检查。

本次交易带宽限制net_limit为当前区块最大限制减去当前区块已使用量;如果该限制太大，超过了单笔交易最大限制，则net_limit改为单笔交易最大限制;如果该笔交易额外配置了限制参数，且小于net_limit，则net_limit改为该限制参数值;
本次交易CPU限制同理；
检查本次交易已消耗的CPU(尚不清楚其逻辑，可能与延时交易相关);
标记相关账户已此时发送了交易，申请使用资源，用于计算累计使用量；
计算本次交易带宽和CPU使用量；
增加本次交易带宽使用量到局部变量net_usage中，并做检查；
检查本次交易是否超时。

5.4.2 交易执行

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