第七章：从应用升级为平台

大家还记得最早的那种老式手机吗？基本上你只能用它来发信息和打电话，或者砸核桃（仅适用于诺基亚手机）。第六章之前的Q链就类似于这种手机，只能进行简单的转账交易。后来的手机变得先进一点了，内置了一些应用，你可以收发邮件或者玩一些小游戏。第六章增加了脚本执行能力的Q链类似这种手机，变强了，但是有限。再后来智能手机横空出世，有大量的应用供你安装，你直接拥有了一台可以装进口袋的小型计算机。智能手机的这种飞跃会在Q链上重演吗？是的！

第五章的Q链我们可以称之为1.0版，第六章的Q链我们称之为1.1版。这一章将带你见证Q链从1.x版到2.0版的全面进化。升级之后的Q链将可以执行复杂的智能合约，为生态发展提供一个稳固的平台。

应用程序

为了更好地理解Q链的这次升级，必须从传统的应用程序开始说起。我们的电脑上，手机上，甚至手表上，都跑着各种各样的应用程序（Application），简称应用（App）。那么这些应用是如何工作的呢？我们这里只讨论一个极度简化后的模型，如下图所示：

以电脑为例。我们下载并安装一个应用程序之后，它通常会作为可执行文件存储在电脑的硬盘上。当我们打开这个应用的时候，它会被操作系统加载到内存里（1）。然后电脑的CPU开始解析并执行这个应用程序的一条条指令（2）。这些指令在执行的过程中，需要一些临时的空间来辅助计算，这些空间也从内存里分配（3），然后用完后要还给系统。如果程序需要读写一些持久化的状态，就必须借助磁盘文件来完成（4）。

这就是普通应用程序的最简工作原理，下面我们来看一下Q公司是如何把这套系统搬到Q链上的。

账户模型

在第三章，为了对交易进行审计，我们把记账模式从账户模型改成了UTXO模型，该模型支撑Q链一路走到了脚本时代。UTXO模型虽确实满足了审计需求，但是较为依赖索引服务，对于复杂的计算并不友好。于是这一章我们选择再退回到账户模型，直接通过账户记录余额等信息，以此规避UTXO的索引依赖、简化复杂计算。但这并不是历史的倒退，因为我们并不是简单回退到原来的版本，而是采用一种新的方式。新的账户表只有两列，一列是账户地址（公钥的哈希值），一列是账户数据，如下图（左）所示：

根据账户地址，我们可以从账户表里查到某个账户的数据。暂时可以认为某个账户的所有数据都存储在一起，其详细内容如上图（右）所示。账户数据里，只有“Q币余额”的作用是一目了然的，无需解释。其余的数据，基本也能猜到作用，我们会在后面的小节里详细介绍。

交易格式

由于更换了存储模型，交易格式也要跟着变化。之前基于UTXO的交易格式完全不需要了，取而代之的是新版的交易格式，内容如下图所示：

还记得第二章介绍过的重放攻击吗？这里的交易次数就是用来起同样的防护作用的。一个新的账户，其交易次数是零，然后每执行一笔交易增加一。一笔新的交易，其交易次数必须等于签署账户交易次数加一，否则这就是一笔过时的交易，Q链会拒绝处理。举个例子，如果某账号的交易次数是10，那么它签署的下一笔交易的交易次数必须是11。

数字签名的含义跟原来是一样的。注意，通过交易数据和数字签名，可以恢复出签署这笔交易的公钥，进而可以算出对应的账户地址。因此我们没有必要把账户地址附加在交易数据里，这样可以提高交易在Q链中传播和存储的效率。地址的恢复和计算过程如下图所示：

目标地址、转账金额、燃料限制、燃料价格、合约调用数据，这些内容要到后面才能解释清楚，暂且不管。这里只提醒一句：转账金额和后面两个带“燃料”二字的字段是两码事，前者是你要转给对方多少Q币，后者关系到这笔交易本身要花多少手续费。

区块格式

区块格式基本保持不变。但是由于我们不使用UTXO模型了，所有的数据都存在账户表里，所以我们必须想一个办法，防止账户数据被随意更改。可不可以每准备好一个区块（执行完里面的全部交易），就把整个的账户数据表做一次哈希运算，把得到的哈希值记录下来？先不管效率如何，至少思路是对的。新的区块就只是增加了这么一个信息，格式如下图所示：

我们把整张账户表表示的全部状态叫做Q链的世界状态（World State），这个哈希值就相当于世界状态的指纹。这个世界中的任何一个微小变化，都会导致它的指纹发生变化。当然，直接算整张账户表的哈希值是非常低效的，下一个小节会介绍Q链是如何高效完成这个计算的。

世界状态

首先，我们完全可以先计算每个账户的哈希值，然后再计算整个世界的哈希值。这样，那些没有变化过的账户数据就不用参与世界哈希值的计算了。按照这个思路，我们还可以先计算代码和持久存储的哈希值，然后再用这两个哈希值去计算某个账户的哈希值。我们后面会看到，相比于其他数据，代码和持久存储是比较大的，所以单独计算它们的哈希值是有好处的。比如某个账户只是Q币余额变了，那么可以非常快的算出这个账户的哈希值。我们干脆就把代码和持久存储放到别的地方，如下图所示：

在第四章的时候，我们介绍过默克尔哈希树。实际上，Q公司并不是直接使用数据库，而是用一种类似默克尔树的结构来存储账户数据的，叫做MPT树。我们不需要了解这种数据结构的细节，只需要知道，这种数据结构既可以很容易通过账户地址查到对应的账户数据，也可以非常快速地算出世界哈希。这里我们先用默克尔树来理解世界状态，如下图所示：

智能合约

现在我们可以来解释一些前面没有交代清楚的细节了。先来看账户数据，我们还不清楚代码和持久存储是干啥用的。这里给出答案。Q链允许每个地址附带一个可执行程序，这个程序叫做智能合约（Smart Contract），简称合约。智能合约在执行的时候，可以操作一块专属于自己的持久化的存储空间，简称存储（Storage）。账户数据里的这两个地方，就是用来保存智能合约代码，以及当做存储空间来用的。

那么如何执行智能合约呢？通过发起交易。调用哪个智能合约呢？通过交易的目标地址指定。想让智能合约干一些什么事情呢？通过交易的合约调用数据指定。我们还可以顺便给智能合约转一些Q币，只要把数量写在交易的转账金额里就可以了。交易执行的时候，这些Q币会从发起调用的账户转到被调用的账户。那么剩下的燃料限制和燃料价格又是怎么回事儿？等一下就会介绍。

了解完这些信息以后，我们就可以简单分析一下Q链上的应用（智能合约）是如何工作的了。当某个交易被执行的时候，Q链节点会根据目标地址找到具体的账户，然后加载它的智能合约代码（1），准备执行。交易的合约调用数据和其他一些信息会被当作只读数据（2）加载，供合约在运行期间读取。合约在运行期间还需要一些临时的存储空间来做一些计算，这些空间会在一片虚拟的内存（3）中分配。合约还会读写自己的持久化的存储（4）。最后，一切就绪，Q链启动一台专门的虚拟机（5）来一条一条执行合约的指令。Q链智能合约的简化执行流程如下图所示：

不过Q链智能合约的执行，和普通的计算机程序执行是有很大不同的，这里说明一下。

第一，原子性。Q链的交易具备原子性，因此Q链智能合约的执行也具备原子性。合约在执行期间会读写合约账户的持久存储，或导致某些账户的Q币余额发生变化。如果合约执行成功，所有的改动会全部生效。否则，所有的改动会全部回退（除了执行合约所花费的Q币）。

第二，运行时间。普通的程序可以一直运行，直到自动结束，或者用户把它关掉。但是智能合约每次只能运行很短的时间。想象一下，智能合约是在交易中执行的，如果某个智能合约执行时间过长，会导致整个节点卡住。这就是我们在第六章介绍过的拒绝服务攻击。之前为了解决这个问题，Q链直接把循环结构给删除了，导致Q链只能执行相对简单的脚本，并且要按照脚本的大小（字节数）掏手续费。现在Q链要执行复杂的智能合约，就必须要有图灵完备的虚拟机。那么把循环结构加回来后，Q链怎么解决停机问题呢？这个问题下一小节来回答。

第三，安全性。相比普通程序，智能合约的安全性尤为关键。传统应用即便出现内存泄漏或崩溃等问题，影响多局限于功能使用，而智能合约绝不能存在严重漏洞，否则可能直接导致用户资金全部损失。更值得警惕的是，还存在可重入攻击（Reentrancy Attack）、溢出攻击（Overflow Attack）等专门针对智能合约的恶意攻击手段。正因如此，智能合约通常会交由专业审计公司进行安全审计，但即便经过审计，也难以完全杜绝漏洞。这就像计算机领域的“停机问题”，机器无法判定另一个程序是否会终止，人类同样无法百分百确认一款程序已彻底无懈可击。

另外补充一点：虽然我们将部署在Q链上的代码称为智能合约，但这个概念的诞生时间远早于区块链技术。它最早由著名密码学家尼克・萨博（Nick Szabo）在20世纪90年代提出，核心是通过预设代码自动执行合约条款、无需第三方介入。只不过受限于当时的技术条件，这一构想未能落地，直到区块链技术出现后，才为智能合约提供了可信的执行环境，使其真正发挥价值并被广泛应用。

指令计费

你想象一台汽车，行驶在一个环线上。假设它的刹车突然失灵了，无法减速，会发生什么呢？如果这辆车的方向盘也失去了控制，只能走直线，那么它很快会偏离道路，最后撞到障碍物停下来。如果我们还可以控制方向，可以让它一直沿着环线转圈，直到汽油（Gas）烧完，慢慢停止。你是否可以从这个“停车”问题得到一些启发？

对于停机问题，前一章的解法就好比把汽车的方向盘给拆掉。车只能前进无法后退，直到无路可走。而这一章呢？我们知道汽车只能携带有限的汽油，烧光这些油自然也就走不动了。好的，懂了，但是Q链能用这个办法吗？能，我们只要对Q链虚拟机执行的每一条指令都计费就可以了。

Q链规定，虚拟机执行每一条指令都是要消耗一定数量虚拟燃料的。注意不是直接收取Q币，而是消耗燃料。为什么要这样做呢？是为了动态调整燃料的价格（Gas Price，按Q币计价）。在Q链压力大的时候，系统会调高燃料价格，这样执行相同的操作花的燃料费（Gas Fee）就会变高，导致压力下降。反过来，系统空闲的时候燃料费会降低，用户可以利用这个时间段进行一些不太重要的操作以便节约燃料费。燃料费用、燃料数量、燃料价格之间的关系如下所示：

消耗的燃料费用 = 消耗的燃料数量 × 燃料价格

现在我们可以回过头来看看交易里的那几个字段了。当某个账户发起交易的时候，Q链会从他的余额里扣走两笔互不相干的钱。第一笔是交易里写明的转账金额，它会原封不动地转给目标账户，一分不多一分不少。第二笔是这笔交易可能烧掉的燃料费，Q链会按“燃料限制×燃料价格”先冻结一笔钱，也就是这笔交易最多可能花掉的手续费。等合约执行完毕，实际消耗掉的那部分付给打包这笔交易的矿工，没烧完的部分退还给发起者。请注意这两笔钱是分开的：转多少Q币完全由你自己说了算，而烧掉多少燃料费，则取决于合约实际执行了多少条指令。如果燃料费都用光了，合约还没有执行结束，Q链系统会把它强制停止，并回退所有的状态变更（包括那笔转账）。注意，合约执行用掉的燃料费是不能回退的，否则黑客就可以不停地发交易对Q链进行攻击。

有没有可能发起合约的调用者是善意的，但是可能因为不小心调用了错误的合约，或者传入了错误的参数，或者合约有bug，导致不小心陷入死循环把燃料费都用光呢？也是有可能的，所以我们在交易中增加了燃料限制这个信息。如果燃料的消耗达到了燃料限制，Q链就会按照上面描述的方式终止交易。

指令计费，以及整个合约执行的流程如下图所示：

生态系统

和传统的应用程序不同，Q链的智能合约是分布式（去中心化）的，会被整个Q链的所有节点执行。为了与传统的应用进行区别，我们把Q链上的智能合约叫做去中心化应用（Decentralized Application），通常简称为DApp。

Q链升级以后，很快就出现了各种类型的DApp。有各种各样的代币（Token），也有各种数字收藏品（NFT）。出现了去中心化自治组织（Decentralized Autonomous Organization，简称DAO），在Q链上通过投票共同作出一些决议。甚至还出现了虚拟空间游戏，允许玩家在Q链上打造自己的数字乐园，我们通常称这种基于区块链的虚拟交互空间为元宇宙（Metaverse）。

我们知道互联网发展经历了不同的阶段。Web1时代是“只读”模式，内容由平台提供，用户只能看。典型的代表就是早期的雅虎和搜狐等门户网站。Web2时代变成“可读可写”，用户能发布文字或照片、拍短视频创作内容，但这些内容和数据仍归平台所有。微信、微博、抖音等是这个时期的代表。而Q链支持DApp后，很多公司开始转型，改用用户钱包登录 —— 不用再记账号密码，钱包地址就是身份，用户在应用里的内容和资产也归自己管，不再被平台把控。我们称这个新的时期为Web3时代。

不过，在Q链上涌现的各类DApp里，最受关注的要数那些模拟现实经济活动的应用。Q链升级后的某一年夏天，一大批这类应用集中落地Q链：有的复刻现实中的交易场景，让用户能在链上完成虚拟资产兑换；有的模仿传统借贷平台，提供点对点的数字资产借贷服务；还有的参照保险业务逻辑，开发出基于智能合约的去中心化保障产品。短短一个夏天，这类应用的爆发式增长让整个行业都为之惊叹。我们把这种以数字形式模拟现实金融、依托区块链运行的体系，称为“去中心化金融”（Decentralized Finance），简称DeFi；而那个因DeFi爆发而被永远记住的夏天，也被大家称作DeFi之夏（DeFi Summer）。

本章小结

这一章发生了太多的事情，我们来总结一下。首先，Q链拥有了执行复杂智能合约的能力。为了达到这个目的，Q链记账模式从UTXO模式改回了账户模式，并通过指令计费的方式解决了停机问题，让虚拟机变成图灵完备。通过这些改变，Q链完成了从分布式记账系统到分布式计算系统的转变，变成了一台强大的去中心化计算机，可以在上面执行DApp。

这次升级带来的变化远不止技术层面。Q币的角色也跟着变了，它曾经是“数字黄金”，现在又多了一重身份：驱动整个网络运转的可编程燃料。DApp生态迅速繁荣起来，互联网也随之从Web2迈向Web3。而那个见证了无数金融创新的“DeFi之夏”，至今仍是让后来者心向往之的行业传奇。至于挖矿耗电的争议，Q链也从未回避，多年以后它将从PoW切换到PoS，不过那又是另一个故事了。

基于Q链的DApp生态极为庞大，本书难以穷尽所有内容。在后续章节中，我们将聚焦部分具有代表性的应用展开讨论：第八章会讲解各类代币协议和链上资产，第九章将介绍极具创新性的恒定乘积自动做市协议（AMM），第十章则会阐述链上借贷协议。