Substrate 入门（8） – Runtime概要

Substrate入门专题，目前有以下几篇文章： * [环境配置与编译](https://learnblockchain.cn/article/273) * [运行与调试](https://learnblockchain.cn/2019/12/21/substrate-run-debug/) * [具备状态的链](https://learnblockchain.cn/2019/12/22/substrate-state/) * [项目结构](https://learnblockchain.cn/2019/12/23/substrate-struct/) * [区块头](https://learnblockchain.cn/2019/12/30/substrate-header/) * [交易体](https://learnblockchain.cn/article/330) * [Substrate的模型设计](https://learnblockchain.cn/article/331) * [Runtime概要](https://learnblockchain.cn/article/348) * [Runtime 的 wasm 与 native](https://learnblockchain.cn/article/382) * [Runtime的构成](https://learnblockchain.cn/article/709) * [学习Runtime必备的技能](https://learnblockchain.cn/article/714) 承接上一篇文章，在介绍了Substrate的模型设计后，终于可以开始进行Substrate的Runtime部分的介绍。本篇首先介绍Runtime的概要模型，为后续文章打下基础。 上一篇文章已经介绍了对于运行“链上代码”的部分是一个沙盒，因此Runtime的模型从本质上而言就是一个与其他环境隔绝的沙盒。那么对于一个沙盒而言，由于其与外界隔绝，因此必定有相应的口子让Runtime与外界进行交互。因此Runtime对外开的口子主要分为2类： * IO：负责Runtime Storage 的Read/Write. * API：Runtime与一切外界元素交互的入口，例如： * 创建区块 * 执行交易 * 验证交易合法性 * Runtime的metadata （关于metadata今后专门撰写文章介绍） * 结构化读取Runtime存储 * 执行合约 * 等等… ## Runtime的模型概要 Runtime的模型本质上如下所示：  实际上图中所示的已经是最简化版本，这里只是表明这个意思，实际的实现还要更复杂一下。在图中需要留意的关键有以下几点： ### 1. Runtime 对外层的接口 在图中明显的表明，Runtime对外层的接口实际上只有两种： * IO * API 其中IO是对于开发者不可见的，对于Runtime的IO接口后续会专门撰写进行介绍。本文重点介绍API接口。 这里的API我们命名为Runtime API，其在Runtime的运转中具有极其重要的意义。不过由于最关键的区块构建，交易执行的api由Substrate Core 负责了，因此对于普通开发者而言，懂个大概就足够了。 这里要专门介绍Runtime的意义在于，与<a href="https://lanhainft.com/tag/%e5%8c%ba%e5%9d%97%e9%93%be" title="区块链flickr.photos.notes.edit>区块链</a>的模型相比，**可以看出Substrate的Runtime抽象力争于将“Runtime的概念”与“链”的概念进行解耦，让Runtime脱离链的执行环境（打包区块，执行交易），转而成为是Runtime向外界提供构建区块，执行交易的接口。** 因此在其他<a href="https://lanhainft.com/tag/%e5%8c%ba%e5%9d%97%e9%93%be" title="区块链flickr.photos.notes.edit>区块链</a>模型中，一般遵循： > 出块打包/同步区块 -> 执行 -> 创建环境 -> 调用交易中对应的某个函数接口 而在Substrate的Runtime模型中，遵循 > 出块打包/同步区块 -> 执行 -> 创建环境 -> 调用Runtime的执行区块api -> 进入Runtime层（在执行区块的过程中，才会调用交易中对应的函数接口） 因此在这种模型下，一个完整的Runtime**可以承载在不同的外界环境中运行**： * 例如使用c++重新实现Runtime的执行环境体 * 在浏览器中运行WASM * 波卡的分片**跨链的<a href="https://lanhainft.com/tag/%e5%b9%b3%e8%a1%8c%e9%93%be" title="平行链flickr.photos.notes.edit>平行链</a>** * 等等… 因此我们在Substrate的runtime构建的过程中，可以看到其为Runtime定义了一些`Core`的api，用于执行<a href="https://lanhainft.com/tag/%e5%8c%ba%e5%9d%97%e9%93%be" title="区块链flickr.photos.notes.edit>区块链</a>的核心逻辑： 定义api代码：`primitives/api/src/lib.rs:L464` “` decl_runtime_apis! { /// The `Core` runtime api that every Substrate runtime needs to implement. #[core_trait] #[api_version(2)] pub trait Core { /// Returns the version of the runtime. fn version() -> RuntimeVersion; /// Execute the given block. #[skip_initialize_block] fn execute_block(block: Block); /// Initialize a block with the given header. #[renamed("initialise_block", 2)] #[skip_initialize_block] #[initialize_block] fn initialize_block(header: &<Block as BlockT>::Header); } /// The `Metadata` api trait that returns metadata for the runtime. pub trait Metadata { /// Returns the metadata of a runtime. fn metadata() -> OpaqueMetadata; } } “` 实现代码：`bin/node/runtime/src/lib.rs:L609` “` impl_runtime_apis! { impl sp_api::Core<Block> for Runtime { fn version() -> RuntimeVersion { VERSION } fn execute_block(block: Block) { Executive::execute_block(block) } fn initialize_block(header: &<Block as BlockT>::Header) { Executive::initialize_block(header) } } // metadata… impl sp_block_builder::BlockBuilder<Block> for Runtime { fn apply_extrinsic(extrinsic: <Block as BlockT>::Extrinsic) -> ApplyExtrinsicResult { Executive::apply_extrinsic(extrinsic) } // … } //… } “` 在Substrate中，对于API的实现极其复杂，采用了很多宏的实现。由于本系列只是入门，所以这里我们不探究宏背后的实现，直接给出案例说明结论： 对于一个API，首先需要对其进行声明，通过宏`decl_runtime_apis!`，然后对应于声明过的宏，需要在Runtime内部（例如在`node/runtime/src`下）对其进行实现，而实现的方式也只能通过宏`impl_runtime_apis!` 毕竟Substrate是以“<a href="https://lanhainft.com/tag/%e5%8c%ba%e5%9d%97%e9%93%be" title="区块链flickr.photos.notes.edit>区块链</a>”的模型存在的，因此我们可以看到在`primitives/api/src/lib.rs`中声明了`Core`的api（注意这里位于的包是在primitives下，参见前几文章对模块</p> <div class="pt-0 d-none d-block d-xl-none d-lg-none"><aside id="header-widget-shop-down" class="widget-area"><p></p></aside></div><div class="post-note alert alert-warning mt-2" 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