并行执行研究：你需要知道的一切

前言

本设计相对了类似于以太坊的构建装置，定量分析了构建交易价格并行强制执行强制执行的难点和可以性。

适合特别注意的是，此项科研概述的链是系统构思Account沙盘模型构思措施，不包扩UTXO措施。

研究对象

1. FISCO-BCOS，兼容板块内并行处理履行消费效验的联盟官网链中的一个。

   
   

2. Khipu公链，以太坊合同范本的scala体现。

   
   

3. Aptos公链，转动虚拟软件机。

并行执行的困难

我方面看下传统式的事宜继续执行操作流程。

来进行功能模块从板块中导出来每笔合作并循序来进行。

在施行时中会更改新出的社会壮态，随后在一场买卖交易结束后将壮态叠加，做到出块结束后的新出社会壮态。

下一两个块的施行严格的依懒于现在/一两个块的全世界程序，以至于，这类次序的、单线程的施行的过程不太可以并行施行施行。

现在，是现如今以太坊并行性强制执行原则的重点肢体冲突：

1. Account Conflict：如果两个线程同时处理一个地址账户的余额或其他属性，我们如何保证它与顺序处理的结果一致，即世界状态是否是一个确定的有限状态机？

2. 同一地址的存储冲突：两个合约都修改了同一全局变量的存储。

   
   

3. 跨合约调用冲突：如果先部署了合约A，则合约B需要等到合约A部署完成后才能调用合约A。但是当交易并行时，没有这样的顺序，从而导致冲突。

并行执行方案

FISCO-BCOS

抽象的

FISCO-BCOS 2.0在市场交易治理 中用图格局。搭建人士特征提取有向无环图模型工具（DAG）设定好几回个多处理机系统事宜运行器（PTE）。

PTE就能够关心您多方面通过多核除理器的竞争优势，使区块链中的买卖尽已经并行传输施行。

同样为观众展示 轻松信赖的语言编程插孔，使观众并非着想并行执行满足的繁琐步骤细节点。

基本准则测试软件方式的科学试验最后体现了，与传统型的串行公共事务进行方案设计好于，在完美具体条件下操作在4核整理器上的PTE还可以推动约200%~300%的的性能的升高，且计算公式的升高与數量成比例的核心区。

内核愈多，机械性能好。

总体方案

无环有向图一般 称作有向无环图 (DAG)。

在某厂合作中，区分出每笔合作被占的互巨资源；以后随着区块链中合作的前后依次和互巨资源的被占内在联系结够一款合作依靠的DAG。

如下已知图已知，入站度为0的所以事务管理（也没有忽略的置于标题前世界任务）能够以并行性执行力。右下方的寄售DAG能够 不同左面的默认寄售汇总的程序开始拓扑关系筛选达到。

模块化架构

• 用户通过SDK直接或间接发起交易。

• 然后在节点之间同步交易，具有相同打包权限的节点调用封口器（TxPool）从（txpool）中取出一定数量的交易打包成一个区块。之后，块被发送到共识单元，为节点间共识做准备。

• 交易验证在达成共识之前执行，这是 PTE 开始其工作流程的地方。从架构图中可以看出，PTE首先按顺序读取区块中的交易，并将其输入到DAG Constructor中，DAG Constructor根据每笔交易的依赖关系构造出一个包含所有交易的交易DAG。 PTE 然后唤醒工作池。使用多个线程并行执行事务 DAG。 Joiner 暂停主线程，直到 DAG 已被工作池中的所有线程执行。此时，Joiner根据每笔交易的状态修改记录，计算出状态根和回执根，并将结果返回给上层的调用者。

• 区块被验证后，区块被上传到链上。交易执行后，如果各节点状态一致，则达成共识，将区块写入底层存储，永久记录在区块链上。

交易DAG构建过程

1. 从封装块中卸下来块中的很多买卖交易。

   
   

2. 以公共事务数充当明显端点数默认值化同一个 DAG 实验总结。

   
   

3. 按程序看几乎大部分市场刷卡交易。比如行政监察是可并成的，克服它的矛盾激化字段名并进行检查需不需要有某些以往的行政监察与它矛盾激化。比如是，则在相同的市场刷卡交易之中的结构一条线依赖性感边。比如行政监察无可并成，则认同它都要在几乎大部分已经行政监察己经施行后施行，故而在行政监察和几乎大部分前任行政监察之中创立依赖性感边。

注意：一旦创建了所有依赖边，它们就不能合并，只能顺序执行。

DAG执行流程

1. 主线剧情程会先表明设备设备管理的本质数默认化小组线程，如何设备设备管理的本质会出现故章，则不用再创辉煌建其它的线程。

   
   

2. 当DAG未已现在完全时，线程反复的等待中入度为0的就绪行政监察从DAG的waitPop方法步骤中拿掉。如成功不成功拿掉要制定工作工作的在线合作，则制定工作工作该在线合作。如不成功，则 DAG 已已完全制定工作工作，线程下线。

问题与解决方案

1. 对于同一个区块，我们如何保证所有的节点都执行完毕，状态相同（三个根节点匹配）？

FISCO BCOS利用校验方式根、在线的交易所根、收据根恩贝益组会不相同来诊断方式会不统一。在线的交易所根是跟据区快中的一切在线的交易所测算出的哈希值。

要是整个中国方案进程除理的是同同样的个区快数据表格，购买根有一定是相等的，相比较更易确定。首要是确定购买后添加的state和receipt root是一个样的。

我们都知道，在各种 CPU 内核上多处理机系统施行的信息互相的施行循序是难以尽早推测的，多处理机系统施行的事务性也是既然如此。

在传统化的刷卡买卖来审理方法中，每来审理一场刷卡买卖，程序根就进行转化，并将转化后的程序根注入刷卡买卖收据中。

所以刷卡消费施行重新后，最后的情形根意味着板块链的当前的情形。一并要根据所以的刷卡消费收据测算一家收据根。

就能够得知，在傳統的保持中，方式根身为一款 多线程共享服务因素。

当网上买卖交易并行统计且乱序完成时，中国传统的壮态根统计不在选用，因网上买卖交易在区别的机器人上区别的程序完成，结果的壮态根始终没办法 确定一直，收据根也始终没办法 确定确保一直。

在FISCO BCOS中，第两个并行处理程序执行程序合作，并记载每笔合作的睡眠的情形变动发展。几乎所有合作程序执行程序完了后，跟据发展换算出两个睡眠的情形根。

还，寄售判断中的的情况根变成大部分寄售程序执行命令已完成后的终结的情况根，然而保证质量既然寄售并行处理程序执行命令，中国方案点位仍能实现目标一样。

2. 如何判断两个事务是否依赖？

一旦两种行政事务不根据却被判为断为根据，会形成不要要的能力损失费。不然，一旦两笔的交易都改变同时个个人帐户里的的情况但并行性执行命令，则个人帐户里的的以后情况有可能是不选定的。

那么，依赖于社会关系的评判是印象功能可能就可以决定性板块链可不可以平常工作上的极为重要难题。

在一些简单化的转帐网上消费所中，当我们可能要根据发送信息方和吸收方的ip地址来分析两笔网上消费所能不能产生根据有关。如下面几个转帐网上消费所来说，A→B、C→D、D→E。

很更易看不出，D→E事宜处理依赖症于C→D事宜处理的結果，而A→B事宜处理与其他的两个人事宜处理没有什么关系，由于不错并行继续执行继续执行。

类似这些进行分析在只支技简便转款的加密货币链中是合理的，但在运作自动化合同规定的图灵体系化加密货币链中有机会就不用可是较准了，正是因为咱们不明白道移动用户创作的转款合同规定到达 产生了什么样.这也是有机会产生的东西。

A→B的网上交易固然与C、D的帐号情况息息相关，但在微信用户的低层推动中，A有的是个专项 帐号，需从C的帐号中调增必须的办手交费利用 A 的帐号打款的各个方面笔钱。

在这里3d场景中，三种行政事务性就是相应的，所以咧不可以并行计算继续执行。如果你依据前一天的依赖关系了解手段来分配行政事务性，必将会系统错误。

人们能够按照粉丝合同协议的相关内容，系统自动测算出交易价格中实际效果都存在怎样依懒的联系？答案下载是不会。如前所写，静态变量讲解不容易讲解锲约依懒的联系和制定的过程 。

在FISCO BCOS中，寄售根据的分销还给了更很熟悉合同期信息的开发建设者。关键来，寄售所根据的互豪掷源都可以用四组c语言字符串串来说道。

FISCO BCOS将接口标准体现给定制的开发者，定制的开发者以字符数组串的状态设定刷卡数字货币交易平台依耐的材料，并确认链上的连接者。

下达者会表明联合开发者选定的在线刷卡交易价格信任原因，智能将区块链中的拥有在线刷卡交易价格规划到在线刷卡交易价格DAG中。

举例子，在有一个很简简单单的转钱合同协议中，发掘者很简简单单地所选每笔转钱买卖的信任为{上传方具体网址+发送到方具体网址}。

更进三步，如何发展者在转钱逻辑推理中转化了另外个第二方地此，则需用确定依耐为{传输方地此+收方地此+第二方地此}。

这样作法举例子、简简单单、普通，适于于大部分智能化协议，但也增强了联合开发者背上的主责。

设计规划人群在某个行政事务根据性时都要很当心。要根据并没有写对，最后不堪构想。

平行框架契约

是为了便捷设计规划者利用多处理机系统合約的知识体系，FISCO BCOS对合約书写做后一定规程。金桥铜业跨接线的截面积大小如下图所示：

并行互斥

两位公共公共事务后能并行进行进行依赖于于两位公共公共事务是否需要互斥。互斥属于两位购买的内存变量名碰面的纠缠不清。

如，在财产移动环境中，市场交易是玩家数左右的移动作业。 transfer(X, Y)写出玩家数X到玩家数Y的转钱音频接口，互斥内容如下。

• 互斥性能：与期货期货合约音频接口类型中期货期货合约储存变量值的“读/写”的操作有关系的性能。以数据传输音频接口类型transfer(X, Y)举例。 X 和 Y 是互斥性能。

  
  

• 互斥量：不同互斥量性能指标设置从的事情管理中导出出的实际的的互斥量网站内容。以接入模块方式transfer(X, Y)为例子。在安全使用该模块方式的A转账汇款买卖交易中，实际的的性能指标设置为transfer(A, B)，该运作的互斥量为[A, B]。相对另的事情管理，启用transfer(A, C)，这种运作的mutex是[A, C]。

判断两个事务是否可以同时并行执行，就是判断两个事务的mutex是否相交。交集为空的事务可以并行执行。

FFISCO-BCOS带来了了有两种写并行性合同规定的具体方法，预编译合同规定和solidity合同规定，在等你只价绍后面。预编译合同规定也是如此这般。

Solidity 合约并行框架

要网站其中一个并行传输性执行的 solidity 合同协议，最猛要的是，只需将 ParallelContract.sol 充当您如果想并行传输性执行的合同协议的基类。都会进行 registerParallelFunction() 形式来公司不错并行传输性执行化的插孔。

并行处理合同协议编码以下：

 pragma solidity ^0.4.25; //Precompile the contract interface contract ParallelConfigPrecompiled { function registerParallelFunctionInternal(address, string, uint256) public returns (int); function unregisterParallelFunctionInternal(address, string) public returns (int); } //The parallel contract base class needs to be registered and the subcontract needs to be implement enable or disable interface contract ParallelContract { ParallelConfigPrecompiled precompiled = ParallelConfigPrecompiled(0x1006); function registerParallelFunction(string functionName, uint256 criticalSize) public { precompiled.registerParallelFunctionInternal(address(this), functionName, criticalSize); } function unregisterParallelFunction(string functionName) public { precompiled.unregisterParallelFunctionInternal(address(this), functionName); } function enableParallel() public; function disableParallel() public; }

以內范本是源于并行传输架构设计合同期编写软件的打款合同期：

 pragma solidity ^0.4.25; import "./ParallelContract.sol"; // Introduce ParallelContract.sol contract ParallelOk is ParallelContract // useParallelContract as a base class { // Contract implementation mapping (string => uint256) _balance; // Global mapping // The mutually exclusive variables from and to are the first two parameters at the beginning of transfer (). It can be seen that the contract requirements are still very strict, which will make users uncomfortable to write function transfer(string from, string to, uint256 num) public { _balance[from] -= num; // From is the key of the global mapping, and is a mutually exclusive parameter _balance[to] += num; //// To is the key of the global mapping, and is a mutually exclusive parameter } // The mutex variable name comes first as an argument to the beginning of set() function set(string name, uint256 num) public { _balance[name] = num; } function balanceOf(string name) public view returns (uint256) { return _balance[name]; } // Register contract interfaces that can be parallel function enableParallel() public { // The function definition string (note that there are no Spaces after ",") and the first few arguments are mutex arguments (mutex arguments must be first when designing a function) //The number 2 indicates that the first two are mutex parameters, and the system decodes the mutex according to the function signature and abi registerParallelFunction("transfer(string,string,uint256)", 2); // critical: string string // registerParallelFunction("set(string,uint256)", 1); // critical: string } // Deregister the parallel contract interface function disableParallel() public { unregisterParallelFunction("transfer(string,string,uint256)"); unregisterParallelFunction("set(string,uint256)"); } }

判断接口是否可以并行

并行计算合約电源接口必须要符合：

• 没有调用外部合约。
• 没有调用其他函数接口。

确定互斥量参数

在连数据接口方式做出程序语言前一天，肯定数据接口方式的互斥性能。数据接口方式的互斥性能与全局性因素互斥。肯定互斥性能的守则正确：

• 如果通过接口访问全局映射，则映射的键为互斥参数。

• 如果接口访问的是全局数组，则数组下标为互斥参数。

• 如果接口访问的是简单类型的全局变量。一个简单类型的所有全局变量共享一个互斥量参数，并使用不同的变量名作为互斥量对象。

确定参数类型和顺序

选定好互斥运作后，可根据规范选定好运作型号和次序。规范以下的：

• 接口参数仅限于string、address、uint256、int256（后续会支持更多类型）。

• 互斥参数必须全部出现在接口参数中。

• 所有互斥参数都排在接口参数的首位。

屏蔽，FISCO-BCOS的并行传输的交易在比较大度上衡量于观众创作的合同规定正确。

但如果用户组程序编写的期货合约国家标准标准不国家标准标准，系统就冒然来串行连接，机会会构成帐簿的完全不统一。

奇普

抽象的

Khipu 看做，让用户组在开发合同协议时没有错误地判别和标识会引起静态数据争端的详细地址规模是不是现实存在的。这与 FISCO-BCOS 的认识论颠倒。

不过当判别性调用易牵涉到在当下的状态时，能力判别竞争性标准要不要会出显、出显哪儿里各种在甚么标准下出显。

一些如何判断，以迄今为止的合同协议编写程序语种，致使对编号的静态数据解析基本上不行能收获非常正确合理没有错误后的报告。

Khipu 就已为解决方法这类方面产生了更全面的的我的第一次，并到位打了个个施工进程。

总体方案

在 Khipu 中，相同的个区快中的每笔在线交易都梦醒了一款 区快的的世界的情形现在开始，并且并行计算完成，登记了完成步骤中围着大部分梦想的经验值路径名碰见的上述所说分为三类恶性竞争经济条件。

串行执行力执行力关键时期后续是重新命名关键时期，串行执行力环境情形被个接个地重新命名。重新命名事务管理时，先从记录时间的静态式的生活条件确定我自己是不是也与之后重新命名的市场竞争生活条件有互动。

要是没了，马上合在一起。要是是那样，则从已合在一起的宇宙的仍然心态开使第三步执行力的交易。

末尾归并的世界上壮态只能根据块的哈希值进行观察。这也是末尾一同防线。如果观察不好确，则选择放弃前一天的归并并再者下达该块。

平行指数

在这些里，Khipu 导入一堆个并行传输度要求，即是一个区块链中能够会重新命名报告单而不能不在此执行工作的交易价格比例表。

Khipu 对以太坊从撰写区域到最新消息区域的些天回放的观察动物表述，你这个数量（并行执行度）人均行超过 80%。

平常比喻，只要测算每日任务能充分并行性化，那么好单链的拓张性是无限的的。会因为谁往往能向个顶点插入更加的 CPU 内核。只要就不是这般状态，则最明显基本原理速率单位受安达尔定理受限制：

系统加速的极限取决于不能并行化的部分的倒数。所以，如果你能并行化 99%，你就能加速 100 倍。但如果你只能实现 95% 的并行化，那么你最多只能快 20 倍。

在以太坊上的整个成交中，约 80% 应该多处理机系统化，20% 不可多处理机系统化，因而 Khipu 的极限速度局限在 5 倍左古。

冲突标记

能够阐述evm码中的电脑指令码，看见受限规模的电脑指令码对storage建设了读编的过程，因此能将这个读编的过程登记查询下面，组成同一个读写真子集，是冗余码阐述没办法确保安全生产登记查询这个的过程。

往往，在开始处理每区快时，所需对每笔消费预施行单次。预施行历程问过小编公共事宜是对同一条个帐号仍然内存开始读写，而且为每公共事宜创立了一家readSet和一家writeSet。

要区块链+链中含100笔合作，那么好这100笔合作能够完成线程池并行处理强制实施。每位合同协议都拥有相当的初始值中国形态下，在强制实施历程中会创立 100 个 readSets 和 writeSets，每位都拥有 100 个新形态下。

当预继续执行完毕后，开始了下一的时候的加工处理。比较好型前提下，一旦 100 个 readSet 和 writeSet 信息源不冲击，那这些食品可能会直接重新命名，引起区快中常有进行寄售的终于环境方式。既使，进行寄售恰恰是那比较好型。

无误的治理行为是将1、个买卖施行后的readSet和writeSet与第十二个合同规定施行后的readSet和writeSet实现较为，看是否能够读写了同样一银行账户或贮存。

比如是这样一来，则表明着这几项买卖产生争端。一是一是个事务处理处理将在一是个事务处理处理已完成后逐渐并重新来执行。

不一样，渐渐并到状态下机的一直，肢体争端会场不断的累计，要是事件调查事物与前期的事物再次发生肢体争端，会有先后顺序进行力，是直到全部的事物进行力重新。

根据回放以太坊主网络上的买卖，找到在肢体冲突非常多的方面，大那部分都在一种个区域内的买卖所，买卖主动关系，这也包含这样具体步骤。

一般流程

具体并行过程

阿普托斯

抽象的

Aptos 系统设计 Diem 的 Move 表达和 MoveVM 营造，以搭建搭载多处理机系统施行的高周转量链。 Aptos 的策略是检验连接，同时对访客/开发技术师透明度。

也也是说，交易所不必须要 确定情况说明这句话运行壮态的哪这方面（4g内存的位置）。

总体方案

Aptos 动用了了种名字叫做 Block-STM 的工具事务性运存的获取ios版本，并通过 STM 保证了其并行传输进行登录器。

Block-STM用MVCC（Multi-version Concurrency Control）来防止写-写互相冲突。各个对同时区域的载入都是与它是的最新版本我们一起贮存，在这当中是指它是的 TX-ID 和载入 tx 被自己完成的危害。

当业务 (tx) 读取数据运存定位的值时，它会读取在 tx 很久从 MVCC 读取数据该定位的值各类联系的新版本，以断定有没存在的读/写内部矛盾。

在 Block-STM 中，事宜在块内首先需要筛选，并在实施这段时间在整理器线程相互区划以串行处理实施。在串行处理实施中，假说如果没有依赖于的联系来实施事宜。

记载事宜处理合并的內存位址。来执行后，确认大部分寄售导致。在确认全过程中，如若出现一款事宜处理远程访问了被前一款事宜处理合并过的內存位址，则该事宜处理无效的。

自动刷新刷卡转让所结杲，然后呢完后连接刷卡转让所。抄袭此整个过程，是直到块中的大多数刷卡转让所都已经连接。当动用另一个除理器内核时，Block-STM 要加快连接进程。变快在于于事务性的相互间依赖感方面。

可以发现Aptos利用的工作方案和上文讲过的Khipu大致相同类似，如果在改变上其他什么差别，中应下列：

• Khipu 对区块内交易使用并行执行和顺序验证。但是，Aptos 对区块内的交易实现了并行执行和验证。这两种方案各有利弊。 Khipu实现简单，效率略低。 Aptos通过Block-STM在多线程中使用同步和信号操作，效率高但代码实现难度大。

• 由于 Move 原生支持全局资源寻址，Aptos 会在有利于并行执行的情况下对交易进行重新排序，甚至跨区块。 Aptos声称该方案不仅可以提高并行效率，还可以解决MEV问题。不过，这是否会影响用户体验还有待考量。

• Aptos 在执行过程中将生成的写集存储在内存中以实现最大执行速度，然后将其用作下一个要执行的块的缓存。任何重复的写入只需要写入一次稳定内存。

基准测试

Aptos在block-STM集成系统后进行了以及的benchmark，非常没事个Block of 10k transactions的按序运行和并行处理运行。比对最终结果一下：

从上图可不可以看出来，Block STM在34个线程并行传输的环境下满足了比顺寻执行力快16倍，在高争用环境下快了8倍及以上。

结论

用大于做对赛况析能否总结总结，局部解决方案可以移动用户在调用合同协议时根据即定规律写进贮存，以便于用外部和动态的进行分享找出依赖性有关。

Solana 和 Sui 采用相近的设计实施方案，但访客觉察各种。该设计实施方案本身上就是一种储存方式建模的改善，以提升更强的解析没想到。

Khipu 和 Aptos 是消费者不可预知的细则。并行传输制定的开销没有在开发建设工人屁股上，他俩在程序编写期货合约时不须要综合考虑这一项。

VR虚拟机在进行前动态数据具体分析依耐感密切关心，实行无依耐感密切关心的串行进行。

这就很难改变，并行执行程序度在一定的层面上决定于于转让的个人帐户分为。当有很大事务处理互动时，能够连续地已经执行程序，特性会明显的减低。

Aptos 提过这些 将在中国未来对用户名填写的合同规定实施系统优化，以更优质地分析一下根据直接关系，然而完成变快的审理。

简短地将由于串行的规划修转成并行处理规划，都可以在公链生态下创造3~16倍的购买运输量不断提升，倘若能相结合大区域和大gas limit，L2运输量将能够进步骤改善，优势约为100 次。

从水利工程建筑维度方面看，从保持和利用率上看，OlaVM很或者会采取Khipu设计加个性定制储存方式沙盘模型的设计，在加快功效的此外以防介绍Block-STM介绍的繁复性，有好处于较好的水利工程建筑推广。

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参考

1. FISCO-BCOS Github,
2. Khipu GitHub, GitHub -
3. Aptos GitHub, GitHub -

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