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Runtime开发

ref: https://docs.substrate.io/learn/runtime-development/

如在架构一篇中所讨论的，Substrate节点的Runtime包含了执行交易、保存状态的变化，和与外部节点交互的所有业务逻辑。Substrate提供了构建常见区块链组件所需的所有工具，因此你可以专注于开发定义区块链行为的Runtime逻辑。

状态变化及runtime​

从本质上看，每个区块链本质上都是一个账本或记录，记录了链上发生的每一次变化。在基于Substrate的链中，这些改变链上状态的方式被记录在runtime中。因为是由runtime来处理这个操作，所以有时候会把runtime描述为状态转换函数。

因为状态变化发生在runtime，所以在runtime中定义存储项和交易行为。存储项代表区块链的状态，而交易允许区块链用户改变这个状态。

Substrateruntime决定哪些交易是有效的，哪些是无效的，以及如何根据交易改变链状态。

Runtime接口​

正如你在架构中学到的，节点外层的host部分负责处理节点发现、交易池、区块和交易传播、共识以及响应来自外部世界的RPC调用。这些任务经常需要外层节点查询runtime的信息或向runtime提供信息。runtime API实现了节点外层host和runtime之间的这种通信。

在Substrate中，sp_api crate提供了一个实现runtime API的接口。它旨在让你灵活性地使用impl_runtime_apis宏实现自定义的接口。并且，每个runtime都必须实现Core和Metadata接口。除了这些必需的接口，大多数Substrate节点（如节点模板）实现了以下runtime接口：

核心原语​

Substrate还定义了runtime必须实现的核心原语。Substrate框架对你的runtime必须提供给Substrate的其他层的内容做了最少的假设。然而，有一些数据类型必须被定义，并且必须满足一个特定的接口，才能在Substrate框架中工作。

这些核心原语是：

  • Hash：用于生成数据的加密摘要的类型。通常是256 bit。
  • DigestItem：它是一个枚举类型，能够编码与共识和变更追踪相关的特定摘要项，以及与runtime中模块相关的任意数量 "soft-coded" 变体。
  • Digest：一系列DigestItem，它编码了轻客户端所需的区块内的信息。
  • Extrinsic：该类型表示来自区块链外部的单个数据片段，它能够被区块链识别。这一类型通常包含一个或多个签名，以及某种编码指令（例如，用于转移资金或调用智能合约）。
  • Header：该类型（以加密或其他方式）代表了区块信息。它包括父区块的哈希、存储根和外部交易的trie root，摘要和区块编号。
  • Block：本质上只是Header和一系列Extrinsics的组合，以及要使用的哈希算法的规范。
  • BlockNumber：表示任何有效区块拥有的“祖先”总数。通常是32 bit类型。

FRAME​

FRAME是runtime开发者可用的最强大的工具之一。正如在Substrate赋能开发者中提到的，FRAME是Framework for Runtime Aggregation of Modularized Entities的缩写，它包含了大量的模块和支持库，简化了runtime开发。在Substrate中，这些模块——称为pallet，提供了针对不同用例的定制化业务逻辑和特性，你可以在自己的runtime中包含它们。例如，有些pallets提供了特定业务逻辑的框架，可以用于staking, consensus, governance等常见的活动。

关于可用的pallets的总结，请参见FRAME pallets。

除了pallets，FRAME还通过以下库和模块提供了与runtime交互的服务

下图说明了FRAME及其system, support, 和executives模块如何为runtime环境提供服务。

使用pallets组合出一个runtime​

你可以在不使用FRAME的情况下构建一个基于Substrate的区块链。然而，FRAME pallets使你能够使用预定义的组件作为起点，组合定制runtime逻辑。每个pallet定义了特定的类型、存储项和函数，以实现runtime的一组特定特性或功能。

下图说明了你如何选择和组合FRAME pallets来组成一个runtime。

构建自定义pallets​

除了预构建的FRAME pallets库外，你还可以使用FRAME库和服务来构建自定义的pallet。通过自定义pallet，你可以灵活地定义最适合你的runtime行为。因为每个pallet都有自己的独立逻辑，你可以组合预构建和自定义的pallets来控制你的区块链提供的特性和功能，以达到你想要的结果。

例如，你可能会在自己的runtime中包含Balances pallet，以使用它所实现的与加密货币相关的存储项和函数来管理代币，也可以添加自定义逻辑，当账户余额发生变化时调用你编写的pallet。

大多数pallets都是由以下部分的某种组合构成的：

  • 导入和依赖
  • Pallet类型声明
  • runtime配置trait
  • runtime存储
  • runtime事件
  • 在特定上下文中应执行的hooks逻辑
  • 可以用来执行交易的函数调用

例如，如果你想开发一个自定义pallet，你可能会从一个类似于下面的pallet骨架结构开始：

// Add required imports and dependencies
pub use pallet::*;

#[frame_support::pallet]
pub mod pallet {
 use frame_support::pallet_prelude::*;
 use frame_system::pallet_prelude::*;

 // Declare the pallet type
 // This is a placeholder to implement traits and methods.
 #[pallet::pallet]
 #[pallet::generate_store(pub(super) trait Store)]
 pub struct Pallet<T>(_);

 // Add the runtime configuration trait
 // All types and constants go here.
 #[pallet::config]
 pub trait Config: frame_system::Config { ... }

 // Add runtime storage to declare storage items.
 #[pallet::storage]
 #[pallet::getter(fn something)]
 pub type MyStorage<T: Config> = StorageValue<_, u32>;

 // Add runtime events
 #[pallet::event]
 #[pallet::generate_deposit(pub(super) fn deposit_event)]
 pub enum Event<T: Config> { ... }

 // Add hooks to define some logic that should be executed
 // in a specific context, for example on_initialize.
 #[pallet::hooks]
 impl<T: Config> Hooks<BlockNumberFor<T>> for Pallet<T> { ... }

 // Add functions that are callable from outside the runtime.
 #[pallet::call]
 impl<T:Config> Pallet<T> { ... }
}

你可以根据需要，使用部分或全部组件来构建pallet。当你开始设计和构建你的自定义runtime时，你将更多地了解FRAME库和runtime原语，如用于定义配置项的trait、存储项、事件和错误类型，以及如何编写runtime执行所需的可调用函数。

下一步​

现在你已经熟悉了Substrate runtime开发和使用pallet的基础知识，可以开始探索以下主题和教程。