开发 Substrate 的准备工作

在前一篇，我们对“什么是 Substrate”有了感观上的认识，但这并不足以让你可以轻松地开发出符合自己需要的区块链。开发 Substrate 区块链应用也并非一个低门槛的工作，缺乏必备的知识将让人一头雾水摸不着头脑。

鉴于此，本文将作为一篇“过渡文章”，谈谈开发前的准备工作。至于实际的开发示例，将放在本系列的第三篇。

总的来讲，本文的内容将分为三部分：

• 需要了解的 Rust 知识
• 开发 Substrate 必备的基本概念
• Node-Template 基本结构

需要了解的 Rust 知识

开发 Substrate 应用， Rust 是开发人员必须迈过的第一道坎。然而，Rust 的学习曲线陡峭，入门并不简单，这里我稍稍整理了一下知识脉络，希望能减少大家的障碍。

对于 IDE，我建议大家不要把时间浪费在这个上面去做各种比较，先选择一个还不错的直接开始上手编写代码。我们的目标是尽快掌握 Rust 开发，不是去做工具的评测。本文推荐：vscode + rust 插件。如果你喜欢 IntelliJ IDEA，它同样也有 rust 插件。

同时，熟悉 Cargo，最好在写完 Rust 版 “Hello World！”后就尝试用 Cargo 去编译和构建。 必须要掌握的命令：

• cargo install
• cargo build
• cargo run
• cargo test
• cargo update
• cargo –list

对于每一个 Rust 工程，典型的过程如下：

• cargo new –binary，假设是可执行文件
• 编辑 cargo.toml 引入依赖
• 工程组织：
  • main.rs + 各个 lib.rs
  • src 目录下放源文件，单元测试与源文件在一起
  • tests 目录下放集成测试
• cargo test
• cargo build —release

典型的 cargo 工程的目录组织如下图（摘自这里），并且也请重点理解一下 cargo workspace 的概念。

开发 Substrate 应用必须掌握的 Rust 语言基础知识（没列出的常规使用可以比照你已经掌握的语言）：

• 宏的使用，但作为新手不要去纠结如何编写宏。
• 属性（Attribute）的含义和使用。
• 打印和 format! 的显示规范，尤其比如：{:?}
• 可变和不可变变量绑定，同时理解 & 以及 & mut，比如：String 和 &str 的区别。
• 典型集合类型：数组、Vector、Slice、Tuple。
• 静态结构定义和动态行为的添加：Struct + Traits 组合，同时了解 Trait 的类型约束，以及 + 和 where 的使用。
• 类型别名 type。
• 两类特殊的 Enum 类型：Option 和 Result。
• match 以及如何捕获 match 变量。
• 函数、闭包、高阶函数
• Rust 禁止隐式转换，实现类型之间转换的 From 和 Into Trait。
• 错误处理，以及 ? 的使用。
• 模块系统和 Crate。

真正让 Rust 大放异彩的实际上是跟内存安全相关的知识点：

• 理解指针和引用，有 C / C++ 的程序员应该不陌生。
• 理解 borrow 和 ownership。
• 变量直接赋值和类型的关系：
  • 原始类型（标量类型、布尔、字符、数组、元组）或实现了 Copy Trait 的类型，赋值就是 copy，不涉及 ownership 转移
  • 否则，ownership 将转移。
• 理解生命周期，熟悉 ‘static
• 利用 Drop Trait 释放资源，类似 C++ 的析构函数。
• 熟悉 Box、Rc、Cell、RefCell、Arc 等智能指针。

下图可以帮助大家理解 borrow 和 ownership，摘自 rust borrow 和 ownership 图解。

以上内容就是 Substrate 开发必备的 Rust 知识。当然，在开发过程中，还少不了要了解标准库和其他工具包的使用，但这些跟使用其他语言开发系统差别不大，在此略过不提。

至于其他功能，比如 GUI、网络、微服务、Web 和并发编程，有了以上的基础也能很快上手。

在结束本节之前，推荐几个链接：

最后，一个特别推荐：24 days of Rust。

开发 Substrate 必备的基本概念

前文说过，Substrate 可被视为区块链世界的 Spring Boot。既然如此，其文档就有必要至少通读一遍。话虽如此，但读文档并不是一件让人心情特别愉悦的事情，这里我列出主要纲要，希望能帮助各位快速建立全局概念，以便在读文档时可以更有针对性。

Substrate 的主要概念：

• extrinsics，上链信息（注：虽然社区将其称为【交易】，但个人觉得称其为【上链信息】更合适），来自链外，保存于区块之中。链上自己产生的事件不属于此列，它们统一被称为：intrinsics，链内信息。extrinsics 分为三类：
  • inherents，无签名、直接插入，同时也不会在网络上传播或存在于 tx 队列。它们代表一类简单的“事实”，如时戳。
  • signed tx，带有发起交易的账户的签名，在链上保存交易时需支付费用。等同于以太坊交易。
  • unsigned tx，无签名，无 nonce，也无费用。使用时，需注意在交易队列中防止 spam。典型例子如：代表心跳的 tx。
• tx pool，包含所有已被本地节点接收并验证的广播到网络之上的交易（签名和未签名）
  • tx pool 负责验证 tx 的有效性，其逻辑可配置。
  • 若有效性得到验证，tx pool 将 tx 分为两组：ready queue，可直接插入到新块；future queue，未来有效的 tx，如 nonce 太高的 tx，它要等到前面 tx 被插入之后方能 ready。
  • tx 的顺序和依赖有三个参数决定：requires（前提）、provides（输出）、priority（优先级）。
• tx weight，用于管理验证区块花费的时间，其中初衷是限制存储 IO 和计算，但对于存储本身和内存大小的管理并不是其目标。
• 账户抽象
  • 两类账户
    • stash key，大资金账户，私钥需要绝对安全，建议用冷钱包保存。
    • controller key，授权账户，代表 stash 账户做决策，只保留必要的资金（如交易费用），私钥需要安全保存。
  • session key，保存于验证者客户端，用来签名验证者操作，从不持有资金，也不是为资金用途服务。
• offline worker，链下工作机，本质上相当于把预言机嵌入到了 substrate 节点中，集成更紧密，也越安全，使用上也越简单。其主要作用如下图，其运行环境也与 runtime 分离，互不干扰。

所谓开发 Substrate，其本质就是开发自己的 Runtime，它包含了区块链行为的业务逻辑，定义了用户可以派发的存储项和函数。每个 Runtime 包含了一组特定的 Pallet，每个 Pallet 定义了特定的功能业务逻辑以及所需的存储项。

Substrate 内置了一组预定义的 Pallet，这些 Pallet 及其支持库的全集被称为 FRAME。因此，FRAME 和 Runtime 的关系也就是全集和子集的关系，见下图。

当预定义的 Pallet 不足以满足业务需要时，开发者可以选择自行开发 Pallet。因此，整个开发工作也就成了：选择合适的 Pallet + 开发自己的 Pallet。

Pallet 的开发并没有想象中那么神秘，主要把握以下几点就行：

• 理解 Substrate 的数据类型，主要分为核心类型和 FRAME 类型。
• 理解 Pallet 的 5 个结构组合：依赖、配置、事件（通知外部）、存储（内部使用的存储项目）、声明（方便外部调用）。
• 熟悉相应的宏，它们充当了 DSL 的作用。

最后，就是掌握 Runtime 的构建，得到最终可用的 Node。至于如何与 Node 交互，只需查看对应的 client （如 polkadot.js）说明就好了，并不复杂。

Node-Template 基本结构

为了简化开发，Substrate 提供了工程模板：Node-Template。它本身是一个 cargo workspace，由三部分组成：

• node，定义整个节点的行为、cli、对外提供的服务，它是一个二进制工程，启动文件在此。
• runtime，自定义 Runtime，指定包含的 pallet，包括你定义的 pallet。它是一个 lib 工程。
• pallets，包含了 pallet 模板工程，一个 lib 工程。

整个 workspace 的级别依次是： node 包含 runtime 包含 pallet。并且，你可以创建多个 pallet，启用的话，则是将其在 runtime 中引用即可。

使用 pallets/template 开发 pallet 非常直观，基本上就是按照对应位置填写对应的逻辑就行了，关于具体做法，将在后文详述。

希望本文能帮你建立对于 Substrate 开发的整体印象和直观感觉，虽说 Substrate 开发有一定的门槛，但毕竟不是火箭科学，熟悉 Rust 和 Substrate 的基本概念和结构之后，具体的开发跟其他应用系统的开发没有本质区别。

最后，在下一篇文章中，会展示一个实际的例子，同时演示如何与之交互，敬请期待，😄。