详解区块链的“状态机”概念：它如何记录每一笔交易

区块链的状态机概念描述了系统如何通过交易改变其全局状态。

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一、理解区块链作为状态机的基本原理

区块链可被视为一个不断演化的状态机，初始状态为空。每产生一批有效交易并被确认后，系统会从当前状态转移到下一个新状态。这个过程是确定性的，即相同的输入必定导致相同的状态变更。

状态转移由共识规则严格定义，所有节点依据这些规则独立验证交易和区块，确保彼此状态一致。每个区块都包含使状态发生改变的交易集合，并通过哈希链接保证历史不可篡改。

二、状态的表示方式：UTXO与账户模型

不同区块链采用不同的状态表示机制来追踪资产归属。主要分为UTXO（未花费交易输出）模型和账户余额模型，二者在状态存储和更新逻辑上存在显著差异。

1、在UTXO模型中，状态由一系列尚未使用的交易输出构成，每一笔新交易必须引用之前的UTXO作为输入，并生成新的输出。比特币采用此模型，状态即为全网所有未花费输出的集合。

2、在账户模型中，系统直接维护每个地址的余额或状态数据，类似传统银行账本。以太坊使用该模型，每笔交易会直接增减发送方和接收方的余额，或触发智能合约执行。

三、交易驱动状态转换的具体流程

每一次状态变更都是由经过验证的交易触发的。网络中的节点接收到交易后，按照既定规则检查其有效性，只有合法交易才会被纳入区块并执行状态更新。

1、交易广播至网络后，节点对其进行语法合法性校验，包括签名有效性、输入是否存在等。

2、通过初步验证的交易进入内存池等待打包，矿工或验证者将其组织成候选区块。

3、当区块被成功添加到链上，节点按顺序执行其中的交易，逐条应用状态变更规则。

4、执行完成后，生成新的状态根（如以太坊的Merkle Patricia Trie根），记录在区块头中，确保任何状态变化都能追溯且可验证。

四、状态持久化与默克尔树结构的应用

为了高效存储和验证状态，区块链普遍采用哈希树结构对状态数据进行组织。这使得轻客户端可以在不下载完整数据的情况下验证特定信息的真实性。

1、每个状态节点通过密码学哈希函数连接，形成一棵默克尔树或多层Trie结构。

2、状态变更时，仅需更新受影响的分支路径，其余部分保持不变，提升效率。

3、区块头中保存状态根哈希，任何微小的状态差异都会导致根哈希变化，实现对全局状态的紧凑而安全的摘要。

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