在以太坊这个庞大的去中心化应用生态中，账户余额是衡量用户资产、驱动智能合约交互的核心要素，这些看似简单的“余额数字”究竟是如何在以太坊区块链上被存储、管理和查询的呢？理解以太坊账户余额的存储机制,是深入掌握以太坊工作原理的关键一步。

以太坊的两种账户类型

我们需要知道以太坊存在两种不同类型的账户,它们的存储方式和结构截然不同：

  1. 外部账户 (Externally Owned Account, EOA)：由用户通过私钥控制，如我们常用的钱包账户（如 MetaMask 中的账户），EOA 没有关联的代码，其行为由交易发起者（用户）的私钥签名驱动。
  2. 合约账户 (Contract Account)：由智能代码控制，其地址在创建时生成，并且存储了代码和状态，合约账户的交互（如接收转账、执行逻辑）是通过交易或其他合约的调用触发的。

关键区别：EOA 的余额直接存储在账户本身的状态中，而合约账户的余额也存储在其状态中，但其状态还包括了存储的变量（存储在 storage 中）和代码。

账户状态与“余额”的存储位置

无论是 EOA 还是合约账户，其核心状态信息都记录在以太坊的状态树（State Trie）中，具体来说是每个账户的状态对象中,一个账户的状态对象大致包含以下字段：

  • nonce：
    • 对于 EOA：表示该账户发起的交易数量,也用于防止重放攻击。
    • 对于合约账户：表示该账户创建的合约数量。
  • balance：这就是我们关心的账户余额！ 它以 Wei 为单位（1 ETH = 10^18 Wei）。balance 是一个整数,直接存储在账户状态对象中。
  • storageRoot（仅合约账户）：指向一个存储树的根哈希，该树存储了合约账户的所有持久化变量（即 storage 中的数据），EOA 没有这个字段，或者说其 storageRoot 为空。
  • codeHash：存储账户关联代码的 Keccak-256 哈希值，对于 EOA，其 codeHash 是一个空字符串的哈希值；对于合约账户,是其代码的哈希值。

账户余额 balance 是账户状态对象的一个直接组成部分，它存储在以太坊的状态树（也称为账户状态树 Account State Trie）的叶子节点中，状态树的键是账户地址,值就是上述的状态对象。

存储结构详解：Merkle Patricia Trie

以太坊使用一种称为 Merkle Patricia Trie (MPT) 的数据结构来组织账户状态和合约存储,这种结构具有以下优点：

  • 高效查询与验证：可以快速查找特定账户的状态,并且通过默克尔证明高效验证状态的真实性。
  • 数据完整性：任何数据的修改都会导致其路径上所有节点哈希的改变，最终影响根哈希，这使得轻客户端（如手机钱包）可以快速验证状态数据的最新性和完整性,而无需下载整个区块链。
  • 空间优化：通过共享公共前缀的路径节点,有效减少了存储空间。

对于账户余额的存储：

  1. 账户地址作为键，通过 MPT 路径定位到对应的账户状态节点。
  2. 在该账户状态节点中，balance 字段直接存储着余额值（一个整数）。

当一笔交易向某个账户转账时（调用 transfer 函数或直接发送 ETH），本质上就是修改了目标账户状态对象中的 balance 字段：将原值加上转账金额（扣除矿工费等后），这个修改会反映在状态树中，并最终导致状态根哈希的改变,从而被打包进新的区块中。

查询与更新账户余额

  • 查询余额：

    • 节点 (Node)：以太坊网络的每个全节点都维护着一个完整的最新状态副本，当需要查询某个地址的余额时，节点会根据地址在 MPT 中查找对应的账户状态对象，然后返回其中的 balance 字段。
    • 轻客户端 (Light Client)：轻客户端不保存完整状态，它们可以通过向全节点请求特定账户的默克尔证明来验证余额的真实性，全节点提供包含路径、节点数据和根哈希证明的信息，轻客户端通过验证这些信息是否与已知的区块头中的状态根哈希一致,来确认余额的有效性。
    • 区块链浏览器 (Etherscan, etc.)：这些服务提供商运行全节点，并提供 API 接口供用户查询余额等信息。

  • 更新余额：

    • 余额的更新总是由交易触发，当一笔包含价值转移的交易被矿工打包并确认后，以太坊虚拟机（EVM）会执行该交易，修改源账户和目标账户的 balance 字段。
    • 源账户的 balance 减去交易金额和矿工费。
    • 目标账户的 balance 加上交易金额。
    • 这些修改会反映在状态树的更新中，并生成新的状态根哈希,记录在区块头里。

重要注意事项

  1. 单位：以太坊中最小的单位是 Wei，日常使用的 ETH 是其衍生单位（1 ETH = 10^18 Wei），在编程和交易处理中,务必注意单位的转换。
  2. Gas 成本：任何修改状态（包括更新余额）的操作都需要消耗 Gas，Gas 是用来支付矿工费用和防止网络滥用的一种机制，向合约账户发送 ETH 本身也需要消耗 Gas（用于执行合约的 fallback 或 receive 函数，如果存在）。
  3. 合约账户的余额：合约账户也可以持有 ETH，这些余额通常由用户向合约地址直接发送 ETH，或者通过合约内部的逻辑（如奖励分配）累积而来，合约可以通过 this.balance (Solidity 0.4.0 及以前) 或 address(this).balance (Solidity 0.5.0 及以后) 来查询自身余额。
  4. 状态存储 vs. 内存：在智能合约中，balance 是账户状态的一部分，存储在状态树中，修改它会产生状态变更成本（Gas），而合约执行时的局部变量存储在内存（Memory）中，读取和写入内存的成本远低于状态存储，但内存是临时性的,合约执行结束后即被销毁。