什麼是區塊鏈中的並行執行？

在區塊鏈世界中，速度和可擴展性是持續的挑戰。儘管安全性和去中心化是不可妥協的，但每秒處理數千筆交易的能力仍然是開發者的首要任務。並行執行是解決此問題的最有前景的方案之一。通過允許交易同時進行，而不是逐個處理，這有可能改變區塊鏈處理大規模請求的方式。
本文將詳細闡述什麼是並行執行，它是如何工作的，它面臨的挑戰，以及爲什麼這可能成爲未來區塊鏈架構的核心特性。
理解並行執行要理解並行執行，首先需要將其與順序執行進行比較，這是當前大多數區塊鏈網絡的標準。
在順序執行中，交易按固定順序逐一處理。即使兩個交易不相關——例如，一個交易在Alice和Bob之間發送代幣，而另一個交易更新Charlie的智能合約——網絡仍然會順序處理它們。這確保了確定性，但也可能減慢處理速度，尤其是在需求增加時。
並行執行改變了這一模型。區塊鏈不是在一個線程中處理交易，而是識別不與相同數據部分（狀態）交互的交易，並同時執行它們。如果兩個交易是獨立的——即不讀取或寫入相同的賬戶、合約或存儲——則它們可以安全地同時運行。
想象一下現代CPU：單核處理器在一個時刻運行一個任務，而雙核處理器並行運行多個任務，從而更快地完成工作。
區塊鏈爲什麼需要並行執行區塊鏈面臨可擴展性的三難困境：同時實現去中心化、安全性和可擴展性的難度。順序執行模型易於理解且安全，但極大限制了交易吞吐量。
像以太坊這樣的流行區塊鏈在其基本層上處理約15-30筆交易每秒（TPS）。儘管第二層解決方案有所幫助，但基礎鏈本身仍面臨着高需求，導致網絡擁堵和高費用。
並行執行直接解決了這些痛點：
在不徹底重構協議的情況下提高TPS
減少交易確認時間
更好地利用現代多核CPU和高性能硬件
提高基礎層的性能而不犧牲去中心化
並行執行的工作原理1. 依賴分析在並行執行交易之前，區塊鏈必須確定哪些交易是獨立的。這通常通過靜態分析交易數據或智能合約的字節碼來完成。例如，如果兩個交易更改相同賬戶的餘額，則這兩個交易必須順序執行以避免衝突。
2. 交易調度在依賴關係被映射後，交易被分組爲“批次”獨立操作。該批次可以在多個CPU線程中執行，甚至可以在多個GPU上執行，具體取決於鏈的設計。
3. 狀態管理並行執行需要嚴格的狀態控制，以防止數據競爭或不一致的結果。主要有兩種策略：
悲觀併發控制：在狀態對象上放置鎖，這樣在同一時間內只能有一個交易可以修改它。
樂觀併發控制：交易在沒有鎖的情況下運行，但結果在之後進行驗證。如果發現衝突，則特定交易將被取消並按順序重新執行。
4. 虛擬機（VM）支持許多區塊鏈虛擬機，例如以太坊的EVM，旨在進行順序執行。並行性實現可能需要新的虛擬機或顯著的升級。示例包括Move VM（用於Aptos和Sui）和Sealevel Solana，兩者在設計時都考慮了併發性。
並行執行的實際示例Solana和SealevelSealevel Solana的執行引擎是現實世界中最先進的並行執行實現之一。該引擎分析交易以檢測賬戶訪問模式，並在多個核心和GPU之間進行調度。這種架構幫助Solana在理想條件下實現數千TPS。
Aptos和Sui（Move VM）該區塊鏈使用考慮並行執行的Move編程語言和虛擬機。虛擬機可以以推測的方式執行交易，並在檢測到衝突時進行回滾，從而在不犧牲安全性的情況下實現高吞吐量。
以太坊研究以太坊目前是順序運行的，但關於分片和並行執行EVM（或未來基於Wasm的虛擬機）的研究仍在繼續。像EIP-648和實驗性EVM並行這樣的提案正在探索如何同時處理交易，同時保持以太坊的安全保證。
並行執行的好處並行執行爲區塊鏈網絡提供了多種好處：
高吞吐量：每秒處理數千個交易，無需集中基礎設施。
較低的延遲：交易更快得到確認，提升用戶體驗。
更好的硬件利用：多核CPU和GPU可以得到充分利用。
與擴展策略的兼容性：與分片、彙總和流水線一起良好工作，以實現更大的可擴展性。
並行執行的挑戰儘管前景光明，但並行執行並不是靈丹妙藥。並行執行面臨着自身的挑戰：
複雜的依賴檢測：確定哪些交易是真正獨立的需要大量計算。
狀態衝突：如果兩個交易嘗試更改相同的數據，則必須取消其中一個交易並重新嘗試，從而降低性能。
確定性要求：所有節點都必須達到相同的最終狀態，即使是並行執行。
安全隱患：錯誤的並行化可能使惡意交易利用狀態的不一致性。
並行執行和補充技術並行執行通常與其他可擴展性解決方案並行進行：
分片：將區塊鏈狀態分成多個可以並行處理交易的“分片”。
彙總：在鏈外合併多個交易，並在鏈上完成，減少基礎層的負擔。
安全的併發智能合約：合約可以設計爲最小化共享狀態，從而使其更適合並行執行。
未來展望並行執行很可能成爲下一代區塊鏈的基本特性。隨着採用率的提高，開發者將專注於：
更高效的交易依賴分析
結合並行性與流水線的混合執行模型
從一開始就爲併發設計的虛擬機
與硬件加速（GPU、FPGA執行）的集成
如果成功，這一創新將使區塊鏈更接近於匹敵——甚至超越——集中系統的性能，同時保持去中心化。
結論並行執行是區塊鏈可擴展性的一次重大飛躍。通過同時處理獨立交易，區塊鏈可以實現更高的吞吐量、更低的延遲以及更好地利用現代計算資源。儘管仍然存在技術挑戰，像Solana、Aptos和Sui這樣的項目表明，在現實世界條件下並行執行是可行且有效的。
隨着研究的不斷深入以及越來越多的區塊鏈採用這一技術，並行執行可能會成爲區塊鏈架構的基礎，就像共識機制本身一樣。