以太坊不止一棵树,深入解析梅克尔树/帕特里夏树和状态树
在探讨以太坊的底层技术时，我们经常会遇到“树”这个概念，许多初学者可能会感到困惑：以太坊到底有几种树？为什么需要这么多不同的树？以太坊的“森林”主要由三种关键的树结构组成，它们共同构成了以太坊高效、安全、可扩展的数据基石，它们分别是梅克尔帕特里夏树（Merkle Patricia Tree, MPT），以及它所包含的状态树、交易树和收据树。
为了更直观地理解，我们可以先看一张概念图（尽管无法在此直接显示图片，但可以清晰地描述其结构）,这三种树共同构成了以太坊世界状态的核心。
概念图描述：想象一个三层结构
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顶层：区块
- 每个以太坊区块都包含三个核心的“树根”哈希值。
- 状态根：指向状态树的根。
- 交易根：指向交易树的根。
- 收据根：指向收据树的根。
- 这三个根哈希值本身又被包含在一个更大的“梅克尔树”（更准确地说是哈希树）中，形成整个区块的“区块头”，这个区块头哈希就是我们在区块链浏览器上看到的每个区块独一无二的“身份证号”。
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中层：三种核心的梅克尔帕特里夏树
在区块内部，就并列着这棵MPT的三个主要分支，它们共享MPT的前缀树和哈希机制,但存储着完全不同类型的数据。
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底层：具体数据
- 状态树的叶子节点存储着账户信息（余额、 nonce、代码等）。
- 交易树的叶子节点存储着具体的交易数据。
- 收据树的叶子节点存储着每笔交易执行后的结果（日志、状态变化等）。
- 状态
下面，我们来详细解析这三种至关重要的“树”。
状态树 - 以太坊的“世界名册”
状态树是这三种树中最核心、最复杂的一棵，它记录了以太坊网络在任何一个时刻的完整状态，也就是所谓的“世界状态”（World State）。
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存储什么？ 它存储了所有以太坊账户的信息，每个账户都可以看作是一个叶子节点,包含了四个关键要素：
- 余额：账户拥有的ETH数量。
- Nonce：账户发起的交易数量或创建的合约数量。
- 代码存储：如果是一个智能合约账户,这里会存储其合约代码。
- 存储：智能合约的变量数据存储位置。
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为什么重要？ 状态树是以太坊虚拟机执行一切操作的基础，当你发起一笔交易时，EVM会根据状态树中的数据来执行你的指令（从你的账户扣款，向对方账户转账），然后更新状态树，整个网络上的所有节点都必须对当前的状态树达成共识,才能保证数据的一致性。
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结构特点： 它是一棵梅克尔帕特里夏树，这种结合了梅克尔树和帕特里夏树（一种基数树）的结构，既保证了数据完整性（任何微小改动都会导致根哈希巨变），又极大地优化了存储和查询效率,尤其是在数据稀疏的情况下。
交易树 - 每一笔交易的“历史档案”
交易树相对简单，它记录了包含在某个特定区块中的所有交易数据。
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存储什么？ 它存储了区块内每一笔交易的原始数据，包括发送方、接收方、转账金额、手续费、数据字段以及交易签名等。
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为什么重要？ 交易树为每个区块内的所有交易提供了一个不可篡改的、有序的记录，通过交易树的根哈希，任何人都可以高效地验证一个区块内的所有交易是否被篡改过，它就像是区块的“内容清单”,确保了区块内部数据的完整性。
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结构特点： 同样是一棵梅克尔帕特里夏树，这使得验证某笔交易是否属于某个区块变得非常高效，你只需要提供从交易叶子节点到区块根哈希的“证明路径”即可,而不需要下载整个区块。
收据树 - 交易执行的“成绩单”
收据树是这三种树中相对特殊的一棵，它不存储原始交易，而是存储交易执行后的结果。
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存储什么？ 每笔交易执行后，都会生成一个“收据”（Receipt）,它包含以下信息：
- 状态：交易是成功还是失败。
- 累计使用 gas：该交易及其之前的交易总共消耗了多少gas。
- 日志：这是最重要的部分，智能合约可以生成日志事件，用于记录重要的状态变化或通知外部应用（去中心化交易所的成交记录、NFT的铸造信息等）,收据树存储了这些日志。
- 合约地址：如果是创建合约的交易,这里会记录新合约的地址。
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为什么重要？ 收据树是以太坊与外部世界（特别是去中心化应用dApp）交互的关键桥梁，它让轻客户端和DApp可以无需同步整个以太坊状态，就能获取到特定交易的执行结果和事件日志，你的钱包不需要下载所有数据，就能知道一笔ETH转账是否成功；一个DeFi协议可以通过监听收据树中的日志来更新其价格数据。
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结构特点： 它也是一棵梅克尔帕特里夏树，保证了这些“成绩单”的完整性和可验证性。
三棵树，一个共识
以太坊的这三种树——状态树、交易树和收据树——虽然功能各异，但它们都基于梅克尔帕特里夏树这一精妙的数据结构，它们共同协作，构成了以太坊的“状态-执行-结果”三位一体的数据模型。
- 状态树定义了“世界现在是什么样子”。
- 交易树记录了“我们刚刚做了什么”。
- 收据树证明了“我们做的结果是什么”。
这三棵树的根哈希被一同打包进区块头，通过密码学哈希的“多米诺骨牌效应”，确保了从单个账户余额到整个区块链历史，任何数据的微小变动都会被全网发现，理解这三种树，就是理解以太坊如何实现去中心化信任和数据一致性的核心所在，它们共同描绘了一幅动态、高效且无比强大的数字世界的“地图”。