Git 内幕（一）

git 是一种 程序员 几乎每天都会用到的工具，给我们代码管理带去了极大的方便。以往的 git 介绍，多是介绍git 的高级命令，如 git rebse 、 git cherry-picker 、 git bisect 等，少有看到剖析git 内部原理的。原因也很简单，即使对 git 的原理不甚了解，也并不会影响我们熟练使用 git。但是很多事我们不光要知其然，更要知其所以然，方能举一反三。

概念

在介绍 git 的原理之前，先介绍几个基本概念和会用到的命令，以便大家在阅读文章时能更加轻松地理解。

• BLOB (binary large object)：二进制大对象，是一个可以存储二进制文件的容器。
• three git status：

git add
git add
git commite

git cat-file
git hash-object -w filename
hexdump -C filename

.git 内幕

当你在一个新目录或已有目录内执行 git init 时，git 会创建一个 .git 目录，几乎所有 git 存储和操作的内容都位于该目录下。记得在刚接触 git 时，因为对 stage 、 branch 等概念不够了解，还做出过备份整个项目的蠢事。其实如果真要做备份，备份当前的 .git 文件即可。

下图为刚初始化的 .git 的目录结构（不同版本的 git 会有所不同），几乎所有的 git 操作和存储都位于该目录下。本次真要介绍四个核心文件或目录：HEAD 及 index 文件，objects 及 refs 目录。

简而言之，git 从核心上来看不过是简单地存储键值对（key-value）。它允许插入任意类型的内容，并会返回一个键值，通过该键值可以在任何时候再取出该内容。

git add

先抛出一个问题： 一个空的文件夹是否能添加到 git 项目中 ？很多人可能都知道答案，但是为什么呐？通过对 git add 背后原理的解析，相信你可以得出一个确切的答案。

1. 初始化

$ mkdir alpha && cd alpha
$ git init
$ mkdir data
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通过执行上面的命令，我们创建了一个名为 alpha 的文件夹，并且将其初始化为一个 git 项目，再新建一个 data 空文件夹。通过执行 git add data 命令希望把 data 空文件夹添加到暂存区中，发现执行后并没有发生任何变化，执行 git status 查看仓库的状态，抛出这样一段提示：

$ git status
On branch master
No commits yet
nothing to commit (create/copy files and use "git add" to track)
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如果在 data 文件夹内再新建一个空文件夹又会如何呐，发现还是没有任何变化。这样就得出了开头那个问题的答案，空的文件夹是无法添加到 git 项目中的。再查看一下 .git 目录，也没有发生任何变化。

2. 添加文件夹到暂存区

$ echo 'a' > data/letter.txt
$ git status
Untracked files:
  (use "git add <file>..." to include in what will be committed)

	data/

nothing added to commit but untracked files present (use "git add" to track)
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在 data 目录下新建一个名为 letter.text 的文件，写入 a 。发现仓库的状态发生了变化，但是 .git 目录并没有发生变化，说明在工作区的操作并不会产生 git 历史记录。 执行 git add data 命令，发现 .git 目录终于发生变化了。 分别多了 index 文件和 objects/78/... 文件。

之前说过，git 的存储其实是以键值对的形式存在的。 index 是一个列表，每一行维护一个文件名到 BLOB 哈希值的映射。 objects 目录下存放的就是 value，这个BLOB文件包含了 data/letter.txt 文件压缩后的内容，并以内容的哈希值作为文件名。哈希是一段算法，它将给定内容转换为更小的，且能唯一确定原内容的值。 我曾经尝试直接打开这些文件，但是打开都是一串乱码。可以通过十六进制编码的方式打开这些文件，但是毕竟不是机器，想要看明白还是有一些难度的 。

幸好 git 提供了一把瑞士军刀（ git cat-file ）给我们使用，可以将数据内容取回。 打印出 data/letter.txt 中的内容为 a 。

$ git cat-file -p 78981922613b2afb6025042ff6bd878ac1994e85
a
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至于 git/index 中的内容，可以通过 git ls-file 查看。

$ git ls-file --stage
100644 78981922613b2afb6025042ff6bd878ac1994e85 0	data/letter.txt
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正如之前所说的， index 文件存放的是一个列表，记录了哈希值对应的文件。 7898 这个 BLOB 文件存储的是 data/letter.txt 中的内容。 objects 目录下的结点是不可变的。这意味着它的内容可以编辑，但不能删除。添加的文件内容和创建的提交都保存在 objects 目录下。（注： git prune 删除所有不能被ref访问到的对象，执行此命令可能会丢失数据。）

git commit

$ git commit -m 'a1'
[master (root-commit) b83b660] a1
 1 file changed, 1 insertion(+)
 create mode 100644 data/letter.txt
$ git status
On branch master
nothing to commit, working tree clean
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执行 git commit 命令后，文件被保存到了版本库中，仓库处于 clean 的状态。再看看 .git 目录，发现多了 logs 目录和 objects 下的三个文件。

提交命令其实包含了三个步骤：

1. 创建提交版本对应文件的 tree 对象 什么是 tree 对象，tree 对象可以存储文件名，同时也允许存储一组文件。一个单独的 tree 对象包含一条或多条 tree 记录，每一条记录含有一个指向 BLOB 或子 tree 对象的哈希值。 创建新提交后，对应data目录的tree对象如下：记录了 data/letter.txt 文件的所有信息，我们可以使用这些信息来恢复 data/letter.txt 文件。空格分隔的第一部分表示该文件的权限，表明是一个普通文件；第二部分表示该记录对应的是一个 BLOB 对象，第三部分是该BLOB 的哈希值，第四部分记录了文件名。

$ git cat-file -p e908cfc6e086c91a073c55a6882adebfc9c4520c

100644 blob 78981922613b2afb6025042ff6bd878ac1994e85	letter.txt
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用图示表式即为： data 目录对应的 tree 对象指向对应 data/letter.txt

那么问题来了，data 并非根目录，文件的指向肯定是从根目录开始。

$ git cat-file -p master^{tree}
040000 tree e908cfc6e086c91a073c55a6882adebfc9c4520c	data

$ git cat-file -p 9745002f161a1be75bf65f869ab16743da2a6fda

040000 tree e908cfc6e086c91a073c55a6882adebfc9c4520c	data

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master^{tree} 表示 master （当前）分支上最新提交指向的 tree 对象。从给出的结果中可以看到根目录（root）指向了 data 目录，图示如下：

2. 创建一个提交对象 我们在提交时输入了 commit message 等信息，这些信息自然也存放在 objects 目录下：

$ git cat-file -p b83b66096fb5b5225ec0c5741f45d334ceb94046

tree 9745002f161a1be75bf65f869ab16743da2a6fda
author Bill Qiu <fanglaiq@gmail.com> 1536220281 +0800
committer Bill Qiu <fanglaiq@gmail.com> 1536220281 +0800
a1
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第一行指向一个tree对象。通过这里的哈希值，我们可以找到对应工作区根目录（即 alpha 目录）的 tree 对象，最后一行是提交信息。

3. 将当前分支指向新提交 到了这里还存在最后一个问题，分支。 git 怎么知道现在的提交应该指向哪个分支？答案在 HEAD 文件中： ref: refs/heads/master 。HEAD 指向 master，master 就是我们当前分支。因为是第一个提交，代表master引用的文件还不存在。git 会自动创建 .git/refs/heads/master ，并写入提交对象的哈希值： b83b66096fb5b5225ec0c5741f45d334ceb94046 。

最后，所有 BLOB 文件所存储的信息都通过 tree 对象串联了起来，就好比 key-value 的形式。

再来回答下开头提出的问题吧，一个空的文件夹是否能添加到 git 项目中？ 答：不可以。因为 git 使用的索引机制，是以文件为最小单位存储内容，跟踪变化的。 那么怎么做才可以使这个文件夹存在呐？通常的做法是在里面新建一个名为 .gitkeep 的文件。