Git内部存储原理

栏目: 编程工具 · 发布时间: 5年前

内容简介：Git是程序员工作中使用频率非常高的工具，要提高日常的工作效率，就需要熟练掌握Git的使用方法。相对于传统的版本控制系统而言，Git更为强大和灵活，其各种命令和命令参数也非常多，如果不了解Git的内部原理，要把Git使用得顺手的话非常困难。本文将用一个具体的例子来帮助理解Git的内部存储原理,加深对Git的理解，从掌握各种Git命令，以在使用Git进行工作时得心应手。Git的本质是一个文件系统，其工作目录中的所有文件的历史版本以及提交记录(Commit)都是以文件对象的方式保存在.git目录中的。首先创建一

Git是程序员工作中使用频率非常高的工具，要提高日常的工作效率，就需要熟练掌握Git的使用方法。相对于传统的版本控制系统而言，Git更为强大和灵活，其各种命令和命令参数也非常多，如果不了解Git的内部原理，要把Git使用得顺手的话非常困难。本文将用一个具体的例子来帮助理解Git的内部存储原理,加深对Git的理解，从掌握各种Git命令，以在使用Git进行工作时得心应手。

Git 目录结构

Git的本质是一个文件系统，其工作目录中的所有文件的历史版本以及提交记录(Commit)都是以文件对象的方式保存在.git目录中的。

首先创建一个work目录，并采用git init命令初始化git仓库。该命令会在工作目录下生成一个.git目录，该目录将用于保存工作区中所有的文件历史的历史版本，提交记录，branch，tag等信息。

$ mkdir work
$ cd work
$ git init

其目录结构如下：

├── branches             不这么重要，暂不用管                    
├── config               git配置信息，包括用户名，email，remote repository的地址，本地branch和remote
|                        branch的follow关系
├── description          该git库的描述信息，如果使用了GitWeb的话，该描述信息将会被显示在该repo的页面上
├── HEAD                 工作目录当前状态对应的commit，一般来说是当前branch的head，HEAD也可以通过git checkout 命令被直接设置到一个特定的commit上，这种情况被称之为 detached HEAD      
├── hooks                钩子程序，可以被用于在执行git命令时自动执行一些特定操作，例如加入changeid
│   ├── applypatch-msg.sample
│   ├── commit-msg.sample
│   ├── post-update.sample
│   ├── pre-applypatch.sample
│   ├── pre-commit.sample
│   ├── prepare-commit-msg.sample
│   ├── pre-push.sample
│   ├── pre-rebase.sample
│   └── update.sample
├── info                不这么重要，暂不用管
│   └── exclude
├── objects             保存git对象的目录，包括三类对象commit,tag, tree和blob
│   ├── info
│   └── pack
└── refs                保存branch和tag对应的commit
    ├── heads           branch对应的commit
    └── tags            tag对应的commit

Git Object存储方式

目前objects目录中还没有任何内容，我们创建一个文件并提交。

$ echo "my project" > README
$ echo "hello world" > src/file1.txt
$ git add .
$ git commit -sm "init commit"
[master (root-commit) b767d71] init commit
 2 files changed, 2 insertions(+)
 create mode 100644 README
 create mode 100644 src/file1.txt

从打印输出可以看到，上面的命令创建了一个commit对象，该commit包含两个文件。查看.git/objects目录，可以看到该目录下增加了5个子目录 06，3b， 82， b7， ca，每个子目录下有一个以一长串字母数字命令的文件。

.git/objects
├── 06
│   └── 5bcad11008c5e958ff743f2445551e05561f59
├── 3b
│   └── 18e512dba79e4c8300dd08aeb37f8e728b8dad
├── 82
│   └── 424451ac502bd69712561a524e2d97fd932c69
├── b7
│   └── 67d7115ef57666c9d279c7acc955f86f298a8d
├── ca
│   └── 964f37599d41e285d1a71d11495ddc486b6c3b
├── info
└── pack

说明：Git Object目录中存储了三种对象：Commit， tree和blob。Git为对象生成一个文件，并根据文件信息生成一个 SHA-1 哈希值作为文件内容的校验和，创建以该校验和前两个字符为名称的子目录，并以 (校验和) 剩下 38 个字符为文件命名，将该文件保存至子目录下。

查看Git Object存储内容

通过 git cat-file 命令可以查看Git Object中存储的内容及对象类型，命令参数为Git Object的SHA-1哈希值，即目录名+文件名。在没有歧义的情况下，不用输入整个Hash，输入前几位即可。

当前分支的对象引用保存在HEAD文件中，可以查看该文件得到当前HEAD对应的branch，并通过branch查到对应的commit对象。

$ cat .git/HEAD
ref: refs/heads/master
cat .git/refs/heads/master
b767d7115ef57666c9d279c7acc955f86f298a8d

使用 -t 参数查看文件类型：

$ git cat-file -t b767d7
commit

使用 -p 参数可以查看文件内容：

$ git cat-file -p b767d7
tree ca964f37599d41e285d1a71d11495ddc486b6c3b
author Huabing Zhao <<a href="/cdn-cgi/l/email-protection" data-cfemail="e2988a838d8a9783808b8c85a2858f838b8ecc818d8f">[email protected]</a>> 1548055516 +0800
committer Huabing Zhao <<a href="/cdn-cgi/l/email-protection" data-cfemail="83f9ebe2ecebf6e2e1eaede4c3e4eee2eaefade0ecee">[email protected]</a>> 1548055516 +0800

init commit

Signed-off-by: Huabing Zhao <<a href="/cdn-cgi/l/email-protection" data-cfemail="ef95878e80879a8e8d868188af88828e8683c18c8082">[email protected]</a>>

可以看出这是一个commit对象，commit对象中保存了commit的作者，commit的描述信息，签名信息以及该commit中包含哪些tree对象和blob对象。

b767d7这个commit中保存了一个tree对象，可以把该tree对象看成这次提交相关的所有文件的根目录。让我们来看看该tree对象中的内容。

$ git cat-file -p ca964f
100644 blob 065bcad11008c5e958ff743f2445551e05561f59    README
040000 tree 82424451ac502bd69712561a524e2d97fd932c69    src

可以看到该tree对象中包含了一个blob对象，即README文件；和一个tree对象，即src目录。分别查看该blob对象和tree对象，其内容如下：

$ git cat-file -p 065bca
my project
$ git cat-file -p 824244
100644 blob 3b18e512dba79e4c8300dd08aeb37f8e728b8dad    file1.txt

查看file1.txt的内容。

$ git cat-file -p 3b18e51
hello world

从上面的实验我们可以得知，git中存储了三种类型的对象，commit，tree和blob。分别对应git commit，此commit中的目录和文件。这些对象之间的关系如下图所示。

HEAD---> refs/heads/master--> b767d7(commit)
                                    +
                                    |
                                    v
                                ca964f(tree)
                                    +
                                    |
                          +---------+----------+
                          |                    |
                          v                    v
                     065bca(blob)         824244(tree)
                          README              src
                                               +
                                               |
                                               v
                                          3b18e5(blob)
                                             file1.txt

Git branch和tag

从refs/heads/master的内容可以看到，branch是一个指向commit的指针，master branch实际是指向了b767d7这个commit。

$ git checkout -b work
Switched to a new branch 'work'
$ tree .git/refs/
.git/refs/
├── heads
│   ├── master
│   └── work
└── tags
$ cat .git/refs/heads/work .git/refs/heads/master
b767d7115ef57666c9d279c7acc955f86f298a8d
b767d7115ef57666c9d279c7acc955f86f298a8d

上面的命令创建了一个work branch。从其内容可以看到，该branch并没有创建任何新的版本文件，和master一样指向了b767d7这个commit。

从上面的实验可以看出，一个branch其实只是一个commit对象的应用，Git并不会为每个branch存储一份拷贝，因此在git中创建branch几乎没有任何代价。

在work branch上进行一些修改，然后提交。

$ echo "new line" >> src/file1.txt
$ echo "do nothing" >> Makefile
$ git commit -sm "some change"
[work 4f73993] some change
 2 files changed, 2 insertions(+)
 create mode 100644 Makefile

查看当前的HEAD和branch内容。

$ cat .git/HEAD
ref: refs/heads/work
<a href="/cdn-cgi/l/email-protection" data-cfemail="97ffe2f6f5fef9f0d7ffe2f6f5fef9f0baefe2f5e2f9e3e2">[email protected]</a>:~/work$ cat .git/refs/heads/work .git/refs/heads/master
4f73993cf81931bc15375f0a23d82c40b3ae6789
b767d7115ef57666c9d279c7acc955f86f298a8d

可以看到HEAD指向了work branch,而work branch则指向了4f73993这个commit，master branch指向的commit未变化，还是b767d7。

查看4f73993这个commit对象的内容。

$ git cat-file -p 4f73993
tree 082b6d87eeddb15526b7c920e21f09f950f78b54
parent b767d7115ef57666c9d279c7acc955f86f298a8d
author Huabing Zhao <<a href="/cdn-cgi/l/email-protection" data-cfemail="562c3e37393e2337343f383116313b373f3a7835393b">[email protected]</a>> 1548069325 +0800
committer Huabing Zhao <<a href="/cdn-cgi/l/email-protection" data-cfemail="a0dac8c1cfc8d5c1c2c9cec7e0c7cdc1c9cc8ec3cfcd">[email protected]</a>> 1548069325 +0800

some change

Signed-off-by: Huabing Zhao <<a href="/cdn-cgi/l/email-protection" data-cfemail="8cf6e4ede3e4f9edeee5e2ebccebe1ede5e0a2efe3e1">[email protected]</a>>

可以看到commit有一个parent字段，指向了前一个commi b767d7。该commit也包含了一个tree对象，让我们看看其中的内容。

$  git cat-file -p  082b6d
100644 blob 8cc95f278445722c59d08bbd798fbaf60da8ca14    Makefile
100644 blob 065bcad11008c5e958ff743f2445551e05561f59    README
040000 tree 9aeacd1fa832ca167b0f72fb1d0c744a9ee1902f    src

$ git cat-file -p 9aeacd
100644 blob 79ee69e841a5fd382faef2be2f2eb6e836cc980a    file1.txt

可以看到该tree对象中包含了该版本的所有文件和目录，由于README没有变化，还是指向的065bca这个blob对象。Makefile是一个新建的blob对象，src和file1.txt则指向了新版本的对象。

增加了这次commit后，git中各个对象的关系如下图所示：

(parent)
HEAD--> refs/heads/work--> 4f7399(commit) +-------> b767d7(commit)<---refs/heads/master
                              +                             +
                              |                             |
                              v                             v
                         082b6d(tree)                   ca964f(tree)
                              +                             +
                              |                             |
               +-----------------------------+     +--------+-----------+
               |              |              |     |                    |
               v              v              v     v                    v
           9aeacd(tree)    8cc95f(blob)    065bca(blob)            824244(tree)
         src (version 2)    Makefile         README               src (version 1)
               +                                                        +
               |                                                        |
               v                                                        v
          79ee69(blob)                                             3b18e5(blob)
        file1.txt (version 2)                                    file1.txt (version 1)

从上图可以看到，Git会为每次commit时修改的目录/文件生成一个新的版本的tree/blob对象，如果文件没有修改，则会指向老版本的tree/blob对象。而branch则只是指向某一个commit的一个指针。即Git中整个工作目录的version是以commit对象的形式存在的，可以认为一个commit就是一个version，而不同version可以指向相同或者不同的tree和blob对象，对应到不同版本的子目录和文件。如果某一个子目录/文件在版本间没有变化，则不会为该子目录/文件生成新的tree/blob对象，不同version的commit对象会指向同一个tree/object对象。

Tag和branch类似，也是指向某个commit的指针。不同的是tag创建后其指向的commit不能变化，而branch创建后，其指针会在提交新的commit后向前移动。

$ git tag v1.0
$ cat .git/refs/tags/v1.0 .git/refs/heads/work
4f73993cf81931bc15375f0a23d82c40b3ae6789
4f73993cf81931bc15375f0a23d82c40b3ae6789

可以看到新创建的v1.0 tag和work branch都是指向了4f7399这个commit。

Git Stash实现原理

Git stash的功能说明：经常有这样的事情发生，当你正在进行项目中某一部分的工作，里面的东西处于一个比较杂乱的状态，而你想转到其他分支上进行一些工作。问题是，你不想提交进行了一半的工作，否则以后你无法回到这个工作点。解决这个问题的办法就是git stash命令。

“‘储藏”“可以获取你工作目录的中间状态——也就是你修改过的被追踪的文件和暂存的变更——并将它保存到一个未完结变更的堆栈中，随时可以重新应用。

Git是如何实现Stash的呢？理解了Commit, Tree, Blog这三种Git存储对象，我们就可以很容易理解Git Stash的实现原理。因为和bransh及tag类似，Git Stash其实也是通过Commit来实现的。

通过实验来测试一下：

$ echo "another line" >> src/file1.txt
$ git stash

通过上面的命令，我们在file1.txt中增加了一行，然后通过git stash命令将这些改动“暂存”在了一个“堆栈”中，让我们来看看.git目录发生了什么变化。

$ tree .git/
.git/
├── branches
├── COMMIT_EDITMSG
├── config
├── description
├── HEAD
├── hooks
│   ├── applypatch-msg.sample
│   ├── commit-msg.sample
│   ├── post-update.sample
│   ├── pre-applypatch.sample
│   ├── pre-commit.sample
│   ├── prepare-commit-msg.sample
│   ├── pre-push.sample
│   ├── pre-rebase.sample
│   └── update.sample
├── index
├── info
│   └── exclude
├── logs
│   ├── HEAD
│   └── refs
│       ├── heads
│       │   ├── master
│       │   └── work
│       └── stash
├── objects
│   ├── 06
│   │   └── 5bcad11008c5e958ff743f2445551e05561f59
│   ├── 08
│   │   └── 2b6d87eeddb15526b7c920e21f09f950f78b54
│   ├── 11
│   │   └── a6d1031e4fa2d4da0b6303dd74ed8e85c54057
│   ├── 33
│   │   └── f98923002cd224dabf32222c808611badd6d48
│   ├── 3b
│   │   └── 18e512dba79e4c8300dd08aeb37f8e728b8dad
│   ├── 4f
│   │   └── 73993cf81931bc15375f0a23d82c40b3ae6789
│   ├── 6a
│   │   ├── 1474c4da0653af0245970997b6fab0a0a7c1df
│   │   └── d88760c3be94d8cb582bf2d06b99083d034428
│   ├── 75
│   │   └── e170cc1d928ae5a28547b4a3f2f3394a675b9a
│   ├── 79
│   │   └── ee69e841a5fd382faef2be2f2eb6e836cc980a
│   ├── 82
│   │   └── 424451ac502bd69712561a524e2d97fd932c69
│   ├── 8c
│   │   └── c95f278445722c59d08bbd798fbaf60da8ca14
│   ├── 90
│   │   └── c43dbb1e71c271510994d6b147c425cbffa673
│   ├── 9a
│   │   └── eacd1fa832ca167b0f72fb1d0c744a9ee1902f
│   ├── b7
│   │   └── 67d7115ef57666c9d279c7acc955f86f298a8d
│   ├── ca
│   │   └── 964f37599d41e285d1a71d11495ddc486b6c3b
│   ├── e8
│   │   └── 83e779eb08e2d9bca1fc1ee722fc80addac312
│   ├── info
│   └── pack
├── ORIG_HEAD
└── refs
    ├── heads
    │   ├── master
    │   └── work
    ├── stash
    └── tags
        └── v1.0

可以看到objects目录中增加了一些对象文件，refs中增加了一个stash文件。通过命令查看该文件内容：

$ cat .git/refs/stash
11a6d1031e4fa2d4da0b6303dd74ed8e85c54057
$ git cat-file -p 11a6
tree 90c43dbb1e71c271510994d6b147c425cbffa673
parent 4f73993cf81931bc15375f0a23d82c40b3ae6789
parent 6a1474c4da0653af0245970997b6fab0a0a7c1df
author Huabing Zhao <<a href="/cdn-cgi/l/email-protection" data-cfemail="146e7c757b7c6175767d7a73547379757d783a777b79">[email protected]</a>> 1548326421 +0800
committer Huabing Zhao <<a href="/cdn-cgi/l/email-protection" data-cfemail="3b41535a54534e5a5952555c7b5c565a525715585456">[email protected]</a>> 1548326421 +0800

WIP on work: 4f73993 some change
$ git cat-file -p 90c4
100644 blob 8cc95f278445722c59d08bbd798fbaf60da8ca14    Makefile
100644 blob 065bcad11008c5e958ff743f2445551e05561f59    README
040000 tree 33f98923002cd224dabf32222c808611badd6d48    src
$ git cat-file -p 33f9
100644 blob 75e170cc1d928ae5a28547b4a3f2f3394a675b9a    file1.txt
$ git cat-file -p 75e1
hello world
new line
another line

从命令行输出可以看到,git stash实际上创建了一个新的commit对象11a6d1, 该commit对象的父节点为4f7399。commit对象中包含了修改后的file1.txt blob对象75e170。通过git log可以查看：

$ git log --oneline --graph <a href="/cdn-cgi/l/email-protection" data-cfemail="bbc8cfdac8d3fb">[email protected]</a>{0}
*   f566001 WIP on work: 4f73993 some change
|\
| * 0796ced index on work: 4f73993 some change
|/
* 4f73993 some change
* b767d71 init commit

备注：git stash生成的commit对象有两个parent，一个是前面一次git commit命令生成的commit，另一个对应于保存到stage中的commit。

从该试验可以得知，git stash也是以commit，tree和object对象实现的。Git stash保存到“堆栈”中的修改其实一个commit对象。

Git reset 实现原理

在进行一些改动以后并通过git commit 将改动的代码提交到本地的repo后，如果你测试发现刚才的改动不合理，希望回退刚才的改动，应该如何处理？

我们先提交一个错误的改动：

$ echo "I did something wrong" >> src/file1.txt
$ git add .
$ git commit -sm "This commit should not be there"
[work ccbc363] This commit should not be there
 1 file changed, 1 insertion(+)

你可以通过git revert回退刚才的改动，或者修改代码后再次提交，但这样的话你的提交log会显得非常凌乱；如果不想把中间过程的commit push到远程仓库，可以通过git reset 回退刚才的改动。

先查看目前的log

$ git log
commit ccbc3638142191bd68454d47a0f67fd12519806b
Author: Huabing Zhao <<a href="/cdn-cgi/l/email-protection" data-cfemail="bfc5d7ded0d7cadeddd6d1d8ffd8d2ded6d391dcd0d2">[email protected]</a>>
Date:   Fri Jan 25 12:35:31 2019 +0800

    This commit should not be there

    Signed-off-by: Huabing Zhao <<a href="/cdn-cgi/l/email-protection" data-cfemail="e59f8d848a8d9084878c8b82a58288848c89cb868a88">[email protected]</a>>

commit 4f73993cf81931bc15375f0a23d82c40b3ae6789
Author: Huabing Zhao <<a href="/cdn-cgi/l/email-protection" data-cfemail="4f35272e20273a2e2d2621280f28222e2623612c2022">[email protected]</a>>
Date:   Mon Jan 21 19:15:25 2019 +0800

    some change

    Signed-off-by: Huabing Zhao <<a href="/cdn-cgi/l/email-protection" data-cfemail="7c06141d1314091d1e15121b3c1b111d1510521f1311">[email protected]</a>>

commit b767d7115ef57666c9d279c7acc955f86f298a8d
Author: Huabing Zhao <<a href="/cdn-cgi/l/email-protection" data-cfemail="245e4c454b4c5145464d4a43644349454d480a474b49">[email protected]</a>>
Date:   Mon Jan 21 15:25:16 2019 +0800

    init commit

    Signed-off-by: Huabing Zhao <<a href="/cdn-cgi/l/email-protection" data-cfemail="ceb4a6afa1a6bbafaca7a0a98ea9a3afa7a2e0ada1a3">[email protected]</a>>

通过 git reset回退到上一个commit。注意这里HEAD是一个指向当前branch最后一个commit指针，因此HEAD~1表示之前的一个commit。git reset命令也可以直接使用commit号作为命令参数。

$ git reset HEAD~1
Unstaged changes after reset:
M       src/file1.txt

$ git log
commit 4f73993cf81931bc15375f0a23d82c40b3ae6789
Author: Huabing Zhao <<a href="/cdn-cgi/l/email-protection" data-cfemail="176d7f76787f6276757e797057707a767e7b3974787a">[email protected]</a>>
Date:   Mon Jan 21 19:15:25 2019 +0800

    some change

    Signed-off-by: Huabing Zhao <<a href="/cdn-cgi/l/email-protection" data-cfemail="83f9ebe2ecebf6e2e1eaede4c3e4eee2eaefade0ecee">[email protected]</a>>

commit b767d7115ef57666c9d279c7acc955f86f298a8d
Author: Huabing Zhao <<a href="/cdn-cgi/l/email-protection" data-cfemail="e49e8c858b8c9185868d8a83a48389858d88ca878b89">[email protected]</a>>
Date:   Mon Jan 21 15:25:16 2019 +0800

    init commit

    Signed-off-by: Huabing Zhao <<a href="/cdn-cgi/l/email-protection" data-cfemail="92e8faf3fdfae7f3f0fbfcf5d2f5fff3fbfebcf1fdff">[email protected]</a>>

可以看到刚才的commit被回退了，但修改的文件还存在，处于Unstaged状态，你可以对这些文件进行改动后再次提交。

如果你不想保留修改的文件，可以使用–hard参数直接回退到指定的commit，该参数会将HEAD指向该commit，并且工作区中的文件也会和该comit保持一致，该commit后的修改会被直接丢弃。

$ git reset HEAD --hard
HEAD is now at 4f73993 some change
$ git status
On branch work
nothing to commit, working directory clean

Git object存储方式

Git object是通过下面的方式处理并存储在git内部的文件系统中的：

首先创建一个header，header的值为 “对象类型内容长度\0”
将header和文件内容连接起来，计算得到其SHA-1 hash值
将连接得到的内容采用zlib压缩
将压缩后的内容写入到以 “hash值前两位命令的目录/hash值后38位命令的文件” 中

可以通过 Ruby 手工创建一个 Git object 来验证上面的步骤。

$ irb
irb(main):001:0> content = "what is up, doc?"                     //文件内容
=> "what is up, doc?"
irb(main):002:0> header = "blob #{content.length}\0"              //创建header
=> "blob 16\u0000"
irb(main):003:0> store = header + content                         //拼接header和文件内容
=> "blob 16\u0000what is up, doc?"
irb(main):004:0> require 'digest/sha1'
=> true
irb(main):005:0> sha1 = Digest::SHA1.hexdigest(store)
=> "bd9dbf5aae1a3862dd1526723246b20206e5fc37"                     //计算得到hash值
irb(main):006:0>  require 'zlib'
=> true
irb(main):007:0> zlib_content = Zlib::Deflate.deflate(store)      //压缩header+文件内容 
=> "x\x9CK\xCA\xC9OR04c(\xCFH,Q\xC8,V(-\xD0QH\xC9O\xB6\a\x00_\x1C\a\x9D"
irb(main):008:0>  path = '.git/objects/' + sha1[0,2] + '/' + sha1[2,38]
=> ".git/objects/bd/9dbf5aae1a3862dd1526723246b20206e5fc37"       //通过hash值计算文件存储路径
irb(main):009:0> require 'fileutils'
=> true
irb(main):010:0>  FileUtils.mkdir_p(File.dirname(path))           //写文件
=> [".git/objects/bd"]
irb(main):011:0> File.open(path, 'w') { |f| f.write zlib_content }
=> 32
irb(main):012:0>

文件以及写入到Git的内部存储中，我们尝试通过git cat-file 验证并读取该文件内容：

$ git cat-file -p bd9dbf5aae1a3862dd1526723246b20206e5fc37
what is up, doc?

可以看到，可以通过git cat-file文件读取该文件内容，因此该文件是一个合法的git object，和通过git 命令写入的文件格式相同。

总结

Git围绕三种Object来实现了版本控制以及Branch，Tag等机制。

Commit: Commit可以看作Git中一个Version的所有目录和文件的Snapshot，可以通过git checkout 查看任意一个commit中的内容。
Tree: 目录对象，内部包含目录和文件
Blob: 文件对象，对应一个文件

理解了Git object的存储机制，就可以理解Git的各个命令的实现原理，更好地使用Git来实现源代码管理。

参考

https://git-scm.com/book/en/v2/Git-Internals-Git-Objects

「真诚赞赏，手留余香」

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