这才是真正的Git——Git内部原理

本文以一个具体例子结合动图介绍了Git的内部原理,包括Git是什么储存我们的代码和变更历史的、更改一个文件时,Git内部是怎么变化的、Git这样实现的有什么好处等等。

通过例子解释清楚上面这张动图,让大家了解Git的内部原理。如果你已经能够看懂这张图了,下面的内容可能对你来说会比较基础。

本文是2019/11/24在深圳腾讯大厦2楼多功能厅举办的FCC前端分享会(freeCodeConf 2019 深圳站)上分享的文字版。

视频: www.bilibili.com/video/av772…

PPT: www.lzane.com/slide/git-u…

前言

近几年技术发展十分迅猛,让部分同学养成了一种学习知识停留在表面,只会调用一些指令的习惯。我们时常有一种“我会用这个技术、这个框架”的错觉,等到真正遇到问题,才发现事情没有那么简单。

后来我开始沉下心,回归一开始接触编程的时候,那时候学习一个知识都会深入一点去思考背后的原理。但这并不是说掌握并会使用高级Api不重要,他们也非常重要,并且是日常工作中大部分时间都在使用的,快速掌握它们意味着高效学习,可以快速的应用在开发生产上。

只是有时候知道一些底层的东西,可以更好的帮你理清思路,知道你真正在操作什么,不会迷失在Git大量的指令和参数上面。

Git是怎么储存信息的

这里会用一个简单的例子让大家直观感受一下git是怎么储存信息的。

首先我们先创建两个文件

$ git init
$ echo '111' > a.txt
$ echo '222' > b.txt
$ git add *.txt
复制代码

Git会将整个数据库储存在 .git/ 目录下,如果你此时去查看 .git/objects 目录,你会发现仓库里面多了两个object。

$ tree .git/objects
.git/objects
├── 58
│   └── c9bdf9d017fcd178dc8c073cbfcbb7ff240d6c
├── c2
│   └── 00906efd24ec5e783bee7f23b5d7c941b0c12c
├── info
└── pack
复制代码

好奇的我们来看一下里面存的是什么东西

$ cat .git/objects/58/c9bdf9d017fcd178dc8c073cbfcbb7ff240d6c
xKOR0a044K%
复制代码

怎么是一串乱码?这是因为Git将信息压缩成二进制文件。但是不用担心,因为Git也提供了一个能够帮助你探索它的api git cat-file [-t] [-p]-t 可以查看object的类型, -p 可以查看object储存的具体内容。

$ git cat-file -t 58c9
blob
$ git cat-file -p 58c9
111
复制代码

可以发现这个object是一个blob类型的节点,他的内容是111,也就是说这个object储存着a.txt文件的内容。

这里我们遇到第一种Git object,blob类型,它只储存的是一个文件的内容,不包括文件名等其他信息。然后将这些信息经过SHA1哈希算法得到对应的哈希值 58c9bdf9d017fcd178dc8c073cbfcbb7ff240d6c,作为这个object在Git仓库中的唯一身份证。

也就是说,我们此时的Git仓库是这样子的:

我们继续探索,我们创建一个commit。

$ git commit -am '[+] init'
$ tree .git/objects
.git/objects
├── 0c
│   └── 96bfc59d0f02317d002ebbf8318f46c7e47ab2
├── 4c
│   └── aaa1a9ae0b274fba9e3675f9ef071616e5b209
...
复制代码

我们会发现当我们commit完成之后,Git仓库里面多出来两个object。同样使用 cat-file 命令,我们看看它们分别是什么类型以及具体的内容是什么。

$ git cat-file -t 4caaa1
tree
$ git cat-file -p 4caaa1
100644 blob 58c9bdf9d017fcd178dc8c0... 	a.txt
100644 blob c200906efd24ec5e783bee7...	b.txt
复制代码

这里我们遇到了第二种Git object类型——tree,它将当前的目录结构打了一个快照。从它储存的内容来看可以发现它储存了一个目录结构(类似于文件夹),以及每一个文件(或者子文件夹)的权限、类型、对应的身份证(SHA1值)、以及文件名。

此时的Git仓库是这样的:

$ git cat-file -t 0c96bf
commit
$ git cat-file -p 0c96bf
tree 4caaa1a9ae0b274fba9e3675f9ef071616e5b209
author lzane 李泽帆  1573302343 +0800
committer lzane 李泽帆  1573302343 +0800
[+] init
复制代码

接着我们发现了第三种Git object类型——commit,它储存的是一个提交的信息,包括对应目录结构的快照tree的哈希值,上一个提交的哈希值(这里由于是第一个提交,所以没有父节点。在一个merge提交中还会出现多个父节点),提交的作者以及提交的具体时间,最后是该提交的信息。

此时我们去看Git仓库是这样的:

到这里我们就知道Git是怎么储存一个提交的信息的了,那有同学就会问,我们平常接触的分支信息储存在哪里呢?

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

$ cat .git/refs/heads/master
0c96bfc59d0f02317d002ebbf8318f46c7e47ab2
复制代码

在Git仓库里面,HEAD、分支、普通的Tag可以简单的理解成是一个指针,指向对应commit的SHA1值。

其实还有第四种Git object,类型是tag,在添加含附注的tag( git tag -a )的时候会新建,这里不详细介绍,有兴趣的朋友按照上文中的方法可以深入探究。

至此我们知道了Git是什么储存一个文件的内容、目录结构、commit信息和分支的。 其本质上是一个key-value的数据库加上默克尔树形成的有向无环图(DAG) 。这里可以蹭一下区块链的热度,区块链的数据结构也使用了默克尔树。

Git的三个分区

接下来我们来看一下Git的三个分区(工作目录、Index 索引区域、Git仓库),以及Git变更记录是怎么形成的。了解这三个分区和Git链的内部原理之后可以对Git的众多指令有一个“可视化”的理解,不会再经常搞混。

接着上面的例子,目前的仓库状态如下:

这里有三个区域,他们所储存的信息分别是:

  • 工作目录 ( working directory ):操作系统上的文件,所有代码开发编辑都在这上面完成。
  • 索引( index or staging area ):可以理解为一个暂存区域,这里面的代码会在下一次commit被提交到Git仓库。
  • Git仓库( git repository ):由Git object记录着每一次提交的快照,以及链式结构记录的提交变更历史。

我们来看一下更新一个文件的内容这个过程会发生什么事。

运行 echo "333" > a.txt 将a.txt的内容从111修改成333,此时如上图可以看到,此时索引区域和git仓库没有任何变化。

运行 git add a.txt 将a.txt加入到索引区域,此时如上图所示,git在仓库里面新建了一个blob object,储存了新的文件内容。并且更新了索引将a.txt指向了新建的blob object。

运行 git commit -m 'update' 提交这次修改。如上图所示

  1. Git首先根据当前的索引生产一个tree object,充当新提交的一个快照。
  2. 创建一个新的commit object,将这次commit的信息储存起来,并且parent指向上一个commit,组成一条链记录变更历史。
  3. 将master分支的指针移到新的commit结点。

至此我们知道了Git的三个分区分别是什么以及他们的作用,以及历史链是怎么被建立起来的。**基本上Git的大部分指令就是在操作这三个分区以及这条链。 可以尝试的思考一下git的各种命令,试一下你能不能够在上图将它们 “可视化”**出来,这个很重要,建议尝试一下。

如果不能很好的将日常使用的指令“可视化”出来,推荐阅读 图解Git

一些有趣的问题

有兴趣的同学可以继续阅读,这部分不是文章的主要内容

问题1:为什么要把文件的权限和文件名储存在tree object里面而不是blob object呢?

想象一下修改一个文件的命名。

如果将文件名保存在blob里面,那么Git只能多复制一份原始内容形成一个新的blob object。而Git的实现方法只需要创建一个新的tree object将对应的文件名更改成新的即可,原本的blob object可以复用,节约了空间。

问题2:每次commit,Git储存的是全新的文件快照还是储存文件的变更部分?

由上面的例子我们可以看到,Git储存的是全新的文件快照,而不是文件的变更记录。也就是说,就算你只是在文件中添加一行,Git也会新建一个全新的blob object。那这样子是不是很浪费空间呢?

这其实是Git在空间和时间上的一个取舍,思考一下你要checkout一个commit,或对比两个commit之间的差异。如果Git储存的是问卷的变更部分,那么为了拿到一个commit的内容,Git都只能从第一个commit开始,然后一直计算变更,直到目标commit,这会花费很长时间。而相反,Git采用的储存全新文件快照的方法能使这个操作变得很快,直接从快照里面拿取内容就行了。

当然,在涉及网络传输或者Git仓库真的体积很大的时候,Git会有垃圾回收机制gc,不仅会清除无用的object,还会把已有的相似object打包压缩。

问题3:Git怎么保证历史记录不可篡改?

通过SHA1哈希算法和哈系树来保证。假设你偷偷修改了历史变更记录上一个文件的内容,那么这个问卷的blob object的SHA1哈希值就变了,与之相关的tree object的SHA1也需要改变,commit的SHA1也要变,这个commit之后的所有commit SHA1值也要跟着改变。又由于Git是分布式系统,即所有人都有一份完整历史的Git仓库,所以所有人都能很轻松的发现存在问题。

希望大家读完有所收获,下一篇文章会写一些我日常工作中觉得比较实用的Git技巧、经常被问到的问题、以及发生一些事故时的处理方法。

如果你喜欢我的文章,请关注我和我的 博客 ,谢谢。

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