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。
视频链接:
https://www.bilibili.com/video/av77252063
PPT 链接:
https://www.lzane.com/slide/git-under-the-hood

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。
而Git也是一个大部分人都知道如何去使用它,知道有哪些命令,却只有少部分人知道具体原理的东西。了解一些底层的东西,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
$gitinit $echo'111'>a.txt $echo'222'>b.txt $gitadd*.txt
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
好奇的我们来看一下里面存的是什么东西
$cat.git/objects/58/c9bdf9d017fcd178dc8c073cbfcbb7ff240d6c xKOR0a044K%
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apigit 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。
$gitcat-file-t58c9 blob $gitcat-file-p58c9 111
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。
$gitcommit-am'[+]init' $tree.git/objects .git/objects 0c 96bfc59d0f02317d002ebbf8318f46c7e47ab2 4c aaa1a9ae0b274fba9e3675f9ef071616e5b209 ...
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。
$gitcat-file-t4caaa1 tree $gitcat-file-p4caaa1 100644blob58c9bdf9d017fcd178dc8c0...a.txt 100644blobc200906efd24ec5e783bee7...b.txt
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:
$gitcat-file-t0c96bf commit $gitcat-file-p0c96bf tree4caaa1a9ae0b274fba9e3675f9ef071616e5b209 authorlzane李泽帆1573302343+0800 committerlzane李泽帆1573302343+0800 [+]init
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
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
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。
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。
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。