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 前言

Git 是目前世界上被最廣泛使用的現(xiàn)代軟件版本管理系統(tǒng)(Version Control System)。Git 本身亦是一個(gè)成熟并處于活躍開發(fā)狀態(tài)的開源項(xiàng)目，今天驚人數(shù)量的軟件項(xiàng)目依賴 Git 進(jìn)行版本管理，這些項(xiàng)目包括開源以及各種商業(yè)軟件。Git 在職業(yè)軟件開發(fā)者中擁有良好的聲譽(yù)，Git 目前支持絕大多數(shù)的操作系統(tǒng)以及 IDE(Integrated Development Environments)。

Git 最初是由 Linux 操作系統(tǒng)內(nèi)核的創(chuàng)造者 Linus Torvalds 在 2005 年創(chuàng)造，Git 第一個(gè)可用版本是 Linus 花了兩周時(shí)間用C寫出來的。Git 第一個(gè)版本就實(shí)現(xiàn)了 Git 源碼自托管，一個(gè)月之內(nèi)，Linux系統(tǒng)的源碼也已經(jīng)由 Git 管理了!

Git 的第一個(gè)提交源碼僅有約1000行，但是已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了Git的基本設(shè)計(jì)原理，比如初始化倉庫、提交代碼、查看代碼diff、讀取提交信息等，Git 定義了三個(gè)區(qū)：工作區(qū)(workspace)、暫存區(qū)(index)、版本庫(commit history)，也實(shí)現(xiàn)了三類重要的 Git 對(duì)象：blob、tree、commit。本文將從源碼上分析 Git 的第一個(gè)提交并挖掘背后優(yōu)秀的設(shè)計(jì)原理。

編譯

獲取源碼

在Github上可以找到Git的倉庫鏡像：https://github.com/git/git.git

# 獲取 git 源碼 
$ git clone https://github.com/git/git.git 
 
# 查看第一個(gè)提交 
$ git log --date-order --reverse 
commit e83c5163316f89bfbde7d9ab23ca2e25604af290 
Author: Linus Torvalds <torvalds@ppc970.osdl.org> 
Date:   Thu Apr 7 15:13:13 2005 -0700 
 
    Initial revision of "git", the information manager from hell 
 
# 變更為第一個(gè)提交，指定commit-id 
$ git reset --hard e83c5163316f89bfbde7d9ab23ca2e25604af290 

文件結(jié)構(gòu)

$ tree -h 
. 
├── [2.4K]  cache.h 
├── [ 503]  cat-file.c                  # 查看objects文件 
├── [4.0K]  commit-tree.c               # 提交tree 
├── [1.2K]  init-db.c                   # 初始化倉庫 
├── [ 970]  Makefile 
├── [5.5K]  read-cache.c                # 讀取當(dāng)前索引文件內(nèi)容 
├── [8.2K]  README 
├── [ 986]  read-tree.c                 # 讀取tree 
├── [2.0K]  show-diff.c                 # 查看diff內(nèi)容 
├── [5.3K]  update-cache.c              # 添加文件或目錄 
└── [1.4K]  write-tree.c                # 寫入到tree 
 
# 統(tǒng)計(jì)代碼行數(shù)，總共1089行 
$ find . "(" -name "*.c" -or -name "*.h" -or -name "Makefile" ")" -print | xargs wc -l 
 ... 
 1089 total 

編譯

編譯第一個(gè)提交的Git會(huì)有編譯問題，需要更改Makefile添加相關(guān)的依賴庫：

$ git diff ./Makefile 
...  
-LIBS= -lssl 
+LIBS= -lssl -lz -lcrypto 
... 

編譯：

# 編譯 
$ make 

只支持在 linux 平臺(tái)上編譯運(yùn)行。

源碼分析

Write programs that do one thing and do it well. ——Unix philosophy

查看編譯生成的可執(zhí)行文件，總共有7個(gè)：

命令使用過程：

init-db：初始化倉庫

命令說明

$ init-db 

運(yùn)行流程

創(chuàng)建目錄：.dircache。

創(chuàng)建目錄：.dircache/objects。

在 .dircache/objects 中創(chuàng)建了從 00 ~ ff 共256個(gè)目錄。

.dircache/ 是Git的工作目錄，最新版本的Git工作目錄為 .git/ 。

運(yùn)行示例

# 運(yùn)行init-db初始化倉庫 
$ init-db 
defaulting to private storage area 
 
# 查看初始化后的目錄結(jié)構(gòu) 
$ tree . -a 
. 
└── .dircache                   # git工作目錄 
    └── objects                 # objects文件 
        ├── 00 
        ├── 01 
        ├── 02 
        ├── ......              # 省略 
        ├── fe 
        └── ff 
258 directories, 0 files 

最新版本Git使用 git init . 初始化倉庫，而且初始化工作目錄為 .git/，初始化后，.git/ 目錄中的文件和功能也非常豐富，包括 .git/HEAD、.git/refs/ 、.git/info/ 等，以及很多的 hooks 示例：.git/hooks/**.sample。

update-cache：添加文件或目錄

update-cache 主要是把工作區(qū)的修改文件提交到暫存區(qū)。工作區(qū)、暫存區(qū)等說明見下文【設(shè)計(jì)原理】 。

命令使用

$ update-cache ... 

運(yùn)行流程

1. 讀取并解析索引文件 ：.dircache/index。
2. 遍歷多個(gè)文件，讀取并生成變更文件信息(文件名稱、文件內(nèi)容sha1值、日期、大小等)，寫入到索引文件中。
3. 遍歷多個(gè)文件，讀取并壓縮變更文件，存儲(chǔ)到objects文件中，該文件為blob對(duì)象。

如果是剛初始化的倉庫，會(huì)自動(dòng)創(chuàng)建索引文件。索引文件說明見下文【設(shè)計(jì)原理 - 索引文件】。blob對(duì)象的文件格式及說明見下文【設(shè)計(jì)原理 - blob對(duì)象】。sha1值說明見下文【設(shè)計(jì)原理 - 哈希算法】。

運(yùn)行示例

# 新增README.md文件 
$ echo "hello git" > README.md 
 
# 提交 
$ update-cache README.md 
 
# 查看索引文件 
$ hexdump -C .dircache/index 
00000000  43 52 49 44 01 00 00 00  01 00 00 00 af a4 fc 8e  |CRID............| 
00000010  5e 34 9d dd 31 8b 4c 8e  15 ca 32 05 5A e9 a4 c8  |^4..1.L...2.Z...| 
00000020  af bd 4c 5f bf fb 41 37  af bd 4c 5f bf fb 41 37  |..L_..A7..L_..A7| 
00000030  00 03 01 00 91 16 d2 04  b4 81 00 00 ee 03 00 00  |................| 
00000040  ee 03 00 00 0a 00 00 00  bb 12 25 52 ab 7b 40 20  |..........%R.{@ | 
00000050  b5 f6 12 cc 3b bd d5 b4  3d 1f d3 a8 09 00 52 45  |....;...=.....RE| 
00000060  41 44 4d 45 2e 6d 64 00                           |ADME.md.| 
00000068 
 
# 查看objects內(nèi)容，sha1值從索引文件中獲取 
$ cat-file bb122552ab7b4020b5f612cc3bbdd5b43d1fd3a8 
temp_git_file_61uTTP: blob 
$ cat ./temp_git_file_RwpU8b 
hello git 

cat-file：查看objects文件內(nèi)容

cat-file 根據(jù)sha1值查看暫存區(qū)中的objects文件內(nèi)容。cat-file 是一個(gè)輔助工具，在正常的開發(fā)工作流中一般不會(huì)使用到。

命令使用

 

$ cat-file <sha1> 

運(yùn)行流程

1. 根據(jù)入?yún)ha1值定位objects文件，比如.dircache/objects/46/4b392e2c8c7d2d13d90e6916e6d41defe8bb6a
2. 讀取該objects文件內(nèi)容，解壓得到真實(shí)數(shù)據(jù)。
3. 寫入到臨時(shí)文件 temp_git_file_XXXXXX(隨機(jī)不重復(fù)文件)。

objects內(nèi)容為壓縮格式，基于zlib壓縮算法，objects說明見【設(shè)計(jì)原理 - objects 文件】。

運(yùn)行示例

# cat-file 會(huì)把內(nèi)容讀取到temp_git_file_rLcGKX 
$ cat-file 82f8604c3652fa5762899b5ff73eb37bef2da795 
temp_git_file_tBTXFM: blob 
 
# 查看 temp_git_file_tBTXFM 文件內(nèi)容 
$ cat ./temp_git_file_tBTXFM  
hello git! 

show-diff：查看diff內(nèi)容

查看工作區(qū)和暫存區(qū)中的文件差異。

命令使用

$ show-diff 

運(yùn)行流程

讀取并解析索引文件：.dircache/index。

循環(huán)遍歷變更文件信息，比較工作區(qū)中的文件信息和索引文件中記錄的文件信息差異。

無差異，顯示 : ok。

有差異，調(diào)用 diff 命令輸出差異內(nèi)容。

運(yùn)行示例

# 創(chuàng)建文件并提交到暫存區(qū) 
$ echo "hello git!" > README.md 
$ update-cache README.md 
 
# 當(dāng)前無差異 
$ show-diff 
README.md: ok 
 
# 更改README.md 
$ echo "hello world!" > README.md 
 
# 查看diff 
$ show-diff 
README.md:  82f8604c3652fa5762899b5ff73eb37bef2da795 
--- -   2020-08-31 17:33:50.047881667 +0800 
+++ README.md   2020-08-31 17:33:47.827740680 +0800 
@@ -1 +1 @@ 
-hello git! 
+hello world! 

write-tree：寫入到tree

write-tree 作用將保存在索引文件中的多個(gè)objects對(duì)象歸并到一個(gè)類型為tree的objects文件中，該文件即Git中重要的對(duì)象：tree。

命令使用

$ write-tree 

運(yùn)行流程

1. 讀取并解析索引文件：.dircache/index。
2. 循環(huán)遍歷變更文件信息，按照指定格式編排變更文件信息及內(nèi)容。
3. 壓縮并存儲(chǔ)到objects文件中，該object文件為tree對(duì)象。

tree對(duì)象的文件格式及相關(guān)說明見下文【設(shè)計(jì)原理 - tree對(duì)象】。

運(yùn)行示例

# 提交 
$ write-tree 
c771b3ab2fe3b7e43099290d3e99a3e8c414ec72 
 
# 查看objects內(nèi)容 
$ cat-file  c771b3ab2fe3b7e43099290d3e99a3e8c414ec72 
temp_git_file_r90ft5: tree 
$ cat ./temp_git_file_r90ft5 
100664 README.md��`L6R�Wb��_�>�{�-�� 

read-tree：讀取tree

read-tree 讀取并解析指定sha1值的tree對(duì)象，輸出變更文件的信息。

命令使用

 

$ read-tree <sha1> 

運(yùn)行步驟

1. 解析sha1值。
2. 讀取對(duì)應(yīng)sha1值的object對(duì)象。
3. 輸出變更文件的屬性、路徑、sha1值。

運(yùn)行示例

# 提交 
$ write-tree 
c771b3ab2fe3b7e43099290d3e99a3e8c414ec72 
 
# 讀取tree對(duì)象 
$ read-tree  c771b3ab2fe3b7e43099290d3e99a3e8c414ec72 
100664 README.md (82f8604c3652fa5762899b5ff73eb37bef2da795) 

commit-tree：提交tree

commit-tree 把本地變更提交到版本庫里，具體是基于一個(gè)tree對(duì)象的sha1值創(chuàng)建一個(gè)commit對(duì)象。

命令使用

$ commit-tree <sha1> [-p <sha1>]* < changelog 

運(yùn)行流程

1. 參數(shù)解析。
2. 獲取用戶名稱、用戶郵件、提交日期。
3. 寫入tree信息。
4. 寫入parent信息。
5. 寫入author、commiter信息。
6. 寫入comments(注釋)。
7. 壓縮并存儲(chǔ)到objects文件中，該object文件為commit對(duì)象。

commit對(duì)象的文件格式及說明見下文【設(shè)計(jì)原理 - commit對(duì)象】。

運(yùn)行示例

# 寫入到tree 
$ write-tree  
c771b3ab2fe3b7e43099290d3e99a3e8c414ec72 
 
# 提交tree 
$ echo "first commit" > changelog 
$ commit-tree c771b3ab2fe3b7e43099290d3e99a3e8c414ec72 < changelog 
Committing initial tree c771b3ab2fe3b7e43099290d3e99a3e8c414ec72 
7ea820bd363e24f5daa5de8028d77d88260503d9 
 
# 查看commit對(duì)象內(nèi)容 
$ cat-file 7ea820bd363e24f5daa5de8028d77d88260503d9 
temp_git_file_CIfJsg: commit 
$ cat temp_git_file_CIfJsg 
tree c771b3ab2fe3b7e43099290d3e99a3e8c414ec72 
author Xiaowen Xia <chenan.xxw@aos-hw09> Tue Sep  1 10:56:16 2020 
committer Xiaowen Xia <chenan.xxw@aos-hw09> Tue Sep  1 10:56:16 2020 
 
first commit 

設(shè)計(jì)原理

Write programs to work together.

——Unix philosophy

與傳統(tǒng)的集中式版本控制系統(tǒng)(CVCS)相反，Git 從一開始就設(shè)計(jì)成了去中心化的分布式系統(tǒng)，每個(gè)開發(fā)者本地工作區(qū)都是一個(gè)完整的版本庫，擁有本地的代碼倉庫。另外，Git 的設(shè)計(jì)初衷是為了讓更多的開發(fā)者一起開發(fā)軟件。

該版本 Git 定義了三種對(duì)象：

• blob 對(duì)象：保存著文件快照。
• tree 對(duì)象：記錄著目錄結(jié)構(gòu)和 blob 對(duì)象索引。
• commit 對(duì)象：包含著指向前述 tree 對(duì)象的指針和所有提交信息。

三種對(duì)象相互之間的關(guān)系如下：

 

圖源：https://git-scm.com/book/en/v2/Git-Branching-Branches-in-a-Nutshell

另外，Git 也定義了三個(gè)區(qū)，工作區(qū)(workspace)，暫存區(qū)(index)和版本庫(commit history)：

• 工作區(qū)(workspace)：我們直接修改代碼的地方。
• 暫存區(qū)(index)：數(shù)據(jù)暫時(shí)存放的區(qū)域，用于在工作區(qū)和版本庫之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交流。
• 版本庫(commit history)：存放已經(jīng)提交的數(shù)據(jù)。

每個(gè)可執(zhí)行文件的具體分工是：init-db 用來創(chuàng)建一個(gè)初始化倉庫，update-cache 會(huì)將 工作區(qū) 的變更寫到 索引文件 (index)中，write-tree 會(huì)將之前的所有變更整理成 tree 對(duì)象，commit-tree 會(huì)將 指定的 tree 對(duì)象寫到本地版本庫中。另外，show-diff 用來查看 工作區(qū) 和 暫存區(qū) 中的文件差異，read-tree 用來讀取 tree對(duì)象 的信息。

由此可以繪制一個(gè)簡(jiǎn)單的Git開發(fā)工作流：

objects 文件

objects文件是載體，用來存儲(chǔ)Git中的3個(gè)重要對(duì)象：blob、tree、commit。

$ tree .git/objects 
.git/objects 
├── 02 
│   └── 77ec89d7ba8c46a16d86f219b21cfe09a611e1 
├── ......                                          # 省略 
├── be 
│   ├── adb5bac00c74c97da7f471905Ab0da8b50229c 
│   └── ee7b5e8ab6ae1c0c1f3cfa2c4643aacdb30b9b 
├── ......                                          # 省略 
├── c9 
│   └── f6098f3ba06cf96e1248e9f39270883ba0e82e 
├── ......                                          # 省略 
├── cf 
│   ├── 631abbf3c4cec0911cb60cc307f3dce4f7a000 
│   └── 9e478ab3fc98680684cc7090e84644363a4054 
├── ......                                          # 省略 
└── ff 

為了節(jié)約存儲(chǔ)，同時(shí)也能存儲(chǔ)多個(gè)信息，objects文件內(nèi)容都是經(jīng)過 zlib 壓縮過的。objects文件的格式由 + + <要存儲(chǔ)的內(nèi)容> 組成，其中 可以是"blob"(blob對(duì)象)、"tree"(tree對(duì)象)、"commit"(commit對(duì)象)。

使用 cat-file 可以查看object文件是什么類型的對(duì)象。

.dircache/objects 目錄結(jié)構(gòu)如下：

$ tree .git/objects.git/objects├── 02│ └── 77ec89d7ba8c46a16d86f219b21cfe09a611e1├── ...... # 省略├── be│ ├── adb5bac00c74c97da7f471905Ab0da8b50229c│ └── ee7b5e8ab6ae1c0c1f3cfa2c4643aacdb30b9b├── ...... # 省略├── c9│ └── f6098f3ba06cf96e1248e9f39270883ba0e82e├── ...... # 省略├── cf│ ├── 631abbf3c4cec0911cb60cc307f3dce4f7a000│ └── 9e478ab3fc98680684cc7090e84644363a4054├── ...... # 省略└── ff

問：為什么 .dircache/objects/ 目錄下面要以sha1值前一個(gè)字節(jié)的hex值作為子目錄?

blob 對(duì)象

運(yùn)行 update-cache 會(huì)生成 blob 對(duì)象。

blob 對(duì)象用于存儲(chǔ)變更文件內(nèi)容，其實(shí)就代表一個(gè)變更文件快照。blob 對(duì)象由 + + 拼裝并壓縮：

使用 cat-file 查看 blob 對(duì)象內(nèi)容：

# 查看 blob 對(duì)象內(nèi)容 
$ cat-file 82f8604c3652fa5762899b5ff73eb37bef2da795temp_git_file_tBTXFM: blob 
 
$ cat ./temp_git_file_tBTXFM  
hello git! 

tree 對(duì)象

運(yùn)行 write-tree 會(huì)生成 tree 對(duì)象。

tree 對(duì)象用于存儲(chǔ)多個(gè)提交文件的信息。tree 對(duì)象由 + + 文件模式 + 文件名稱 + 文件sha1值 拼裝并壓縮：

文件sha1值 使用binary格式存儲(chǔ)，占用20字節(jié)。

使用 cat-file 查看 tree 對(duì)象內(nèi)容：

# 查看 tree 對(duì)象內(nèi)容 
$ cat-file  c771b3ab2fe3b7e43099290d3e99a3e8c414ec72 
temp_git_file_r90ft5: tree 
 
$ cat ./temp_git_file_r90ft5 
100664 README.md��`L6R�Wb��_�>�{�-�� 

文件sha1值 使用binary格式存儲(chǔ)，所以打印的時(shí)候會(huì)有亂碼。

commit 對(duì)象

運(yùn)行 commit-tree 會(huì)生成 commit 對(duì)象。

commit 對(duì)象存儲(chǔ)一次提交的信息，包括所在的tree信息，parent信息以及提交的作者等信息。commit 對(duì)象由 + +

tree sha1值 和 parent sha1值 使用hex字符串格式存儲(chǔ)，占用40字節(jié)。

使用 cat-file 查看 commit 對(duì)象內(nèi)容：

# 查看 commit 對(duì)象內(nèi)容 
$ cat-file 7ea820bd363e24f5daa5de8028d77d88260503d9 
temp_git_file_CIfJsg: commit 
 
$ cat temp_git_file_CIfJsg 
tree c771b3ab2fe3b7e43099290d3e99a3e8c414ec72 
author Xiaowen Xia <chenan.xxw@aos-hw09> Tue Sep  1 10:56:16 2020 
committer Xiaowen Xia <chenan.xxw@aos-hw09> Tue Sep  1 10:56:16 2020 
 
first commit 

索引文件

索引文件默認(rèn)路徑為：.dircache/index。索引文件用來存儲(chǔ)變更文件的相關(guān)信息，當(dāng)運(yùn)行 update-cache 時(shí)會(huì)添加變更文件的信息到索引文件中。

同時(shí)也有一個(gè)叫 .dircache/index.lock 的文件，該文件存在時(shí)表示當(dāng)前工作區(qū)被鎖定，無法進(jìn)行提交操作。

使用 hexdump 命令可以查看到索引文件內(nèi)容：

$ hexdump -C .dircache/index  
00000000  43 52 49 44 01 00 00 00  01 00 00 00 ae 73 c4 f2  |CRID.........s..| 
00000010  ce 32 c9 6f 13 20 0d 56  9c e8 cf 0d d3 75 10 c8  |.2.o. .V.....u..| 
00000020  94 ad 4c 5f f4 5c 42 06  94 ad 4c 5f f4 5c 42 06  |..L_.\B...L_.\B.| 
00000030  00 03 01 00 91 16 d2 04  b4 81 00 00 ee 03 00 00  |................| 
00000040  ee 03 00 00 0b 00 00 00  a3 f4 a0 66 c5 46 39 78  |...........f.F9x| 
00000050  1e 30 19 a3 20 42 e3 82  84 ee 31 54 09 00 52 45  |.0.. B....1T..RE| 
00000060  41 44 4d 45 2e 6d 64 00                           |ADME.md.| 

.dircache/index 索引文件使用二進(jìn)制存儲(chǔ)相關(guān)內(nèi)容，該文件由 文件頭 + 變更文件信息 組成：

 

 

文件頭大小為32字節(jié)，一個(gè)變更文件信息大小至少是63字節(jié)。其中：文件頭中的sha1值由整個(gè)索引文件內(nèi)容(文件頭 + 變更文件信息)計(jì)算得到的。變更文件信息的sha1值由變更文件內(nèi)容(壓縮后)計(jì)算得到的。

哈希算法

該 Git 版本中使用的哈希算法為 sha1算法 ，代碼中使用的是 OpenSSL 庫中提供的sha1算法。

目前 Git 已經(jīng)有了新的選擇：sha256算法 ，且目前正在做 sha1 到 sha256 的遷移。

#include <openssl/sha.h> 
 
static int verify_hdr(struct cache_header *hdr, unsigned long size) 
{ 
  SHA_CTX c; 
  unsigned char sha1[20]; 
        /* 省略 */ 
  /* 計(jì)算索引文件頭sha1值 */ 
  SHA1_Init(&c); 
  SHA1_Update(&c, hdr, offsetof(struct cache_header, sha1)); 
  SHA1_Update(&c, hdr+1, size - sizeof(*hdr)); 
  SHA1_Final(sha1, &c); 
  /* 省略 */ 
  return 0; 
} 

總結(jié)與思考

Use software leverage to your advantage. ——Unix philosophy

好的代碼不是寫出來的，是改出來的

Git 的第一個(gè)提交中，雖然實(shí)現(xiàn)了 Git 的分布式核心思想，以及三種對(duì)象，三個(gè)區(qū)等核心概念，但是 Git 的靈魂功能比如分支策略、遠(yuǎn)程倉庫、日志系統(tǒng)、git hooks 等功能都是后面逐步迭代出來的。

關(guān)于細(xì)節(jié)

問：為什么 .dircache/objects/ 目錄下面要以 sha1 值前一個(gè)字節(jié)的 hex 值作為子目錄?

答：ext3 文件系統(tǒng)下，一個(gè)目錄下只能有 32000 個(gè)一級(jí)子文件，如果都把 objects 文件存儲(chǔ)到一個(gè) .git/objects/ 目錄里，很大概率會(huì)達(dá)到上限。同時(shí)要是一個(gè)目錄下面子文件太多，那文件查找效率會(huì)降低很多。

關(guān)于代碼質(zhì)量

Git 的第一次提交源碼，從代碼質(zhì)量、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上看其實(shí)并沒有多少參考價(jià)值，反而我還發(fā)現(xiàn)了很多可以優(yōu)化的地方，比如：

• 異常處理不完善，經(jīng)常出現(xiàn)段錯(cuò)誤(SegmentFault)。
• 存在幾處內(nèi)存泄漏的地方，比如 write-tree.c > main函數(shù) > buffer內(nèi)存塊 。
• 從索引文件中讀取到的變更文件信息使用數(shù)組存儲(chǔ)，涉及到了比較多的申請(qǐng)釋放操作，性能上是有損失的，可以優(yōu)化成鏈表存儲(chǔ)。

不過這些都不重要，重要的是 Git 的設(shè)計(jì)原理和思想。

【本文為51CTO專欄作者“阿里巴巴官方技術(shù)”原創(chuàng)稿件，轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系原作者】

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