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一文讲透 Git 底层数据结构和原理

更新时间  2021-07-12 17:52 阅读
本文摘要:简介: 本文将系统分享 Git 底层知识:工具生命周期变化,底层数据结构,数据包文件结构,数据包文件索引,以及详细分析工具查询流程和算法。状态模型上图形貌了 git 工具的在差别的生命周期中差别的存储位置,通过差别的 git 下令改变 git 工具的存储生命周期。事情区 (workspace)就是我们当前事情空间,也就是我们当前能在当地文件夹下面看到的文件结构。

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简介: 本文将系统分享 Git 底层知识:工具生命周期变化,底层数据结构,数据包文件结构,数据包文件索引,以及详细分析工具查询流程和算法。状态模型上图形貌了 git 工具的在差别的生命周期中差别的存储位置,通过差别的 git 下令改变 git 工具的存储生命周期。事情区 (workspace)就是我们当前事情空间,也就是我们当前能在当地文件夹下面看到的文件结构。

初始化事情空间或者事情空间 clean 的时候,文件内容和 index 暂存区是一致的,随着修改,事情区文件在没有 add 到暂存区时候,事情区将和暂存区是纷歧致的。暂存区 (index)老版本观点也叫 Cache 区,就是文件暂时存放的地方,所有暂时存放在暂存区中的文件将随着一个 commit 一起提交到 local repository 此时 local repository 内里文件将完全被暂存区所取代。暂存区是 git 架构设计中很是重要和难明白的一部门。当地堆栈 (local repository)git 是漫衍式版本控制系统,和其他版本控制系统差别的是他可以完全去中心化事情,你可以不用和中央服务器 (remote server) 举行通信,在当地即可举行全部离线操作,包罗 log,history,commit,diff 等等。

完成离线操作最焦点是因为 git 有一个险些和远程一样的当地堆栈,所有当地离线操作都可以在当地完成,等需要的时候再和远程服务举行交互。远程堆栈 (remote repository)中心化堆栈,所有人共享,当地堆栈会需要和远程堆栈举行交互,也就能将其他所有人内容更新到当地堆栈把自己内容上传分享给其他人。

结构大要和当地堆栈一样。文件在差别的操作下可能处于差别的 git 生命周期,下面看看一个文件变化的例子。文件变化工具模型堆栈结构git 漫衍式的一个重要体现是 git 在当地是有一个完整的 git 堆栈也就是 .git 文件目录,通过这个堆栈,git 就可以完全离线化操作。在这个当地化的堆栈中存储了 git 所有的模型工具。

下面是 git 堆栈的 tree 和相关说明:git 主要有四个工具,划分是 Blob,Tree, Commit, Tag 他们都用 SHA-1 举行命名。你可以用 git cat-file -t 检察每个 SHA-1 的类型,用 git cat-file -p 检察每个工具的内容和简朴的数据结构。

git cat-file 是 git 的瑞士军刀,是底层焦点下令。Blob 工具只用于存储单个文件内容,一般都是二进制的数据文件,不包罗任何其他文件信息,好比不包罗文件名和其他元数据。Tree 工具对应文件系统的目录结构,内里主要有:子目录 (tree),文件列表 (blob),文件类型以及一些数据文件权限模型等。

如下图输出:→ git cat-file -t ed807a4d010a06ca83d448bc74c6cc79121c07c3tree→ git cat-file -p ed807a4d010a06ca83d448bc74c6cc79121c07c3100644 blob 36a982c504eb92330573aa901c7482f7e7c9d2e6 .cise.yml100644 blob c439a8da9e9cca4e7b29ee260aea008964a00e9a .eslintignore100644 blob 245b35b9162bec4ef798eb05b533e6c98633af5c .eslintrc100644 blob 10123778ec5206edcd6e8500cc78b77e79285f6d .gitignore100644 blob 1a48aa945106d7591b6342585b1c29998e486bf6 README.md100644 blob 514f7cb2645f44dd9b66a87f869d42902174fe40 abc.json040000 tree 8955f46834e3e35d74766639d740af922dcaccd3 cli_list100644 blob f7758d0600f6b9951cf67f75cf0e2fabcea55771 dep.json040000 tree e2b3ee59f6b030a45c0bf2770e6b0c1fa5f1d8c7 doc100644 blob e3c712d7073957c3376d182aeff5b96f28a37098 index.js040000 tree b4aadab8fc0228a14060321e3f89af50ba5817ca lib040000 tree 249eafef27d9d8ebe966e35f96b3092d77485a79 mock100644 blob 95913ff73be1cc7dec869485e80072b6abdd7be4 package.json040000 tree e21682d1ebd4fdd21663ba062c5bfae0308acb64 src040000 tree 91612a9fa0cea4680228bfb582ed02591ce03ef2 static040000 tree d0265f130d2c5cb023fe16c990ecd56d1a07b78c task100644 blob ab04ef3bda0e311fc33c0cbc8977dcff898f4594 webpack.config.js100644 blob fb8e6d3a39baf6e339e235de1a9ed7c3f1521d55 webpack.dll.config.js040000 tree 5dd44553be0d7e528b8667ac3c027ddc0909ef36 webpack详细解释如下:Commit 工具是一次修改的荟萃,当前所有修改的文件的一个荟萃,可以类比一批操作的“事务”。是修悔改的文件集的一个快照,随着一次 commit 操作,修悔改的文件将会被提交到 local repository 中。

通过 commit 工具,在版本化中可以检索出每次修改内容,是版本化的基石。→ git cat-file -t fbf9e415f77008b780b40805a9bb996b37a6ad2ccommit→ git cat-file -p fbf9e415f77008b780b40805a9bb996b37a6ad2ctree bd31831c26409eac7a79609592919e9dcd1a76f2parent d62cf8ef977082319d8d8a0cf5150dfa1573c2b7author xxx 1502331401 +0800committer xxx 1502331401 +0800修复增量bug详细解释如下:Tag 工具tag 是一个"固化的分支",一旦打上 tag 之后,这个 tag 代表的内容将永远不行变,因为 tag 只会关联其时版本库中最后一个 commit 工具。

分支的话,随着不停的提交,内容会不停的改变,因为分支指向的最后一个 commit 不停改变。所以一般应用或者软件版本的公布一般用 tag。git 的 Tag 类型有两种:1 lightweight (轻量级)建立方式:git tag tagName这种方式建立的 Tag,git 底层不会建立一个真正意义上的 tag 工具,而是直接指向一个 commit 工具,此时如果使用 git cat-file -t tagName 会返回一个 commit。

→ git cat-file -t v4commit→ git cat-file -p v4tree ceab4f96440655b0ff1a783316c95450fa1fb436parent 7f23c9ca70ce64fc58e8c7507c990c6c6a201d3dauthor 与水 1506224164 +0800committer 与水 1506224164 +0800rawtest22 annotated (含附注)建立方式:git tag -a tagName -m''这种方式建立的标签,git 底层会建立一个 tag 工具,tag 工具会包罗相关的 commit 信息和 tagger 等分外信息,此时如果使用 git cat-file -t tagname 会返回一个 tag。→ git cat-file -t v3tag→ git cat-file -p v3object d5d55a49c337d36e16dd4b05bfca3816d8bf6de8 //commit 工具SHA-1type committag v3tagger xxx 1506230900 +0800与水测试标注型tag总结:所有工具模型之间的关系大致如下:存储模型观点git 区别与其他 vcs 系统的一个最主要原因之一是:git 对文件版本治理和其他 vcs 系统对文件版本的实现理念完成纷歧样。

这也就是 git 版本治理为什么如此强大的最焦点的地方。Svn 等其他的 VCS 对文件版本的理念是以文件为水平维度,记载每个文件在每个版本下的 delta 改变。Git 对文件版本的治理理念却是以每次提交为一次快照,提交时对所有文件做一次全量快照,然后存储快照引用。Git 在存储层,如果文件数据没有改变的文件,Git 只是存储指向源文件的一个引用,并不会直接多次存储文件,这一点可以在 pack 文件中瞥见。

如下图所示:存储随着需求和功效的不停庞大,git 版本的不停更新,可是主要的存储模型还是大致稳定。如下图所示:检索模型→ cd .git/objects/→ ls03 28 7f ce d0 d5 e6 f9 info packgit 的工具有两种:一种是松散工具,就是在如上 .git/objects 的文件夹 03 28 7f ce d0 d5 e6 f9 等,这些文件夹只有 2 个字符开头,其实就是每个文件 SHA-1 值的前 2 个字母,最多有 #OXFF 256 个文件夹。一种是打包压缩工具,打包压缩之后的工具主要存在的是 pack 文件中,主要用于文件在网络上传输,淘汰网络消耗。为了节约存储空间,可以手动触发打包压缩操作 (git gc),将松散工具打包成 pack 文件工具。

也可以将 pack 文件解压缩成松散工具 (git unpack-objects)→ cd pack→ lspack-efbf3149604d24e6ea427b025da0c59245b2c2ea.idx pack-efbf3149604d24e6ea427b025da0c59245b2c2ea.pack为了加速 pack 文件的检索效率,git 基于 pack 文件会生成相应的索引 idx 文件。pack 文件pack 文件设计很是细密和巧妙,本着降低文件巨细,淘汰文件传输,降低网络开销和宁静传输的原则设计的。pack 文件设计的概图如下:pack 文件主要有三部门组成,Header, Body, TrailerHeader 部门主要 4-byte "PACK", 4-byte "版本号", 4-byte "Object 条目数"。

Body 部门主要是一个个 Git 工具依次存储,存储位置在 idx 索引文件中记载改工具在 pack 文件中的偏移量 offset。Trailer 部门主要是所有 Objects 的名 (SHA-1)的校验和,为了宁静可靠的文件传输。下面我们看详细的 pack 文件:从上图可知:通过 idx 索引文件在 pack 文件中定位到工具之后,工具的结构主要 Header 和 Data 两部门。

1 Header 部门Header 中首 8-bits:1-bit 是 MSB,接着的 3-bits 表现的是当前工具类型,主要有 6种存储类型,接着的 4-bits 是用于表现该 Object 展开的 (length) 巨细的一部门,只是一部门,完整的巨细取决于MSB和接下来的多个 bits,完整算法如下:如果 8-bits 中第一位是 1,表现下一个字节还是 header 的一部门,用于表现该工具展开的巨细。如果 8-bits 中第一位是 0,表现从下一个字节开始,将是数据 Data 文件。如果工具类型是 OBJ_OFS_DELTA 类型, 表现的是 Delta 存储,当前 git 工具只是存储了增量部门,对于基本的部门将由接下来的可变长度的字节数用于表现 base object 的距离当前工具的偏移量,接下来的可变字节也是用 1-bit MSB 表现下一个字节是否是可变长度的组成部门。

对偏移量取负数,就可知 base 工具在当前工具的前面几多字节。如果工具类型是 OBJ_REF_DELTA 类型,表现的是 Delta 存储,当前 git 工具只是存储了增量部门,对于基本的部门,用 20-bytes 存储 Base Object 的 SHA-1。2 Data 部门是经由 Zlib 压缩过的数据。

可能是全部数据,也有可能是 Delta 数据,详细看 Header 部门的存储类型,如果是 OBJ_OFS_DELTA 或者 OBJ_REF_DELTA 此处存储的就是增量 (Delta) 数据,此时如果要取得全量数据的话,需要递归的找到最 Base Object,然后 apply delta 数据,在 base object 基础上举行 apply delta 数据也是很是精妙的,此文暂不做先容。从上面可以很清晰知道 pack 文件花样,我们再从当地堆栈中一探究竟:不是增量 delta 花样:SHA-1 type size size-in-packfile offset-in-packfile增量 delta 花样:SHA-1 type size size-in-packfile offset-in-packfile depth base-SHA-1→ git verify-pack -v pack-efbf3149604d24e6ea427b025da0c59245b2c2ea.packcb5a93c4cf9c0ee5b7153a3a35a4fac7a7584804 commit 275 189 12399334856af4ca4b49c0008a25b6a9f524e40350 commit 69 81 201 1 cb5a93c4cf9c0ee5b7153a3a35a4fac7a7584804e0efbd5121c31964af1615cf24135a7c6c11cc1d commit 268 187 2827bc9a5e0199bd4a6d4d223ce7e13239631df9635 commit 29 41 469 1 e0efbd5121c31964af1615cf24135a7c6c11cc1d2e43c62f6ff99c88d20329487137f8dbabc8b3ec commit 220 157 510b6f173085f49f109a00b2a3f08a7dc499cc47f1f commit 220 157 6670466b3f1aadde74234f7dd3f4ef7f1505c50fb0c commit 220 157 82476c5e45f8e295226b1bc5c8c7e2bc98d7eae6be1 commit 74 85 981 1 b6f173085f49f109a00b2a3f08a7dc499cc47f1f2729f1fa896d384b49a2f5c53d483eacc0929ebb commit 172 127 10663cc58df83752123644fef39faab2393af643b1d2 blob 2 11 119362189d1a10cc2a544c4e5b9c4aba9493cf5782dc blob 8 15 1204a9a5aecf429fd8a0d81fbd5fd37006bfa498d5c1 blob 4 13 12192b8982f7c281964658d2cd8b6c17b541533dd277 tree 104 105 123292c4aafa39ee387a1f8237f00c78c499aebaf0b2 tree 104 105 1337223b7836fb19fdf64ba2d3cd6173c6a283141f78 blob 2 11 14421756ca64f21724f350fe2cc5cfb218883e314c3d tree 71 80 1453e11ddfa79f01b01a8e1553bbffaa2d6c03ae9f6e tree 71 80 1533f70f10e4db19068f79bc43844b49f3eece45c4e8 blob 2 11 1613e982b6207b10a869164e2c8d19d25ffb059e6a16 tree 66 73 1624f2e9f73f27124916344e0fd03bb449bc6feca59d tree 66 74 1697d09da444f461d7cee3679666a1ded5ab79832ed0 tree 33 44 1771non delta: 18 objectschain length = 1: 3 objectspack-efbf3149604d24e6ea427b025da0c59245b2c2ea.pack: ok如 399334856af4ca4b49c0008a25b6a9f524e40350(SHA-1) 表现工具的 base object SHA-1 是 cb5a93c4cf9c0ee5b7153a3a35a4fac7a7584804,base 工具最大深度 (depth) 为 1,如果 cb5a93c4cf9c0ee5b7153a3a35a4fac7a7584804 另有引用工具,则改变 depth 为 2。pack Header 中最后 4-bytes 用于表现的 pack 文件中 objects 的数量,最多 2 的 32 次方个工具,所以一些大的工程中有多个 pack 文件和多个 idx 文件。

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文件的 size (文件解压缩后巨细) 有什么用呢,这个是为了利便我们举行解压的时候,设置流的巨细,也就是利便知道流有多大。这里 size 不是说明下一个文件的偏移量,偏移量都是来自索引文件,见下面 idx:index 文件由于 version1 比力简朴,下面用 version2 为例子:分层模式:Header,Fanout,SHA,CRC,Offset,Big File Offset,Trailer。

Header 层version2 的 Header 部门总共有 8-bytes,version 1 的 header 部门是没有的,前 4-bytes 总是 255, 116, 79, 99 因为这个也是版本 1 的开头四个字节,后面 4-bytes 用于表现的是版本号,在当前就是 version 2。Fanout 层fanout 层是 git 的亮点设计,也叫 Fanout Table(扇表)。

fanout 数组中存储的是相关工具的数目,数组下标是对应 16 进制数。fanout 最后一个存储的是整个 pack 文件中所有工具的总数量。Fanout Table 是整个 git 检索的焦点,通过它我们可以快速举行查询,用于定位 SHA 层的数组起始 - 终止下标,定位好 SHA 层规模之后,就可以对 SHA 层举行二分查找了,而不用对所有工具举行二分查找。

fanout 总共 256 个,恰好是十六进制的 #0xFF。fanout 数组用 SHA 的前面 2 个字符作为下标(对应 .git/objects 中的松散文件目录名,将 16 进制的目录名转换 10 进制数字),内里值就是用这两个字符开头的文件数量,而且是逐层累加的,后面的数组数量是包罗前面数组的数据的个数的一个累加。举例如下:1)如果数组下标为 0,且 Fanout[0] = 10 代表着 #0x00 开头的 SHA-1 值的总数为 10 个。

2) 如果数组下标为 1,且 Fanout[1] = 15 代表着小于 #0x01 开头的 SHA-1 值的总数为 15 个,从 Fanout[0] = 10 知 Fanout[1] = (15-10)为什么 git 设计上 Fanout[n] 会累加 Fanout[n-1] 的数量?这个主要是为了快速确定 SHA 层检索的初始位置,而不用每次去把前面所有 fanout[..n-1] 数量举行累加。SHA 层是所有工具的 SHA-1 的排序,根据名称排序,根据名称举行排序是为了用二分搜索举行查找。每个 SHA-1 值占 20-bytes。

CRC 层由于文件打包主要解决网络传输问题,网络传输的时候必须通过 crc 举行校验,制止传输历程中的文件损坏。CRC 数组对应的是每个工具的 CRC 校验和。Offset 层是由 4 byte 字节所组成,表现的是每个 SHA-1 文件的偏移量,可是如果文件大于 2G 之后,4 byte 字节将无法表现,此时将:4 byte 中的第一 bit 就是 MSB,如果是 1 表现的是文件的偏移量是放在第 6 层去存储,此时剩下的 31-bits 将表现文件在 Big File Offset 中的偏移量,也就是图中的,通过 Big File Offset 层 就可以知道工具在 pack 中的 offset。

4 byte 中的第一 bit 就是 MSB,如果是 0 31-bits 表现的存储工具在 packfile 中的文件偏移量,此时不涉及 Big File Offset 层Big File Offset 层用于存储大于 2G 的文件的偏移量。如果文件大于 2G,可以通过 offset 层最后 31 bits 决议在 big file offset 中的位置,big file offset 通过 8 bytes 来表现工具在 pack 文件中的位置,理论上可以表现 2 的 64 次方文件巨细。Trailer 层包罗的是 packfile checksum 和关联的 idx 的 checksum。

索引流程从上面的分层知道 git 设计的巧妙。git 索引文件偏移量的查询流程如下:查询算法通过 idx 文件查询 SHA-1 对应的偏移量:在 pack 文件中通过偏移量找到工具:如果是普通的存储类型。

定位到的工具就是用 Zlib 压缩之后的工具,直接解压缩即可。如果是 Delta 类型需要 递归查出 Delta 的 Base 工具,然后再把 delta data 应用到 base object 上(可参考 git-apply-delta)。


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