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 <[email protected]> 1548055516 +0800
committer Huabing Zhao <[email protected]> 1548055516 +0800
init commit
Signed-off-by: Huabing Zhao <[email protected]>
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
huabing@huabing-xubuntu:~/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 <[email protected]> 1548069325 +0800
committer Huabing Zhao <[email protected]> 1548069325 +0800
some change
Signed-off-by: Huabing Zhao <[email protected]>
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 <[email protected]> 1548326421 +0800
committer Huabing Zhao <[email protected]> 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 stash@{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 <[email protected]>
Date: Fri Jan 25 12:35:31 2019 +0800
This commit should not be there
Signed-off-by: Huabing Zhao <[email protected]>
commit 4f73993cf81931bc15375f0a23d82c40b3ae6789
Author: Huabing Zhao <[email protected]>
Date: Mon Jan 21 19:15:25 2019 +0800
some change
Signed-off-by: Huabing Zhao <[email protected]>
commit b767d7115ef57666c9d279c7acc955f86f298a8d
Author: Huabing Zhao <[email protected]>
Date: Mon Jan 21 15:25:16 2019 +0800
init commit
Signed-off-by: Huabing Zhao <[email protected]>
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 <[email protected]>
Date: Mon Jan 21 19:15:25 2019 +0800
some change
Signed-off-by: Huabing Zhao <[email protected]>
commit b767d7115ef57666c9d279c7acc955f86f298a8d
Author: Huabing Zhao <[email protected]>
Date: Mon Jan 21 15:25:16 2019 +0800
init commit
Signed-off-by: Huabing Zhao <[email protected]>
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。