Git 是目前世界上被最广泛使用的现代软件版本管理系统（Version Control System）。Git 本身亦是一个成熟并处于活跃开发状态的开源项目，今天惊人数量的软件项目依赖 Git 进行版本管理，这些项目包括开源以及各种商业软件。Git 在职业软件开发者中拥有良好的声誉，Git 目前支持绝大多数的操作系统以及 IDE（Integrated Development Environments）。
Git 最初是由 Linux 操作系统内核的创造者 Linus Torvalds 在 2005 年创造，Git 第一个可用版本是 Linus 花了两周时间用C写出来的。Git 第一个版本就实现了 Git 源码自托管，一个月之内，Linux系统的源码也已经由 Git 管理了！
Git 的第一个提交源码仅有约1000行，但是已经实现了Git的基本设计原理，比如初始化仓库、提交代码、查看代码diff、读取提交信息等，Git 定义了三个区：工作区（workspace）、暂存区（index）、版本库（commit history），也实现了三类重要的 git 对象：blob、tree、commit。本文将从源码上分析 Git 的第一个提交以及挖掘背后优秀的设计原理。
在github上可以找到git的仓库镜像：https://github.com/git/git.git 。
# 获取 git 源码
$ git clone https://github.com/git/git.git
# 查看第一个提交
$ git log --date-order --reverse
commit e83c5163316f89bfbde7d9ab23ca2e25604af290
Author: Linus Torvalds <[email protected]>
Date: Thu Apr 7 15:13:13 2005 -0700
Initial revision of "git", the information manager from hell
# 变更为第一个提交，指定commit-id
$ git checkout e83c5163316f89bfbde7d9ab23ca2e25604af290$ 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 # 初始化仓库
├── [ 970] Makefile
├── [5.5K] read-cache.c # 读取当前索引文件内容
├── [8.2K] README
├── [ 986] read-tree.c # 读取tree
├── [2.0K] show-diff.c # 查看diff内容
├── [5.3K] update-cache.c # 添加文件或目录
└── [1.4K] write-tree.c # 写入到tree
# 统计代码行数，总共1089行
$ find . "(" -name "*.c" -or -name "*.h" -or -name "Makefile" ")" -print | xargs wc -l
...
1089 total编译第一个提交的git会有编译问题，需要更改Makefile添加相关的依赖库：
$ git diff ./Makefile
...
-LIBS= -lssl
+LIBS= -lssl -lz -lcrypto
...编译
# 编译
$ make只支持在
linux平台上编译运行。
查看编译生成的可执行文件，总共有7个：
| 执行文件 | 对应git的子命令 | 说明 |
|---|---|---|
| cat-file | git cat-file -t | 读取objects文件 |
| commit-tree [-p ]* | git commit-tree [-p ] | 提交tree |
| init-db | git init . | 初始化仓库 |
| read-tree | git cat-file -p | 读取tree |
| show-diff | git diff | 查看diff内容 |
| update-cache ... | git update-index --add ... | 添加文件或目录 |
| write-tree | git write-tree | 写入到tree |
命令使用过程：
命令说明
$ init-db运行流程
- 创建目录：
.dircache。 - 创建目录：
.dircache/objects。 - 在
.dircache/objects中创建了从00~ff共256个目录。
.dircache/是git的工作目录，最新版本的git工作目录为.git/。
运行示例
# 运行init-db初始化仓库
$ init-db
defaulting to private storage area
# 查看初始化后的目录结构
$ tree . -a
.
└── .dircache # git工作目录
└── objects # objects文件
├── 00
├── 01
├── 02
├── ...... # 省略
├── fe
└── ff
258 directories, 0 files最新版本git使用
git init .初始化仓库，而且初始化工作目录为.git/，初始化后，.git/目录中的文件和功能也非常丰富，包括.git/HEAD、.git/refs/、.git/info/等，以及很多的 hooks 示例：.git/hooks/**.sample。
update-cache主要是把工作区的修改文件提交到暂存区。
工作区、暂存区等说明见 设计原理 。
命令使用
$ update-cache <file> ...运行流程
- 读取并解析 索引文件 ：
.dircache/index。 - 遍历多个文件，读取并生成变更文件信息（文件名称、文件内容sha1值、日期、大小等），写入到索引文件中。
- 遍历多个文件，读取并压缩变更文件，存储到objects文件中，该文件为blob对象。
如果是刚初始化的仓库，会自动创建索引文件。索引文件说明见 设计原理 - 索引文件。 blob对象的文件格式及说明见 设计原理 - blob对象。 sha1值说明见 设计原理 - 哈希算法。
运行示例
# 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内容，sha1值从索引文件中获取
$ cat-file bb122552ab7b4020b5f612cc3bbdd5b43d1fd3a8
temp_git_file_61uTTP: blob
$ cat ./temp_git_file_RwpU8b
hello gitcat-file根据sha1值查看暂存区中的objects文件内容。cat-file是一个辅助工具，在正常的开发工作流中一般不会使用到。
命令使用
$ cat-file <sha1>运行流程
- 根据入参sha1值定位objects文件，比如
.dircache/objects/46/4b392e2c8c7d2d13d90e6916e6d41defe8bb6a - 读取该objects文件内容，解压得到真实数据。
- 写入到临时文件
temp_git_file_XXXXXX（随机不重复文件）。
objects内容为压缩格式，基于 zlib 压缩算法，objects说明见：设计原理 - objects 文件。
运行示例
# cat-file 会把内容读取到temp_git_file_rLcGKX
$ cat-file 82f8604c3652fa5762899b5ff73eb37bef2da795
temp_git_file_tBTXFM: blob
# 查看 temp_git_file_tBTXFM 文件内容
$ cat ./temp_git_file_tBTXFM
hello git!查看工作区和暂存区中的文件差异。
命令使用
$ show-diff运行流程
- 读取并解析索引文件：
.dircache/index。 - 循环遍历变更文件信息，比较工作区中的文件信息和索引文件中记录的文件信息差异。
- 无差异，显示
<file-name>: ok。 - 有差异，调用 diff 命令输出差异内容。
- 无差异，显示
运行示例
# 创建文件并提交到暂存区
$ echo "hello git!" > README.md
$ update-cache README.md
# 当前无差异
$ 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作用将保存在索引文件中的多个objects对象归并到一个类型为tree的objects文件中，该文件即git中重要的对象：tree。
命令使用
$ write-tree运行流程
- 读取并解析索引文件：
.dircache/index。 - 循环遍历变更文件信息，按照指定格式编排变更文件信息及内容。
- 压缩并存储到objects文件中，该object文件为tree对象。
tree对象的文件格式及相关说明见：设计原理 - tree对象。
运行示例
# 提交
$ write-tree
c771b3ab2fe3b7e43099290d3e99a3e8c414ec72
# 查看objects内容
$ cat-file c771b3ab2fe3b7e43099290d3e99a3e8c414ec72
temp_git_file_r90ft5: tree
$ cat ./temp_git_file_r90ft5
100664 README.md��`L6R�Wb��_�>�{�-��read-tree读取并解析指定sha1值的tree对象，输出变更文件的信息。
命令使用
$ read-tree <sha1>运行步骤
- 解析sha1值。
- 读取对应sha1值的object对象。
- 输出变更文件的属性、路径、sha1值。
运行示例
# 提交
$ write-tree
c771b3ab2fe3b7e43099290d3e99a3e8c414ec72
# 读取tree对象
$ read-tree c771b3ab2fe3b7e43099290d3e99a3e8c414ec72
100664 README.md (82f8604c3652fa5762899b5ff73eb37bef2da795)commit-tree把本地变更提交到版本库里，具体是基于一个tree对象的sha1值创建一个commit对象。
命令使用
$ commit-tree <sha1> [-p <sha1>]* < changelog运行流程
- 参数解析。
- 获取用户名称、用户邮件、提交日期。
- 写入tree信息。
- 写入parent信息。
- 写入author、commiter信息。
- 写入comments（注释）。
- 压缩并存储到objects文件中，该object文件为commit对象。
commit对象的文件格式及说明见 设计原理 - commit对象。
运行示例
# 写入到tree
$ write-tree
c771b3ab2fe3b7e43099290d3e99a3e8c414ec72
# 提交tree
$ echo "first commit" > changelog
$ commit-tree c771b3ab2fe3b7e43099290d3e99a3e8c414ec72 < changelog
Committing initial tree c771b3ab2fe3b7e43099290d3e99a3e8c414ec72
7ea820bd363e24f5daa5de8028d77d88260503d9
# 查看commit对象内容
$ 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
与传统的集中式版本控制系统（CVCS）相反，Git 从一开始就设计成了去中心化的分布式系统，每个开发者本地工作区都是一个完整的版本库，拥有本地的代码仓库。另外，Git 的设计初衷是为了让更多的开发者一起开发软件。
该版本 Git 定义了三种对象：
- blob 对象：保存着文件快照。
- tree 对象：记录着目录结构和 blob 对象索引。
- commit 对象：包含着指向前述 tree 对象的指针和所有提交信息。
三种对象相互之间的关系如下：
该图出自git官网的 Pro Git - 3.1 Git Branching - Branches in a Nutshell。
另外，Git 也定义了三个区，工作区（workspace），暂存区（index）和版本库（commit history）：
- 工作区（workspace）
是我们直接修改代码的地方。 - 暂存区（index）
数据暂时存放的区域，用于在工作区和版本库之间进行数据交流。 - 版本库（commit history）
存放已经提交的数据。
每个可执行文件的具体分工是：init-db 用来创建一个初始化仓库，update-cache 会将 工作区 的变更写到 索引文件 （index）中，write-tree 会将之前的所有变更整理成 tree 对象，commit-tree 会将 指定的 tree 对象写到本地版本库中。另外，show-diff 用来查看 工作区 和 暂存区 中的文件差异，read-tree 用来读取 tree对象 的信息。
由此可以绘制一个简单的git 开发工作流：
objects文件是载体，用来存储git中的3个重要对象：blob、tree、commit。
objects文件的存储目录默认为.dircache/objects，也可以通过环境变量：SHA1_FILE_DIRECTORY 指定。文件路径和名称根据sha1值决定，取sha1值的第一个字节的hex值为目录，其他字节的hex值为名称，比如sha1值为0277ec89d7ba8c46a16d86f219b21cfe09a611e1的对象文件存储路径为：.dircache/objects/02/77ec89d7ba8c46a16d86f219b21cfe09a611e1
为了节约存储，同时也能存储多个信息，objects文件内容都是经过 zlib 压缩过的。objects文件的格式由<type> + <size> + <要存储的内容> 组成，其中<type>可以是"blob"（blob对象）、"tree"（tree对象）、"commit"（commit对象）。
使用 cat-file 可以查看object文件是什么类型的对象。
.dircache/objects 目录结构如下：
$ tree .git/objects
.git/objects
├── 02
│ └── 77ec89d7ba8c46a16d86f219b21cfe09a611e1
├── ...... # 省略
├── be
│ ├── adb5bac00c74c97da7f471905ab0da8b50229c
│ └── ee7b5e8ab6ae1c0c1f3cfa2c4643aacdb30b9b
├── ...... # 省略
├── c9
│ └── f6098f3ba06cf96e1248e9f39270883ba0e82e
├── ...... # 省略
├── cf
│ ├── 631abbf3c4cec0911cb60cc307f3dce4f7a000
│ └── 9e478ab3fc98680684cc7090e84644363a4054
├── ...... # 省略
└── ff**问：**为什么
.dircache/objects/目录下面要以sha1值前一个字节的hex值作为子目录？
运行 update-cache 会生成 blob 对象。
blob 对象用于存储变更文件内容，其实就代表一个变更文件快照。
blob 对象由<type> + <size> + <file-content> 拼装并压缩：
使用 cat-file 查看 blob 对象内容：
# 查看 blob 对象内容
$ cat-file 82f8604c3652fa5762899b5ff73eb37bef2da795
temp_git_file_tBTXFM: blob
$ cat ./temp_git_file_tBTXFM
hello git!运行 write-tree 会生成 tree 对象。
tree 对象用于存储多个提交文件的信息。
tree 对象由 <type> + <size> + 文件模式 + 文件名称 + 文件sha1值 拼装并压缩：
文件sha1值使用binary格式存储，占用20字节。
使用 cat-file 查看 tree 对象内容：
# 查看 tree 对象内容
$ 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格式存储，所以打印的时候会有乱码。
运行 commit-tree 会生成 commit 对象。
commit 对象存储一次提交的信息，包括所在的tree信息，parent信息以及提交的作者等信息。
commit 对象由<type> + <size> + <tree, sha1> + <parent, sha1>* + <author-info> + <committer-info> + <comment> 拼装并压缩：
tree sha1值和parent sha1值使用hex字符串格式存储，占用40字节。
使用 cat-file 查看 commit 对象内容：
# 查看 commit 对象内容
$ 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索引文件默认路径为：.dircache/index。索引文件用来存储变更文件的相关信息，当运行 update-cache 时会添加变更文件的信息到索引文件中。
同时也有一个叫
.dircache/index.lock的文件，该文件存在时表示当前工作区被锁定，无法进行提交操作。
使用 hexdump 命令可以查看到索引文件内容：
$ 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 索引文件使用二进制存储相关内容，该文件由 文件头 + 变更文件信息 组成：
文件头大小为32字节，一个变更文件信息大小至少是63字节。 其中：文件头中的sha1值由整个索引文件内容（文件头 + 变更文件信息）计算得到的。变更文件信息的sha1值由变更文件内容（压缩后）计算得到的。
该git版本中使用的哈希算法为 sha1算法 ，代码中使用的是 OpenSSL 库中提供的sha1算法。
目前 Git 已经有了新的选择： sha256算法 ，且目前正在做 sha1 到 sha256 的迁移。
#include <openssl/sha.h>
static int verify_hdr(struct cache_header *hdr, unsigned long size)
{
SHA_CTX c;
unsigned char sha1[20];
/* 省略 */
/* 计算索引文件头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;
}Git 的第一个提交中，虽然实现了Git的分布式核心思想，以及三种对象，三个区等核心概念，但是Git的灵魂功能比如分支策略、远程仓库、日志系统、git hooks等功能都是后面逐步迭代出来的。
问：为什么.dircache/objects/目录下面要以sha1值前一个字节的hex值作为子目录？
答：ext3文件系统下，一个目录下只能有32000个一级子文件，如果都把objects文件存储到一个.git/objects/目录里，很大概率会达到上限。同时要是一个目录下面子文件太多，那文件查找效率会降低很多。
Git 的第一次提交源码，从代码质量、数据结构上看其实并没有多少参考价值，反而我还发现了很多可以优化的地方，比如:
- 异常处理不完善，经常出现段错误（SegmentFault）。
- 存在几处内存泄漏的地方，比如
write-tree.c>main函数>buffer内存块。 - 从索引文件中读取到的变更文件信息使用数组存储，涉及到了比较多的申请释放操作，性能上是有损失的，可以优化成链表存储。
不过这些都不重要，重要的是git的设计原理和思想。
- git 官方网站：https://git-scm.com
- git 官方文档中心：https://git-scm.com/doc
- git官网的Git底层原理介绍：Git Internals - Git Objects
- zlib 官方网站：http://zlib.net
- 浅析Git存储—对象、打包文件及打包文件索引
- 深入理解Git - 一切皆commit
- 深入理解Git - Git底层对象