Git基本原理介绍

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简单地说，Git 究竟是怎样的一个系统呢？请注意接下来的内容非常重要，若你理解了 Git 的思想和基本工作原理，用起来就会知其所以然，游刃有余。

在学习 Git 时，请尽量理清你对其它版本管理系统已有的认识，如 CVS、Subversion 或 Perforce， 这样能帮助你使用工具时避免发生混淆。

尽管 Git 用起来与其它的版本控制系统非常相似， 但它在对信息的存储和认知方式上却有很大差异，理解这些差异将有助于避免使用中的困惑。

# 左边执行
$ mkdir git-demo
$ cd git-demo && git init
$ rm -rf .git/hooks/*.sample

# 右边执行
$ watch -n 1 -d find .

我们这里可以一起看下生成的 .git 目录的结构如何：

➜ tree .git
.git
├── HEAD
├── config
├── description
├── hooks
├── info
│   └── exclude
├── objects
│   ├── info
│   └── pack
└── refs
    ├── heads
    └── tags

➜ cat .git/config
[core]
    repositoryformatversion = 0
    filemode = true
    bare = false
    logallrefupdates = true
    ignorecase = true
    precomposeunicode = true

[user]
    name = demo
    email = demo@demo.com

# 均无内容
➜ ll .git/objects
total 0
drwxr-xr-x  2 escape  staff    64B Nov 23 20:39 info
drwxr-xr-x  2 escape  staff    64B Nov 23 20:39 pack

➜ ll .git/objects/info
➜ ll .git/objects/pack

➜ cat ./.git/info/exclude
# git ls-files --others --exclude-from=.git/info/exclude
# Lines that start with '#' are comments.
# For a project mostly in C, the following would be a good set of
# exclude patterns (uncomment them if you want to use them):
# *.[oa]
# *~

./.git/hooks/commit-msg.sample
./.git/hooks/pre-rebase.sample
./.git/hooks/pre-commit.sample
./.git/hooks/applypatch-msg.sample
./.git/hooks/fsmonitor-watchman.sample
./.git/hooks/pre-receive.sample
./.git/hooks/prepare-commit-msg.sample
./.git/hooks/post-update.sample
./.git/hooks/pre-merge-commit.sample
./.git/hooks/pre-applypatch.sample
./.git/hooks/pre-push.sample
./.git/hooks/update.sample

➜ cat .git/HEAD
ref: refs/heads/master

# 均无内容
➜ ll .git/refs
total 0
drwxr-xr-x  2 escape  staff    64B Nov 23 20:39 heads
drwxr-xr-x  2 escape  staff    64B Nov 23 20:39 tags

➜ ll .git/refs/heads
➜ ll .git/refs/tags

➜ cat .git/description
Unnamed repository; edit this file 'description' to name the repository.

# 左边执行
$ echo "hello git" > helle.txt
$ git status
$ git add hello.txt

# 右边执行
$ watch -n 1 -d find .

我们这里重点看下，生成的 8d 这个目录以及下面的文件。而其名称的由来是因为 Git 对其进行了一个叫做 SHA1 的 Hash 算法，用于将文件内容或者字符串变成这么一串加密的字符。

# 查看 objects 的文件类型
$ git cat-file -t 8d0e41
blob

# 查看 objects 的文件内容
$ git cat-file -p 8d0e41
hello git

# 查看 objects 的文件大小
$ git cat-file -s 8d0e41
10

# 拼装起来
blob 10\0hello git

# 左边执行
$ echo "hello git" > tmp.txt
$ git add tmp.txt

# 右边执行
$ watch -n 1 -d find .

➜ echo "hello git" | shasum
d6a96ae3b442218a91512b9e1c57b9578b487a0b  -

➜ ls -lh hello.txt
-rw-r--r--  1 escape  staff    10B Nov 23 21:12 hello.txt

➜ echo "blob 10\0hello git" | shasum
8d0e41234f24b6da002d962a26c2495ea16a425f  -

# 拼装起来
blob 10\0hello git

➜ cat .git/objects/8d/0e41234f24b6da002d962a26c2495ea16a425f
xKOR04`HWH,6A%

➜ ls -lh .git/objects/8d/0e41234f24b6da002d962a26c2495ea16a425f
-r--r--r--  1 escape  staff    26B Nov 23 21:36 .git/objects/8d/0e41234f24b6da002d962a26c2495ea16a425f

➜ file .git/objects/8d/0e41234f24b6da002d962a26c2495ea16a425f
.git/objects/8d/0e41234f24b6da002d962a26c2495ea16a425f: VAX COFF executable not stripped - version 16694

import zlib

contents = open('0e41234f24b6da002d962a26c2495ea16a425f', 'rb').read()
zlib.decompress(contents)

聊聊工作区和暂存区，以及文件如何在工作区和缓存区之间同步的问题。

之前的章节我们也聊到了，当我们执行 git status 命令的时候，Git 工具怎么知道我们有一个文件没有追踪，以及文件名的信息都存储到哪里去了？

这一切的答案，都要从工作区和索引区讲起。Git 根据其存储的状态不同，将对应状态的“空间”分为工作区、暂存区（也可称为索引区）和版本区三类。具体示例，可以参考下图。

而更加深层次的理解，就要从执行 git add 命令后生成相关的 object 对象，但是其存储的是文件的类容、大小和内容，并不包含文件名称的信息。而文件名称相关的信息就包含在生成的 index 文件（索引文件）里面。

当我们直接查看 index 文件里面的内容，发现使我们无法理解的乱码，但是通过基本的输出，我们可以看到其文件名称。要想查看 index 文件的内容，可以通过 Git 提供的相关命令进行查看。

# 左边执行
$ echo "file1" > file1.txt
$ git add file1.txt
$ cat .git/index

$ git ls-files     # 列出当前暂存区的文件列表信息
$ git ls-files -s  # 列出当前暂存区文件的详细信息

# 右边执行
$ watch -n 1 -d tree .git

# 左边执行
$ git status
$ echo "file2" > file2.txt
$ git ls-files -s
$ git status
$ git add file2.txt
$ git ls-files -s
$ git status

# 右边执行
$ watch -n 1 -d tree .git

如果我们这里去修改一个文件的话，很显然这个时候我们的工作区和暂存区又不一致了。当我们使用命令去查看文件状态的时候，发现一个文件被修改了，而 Git 是怎么知道的呢？咳咳，就是通过查找 index 文件的内容，找到对应文件名称以及其内部引用的 object 对象，与工作区的文件内容进行对比而来的。

# 左边执行
$ git ls-files -s
$ echo "file.txt" > file1.txt
$ git status

# 右边执行
$ watch -n 1 -d tree .git

# 左边执行
$ git ls-files -s
$ git add file1.txt
$ git ls-files -s

# 右边执行
$ watch -n 1 -d tree .git

执行完成了 git commit 命令，究竟做了什么呢？

Git 仓库中的提交记录保存的是你的目录下所有文件的快照，就像是把整个目录复制，然后再粘贴一样，但比复制粘贴优雅许多！Git 希望提交记录尽可能地轻量，因此在你每次进行提交时，它并不会盲目地复制整个目录。条件允许的情况下，它会将当前版本与仓库中的上一个版本进行对比，并把所有的差异打包到一起作为一个提交记录。Git 还保存了提交的历史记录。这也是为什么大多数提交记录的上面都有父节点的原因。

当我们使用 add 命令将工作区提交到暂存区，而暂存区其实保存的是当前文件的一个状态，其中包括有哪些目录和文件，以及其对应的大小和内容等信息。但是我们最终是需要将其提交到代码仓库（本地）的，而其命令就是 git commit 了。

而当我们执行 git commit 命令的时候，究竟都发生了什么呢？可以看到当提交之后，.git 目录中生成了两个信息的 object 对象，其中 logs 和 refs 目录都有新的文件生成。通过如下操作，我们可以查看到其提交的类型和对应内容。

# 左边执行
$ git commit -m "1st commit"

$ git cat-file -t 6e4a700  # 查看 commit 对象的类型
$ git cat-file -p 6e4a700  # 查看 commit 对象的内容

$ git cat-file -t 64d6ef5  # 查看 tree 对象的类型
$ git cat-file -p 64d6ef5  # 查看 tree 对象的内容

# 右边执行
$ watch -n 1 -d tree .git

这样我们就理解了，当我们执行 git commit 命令之后，会生成一个 commit 对象和一个 tree 对象。commit 对象内容里面包含了一个 tree 对象和相关提交信息，而 tree 对象里面则包含了这次我们提交版本里面的文件状态（文件名称和 blob 对象），这样我们就知道了这次提交的变动了。

我们这次提交之后，处理 objects 目录发生变动之外，还有一些其他的变化。比如 logs 和 refs 的目录有所变化。我们查看 refs 目录里面的内容，发现其指向了 6e4a70 这个 commit 对象，即当前 master 分支上面最新的提交就是这个 6e4a70 了。

而这个 6e4a70 这个 commit 对象，有一个 HEAD 的指向，就是 .git 目录下的 HEAD 文件。其实质就是一个指针，其永远指向我们当前工作的分支，即这里我们工作在 master 分支上。当我们切换分支的时候，这个文件的指向也会随机改变的。

# 左边执行
$ cat .git/refs/heads/master
$ cat .git/HEAD

# 右边执行
$ watch -n 1 -d tree .git

# 左边执行
$ echo "file2.txt" > file2.txt
$ git status
$ git add file2.txt
$ git ls-files -s
$ git cat-file -p 0ac9638
$ git commit -m "2nd commit"
$ git cat-file -p bab53ff
$ git cat-file -p 2f07720

# 右边执行
$ watch -n 1 -d tree .git

在 Git 中空文件夹是不算在追踪范围内的，而且添加文件夹并不会增加 object 对象。当我们查看 index 内容的时候，会发现文件名称是包含相对路径的。

而当我们通过 commit 命令提交之后，会发现生成了三个 object 对象，因为 commit 操作不会生成 blob 对象，所以分别是一个 commit 对象和两个 tree 对象。可以发现，tree 对象里面有包含了一个目录的 tree，其里面包含对象文件内容。

下图所示的文件状态，可以体会到 Git 中版本的概念。即 commit 对象指向一个该版本中的文件目录树的根（tree），然后 tree 在指向 blob 对象（文件）和 tree 对象（目录），这样就可以无限的往复下去形成一个完整的版本。

# 左边执行
$ mkdir floder1
$ echo "file3" > floder1/file3.txt
$ git add floder1
$ git ls-files -s
$ git commit -m "3rd commit"
$ git cat-file -p 1711e01
$ git cat-file -p 9ab67f8

# 右边执行
$ watch -n 1 -d tree .git

总结一下，Git 里面的文件状态和如何切换。

现在，我们已经基本理解了文件如何在工作区、暂存区以及代码仓库之间进行状态的跟踪和同步。在 Git 的操作中，文件的可能状态有哪些，以及如何进行状态切换的，我们这里一起总结一下！

执行完成了 git branch 命令，究竟做了什么呢？

到底什么是分支？分支切换又是怎么一回事？我们通过查看 Git 的官方文档，就可以得到，分支就是一个有名字的（master/dev）指向 commit 对象的一个指针。

我们在初始化仓库的时候，提供会默认给我们分配一个叫做 master 的分支（在最新的版本默认仓库已经变更为 main 了），而 master 分支就是指向最新的一次提交。为什么需要给分支起名字呢？就是为了方便我们使用和记忆，可以简单理解为 alias 命令的意义一致。

有了上述基础，我们就需要考虑下，分支到底是如何实现和工作的。要实现一个分支，我们最基本需要解决两个问题，第一个就是需要存储每一个分支指向的 commit，第二个问题就是在切换分支的时候帮助我们标识当前分支。

在 Git 中，它有一个非常特殊的 HEAD 文件。而 HEAD 文件是一个指针，其有一个特性就是总会指向当前分支的最新的一个 commit 对象。而这个 HEAD 文件正好，解决了我们上面提出的两个问题。

当我们从 master 切换分支到 dev 的时候，HEAD 文件也会随即切换，即指向 dev 这个指针。设计就是这么美丽，不愧是鬼才，好脑袋。

# 左边执行
$ cat .git/HEAD
$ cat .git/refs/heads/master
$ git cat-file -t 1711e01

# 右边执行
$ glo = git log

# 左边执行
$ git branch
$ git branch dev
$ ll .git/refs/heads
$ cat .git/refs/heads/master
$ cat .git/refs/heads/dev
$ cat .git/HEAD
$ git checkout dev
$ cat .git/HEAD

# 右边执行
$ glo = git log

这里需要注意的是，即使我们删除了分支，但是该分支上一些特有的对象并不会被删除的。这些对象其实就是我们俗称的垃圾对象，还有我们多次使用 add 命令所产生的也有垃圾对象，而这些垃圾对象怎么清除和回收呢？后续，我们会涉及到的。

# 左边执行
$ echo "dev" > dev.txt
$ git add dev.txt
$ git commit -m "1st commit from dev branch"
$ git checkout master
$ git branch -d dev
$ git branch -D dev
$ git cat-file -t 861832c
$ git cat-file -p 861832c
$ git cat-file -p 680f6e9
$ git cat-file -p 38f8e88

# 右边执行
$ glo = git log

我们一起聊一聊，checkout 和 commit 的操作！

我们执行 checkout 命令的时候，其不光可以切换分支，而且可以切换到指定的 commit 上面，即 HEAD 文件会指向某个 commit 对象。在 Git 里面，将 HEAD 文件没有指向 master 的这个现象称之为 detached HEAD。

这里不管 HEAD 文件指向的是分支名称也好，是 commit 对象也罢，其实本质都是一样的，因为分支名称也是指向某个 commit 对象的。

# 左边执行
$ git checkout 6e4a700
$ git log

# 右边执行
$ glo = git log

$ git checkout -b tmp
$ git log

# 左边执行
$ git reflog
$ git checkout 9fb7a14
$ git checkout -b dev

# 右边执行
$ glo = git log

$ echo "hello" > file1.txt
$ git diff
$ git cat-file -p 42d9955
$ git cat-file -p ce01362

# 下述命令原理也是一样的
$ git diff --cached
$ git diff HEAD

$ git init
$ git add README.md
$ git commit -m "first commit"

# 关联远程仓库
$ git remote add origin git@github.com:escapelife/git-demo.git

➜ cat .git/config
[core]
    repositoryformatversion = 0
    filemode = true
    bare = false
    logallrefupdates = true
    ignorecase = true
    precomposeunicode = true

[remote "origin"]
    url = git@github.com:escapelife/git-demo.git
    fetch = +refs/heads/*:refs/remotes/origin/*

# 推送本地分支
$ git push -u origin master

➜ tree .git
├── logs
│   ├── HEAD
│   └── refs
│       ├── heads
│       │   ├── dev
│       │   ├── master
│       │   └── tmp
│       └── remotes     # 新增目录
│           └── origin  # 新增目录
│               └── master  # 新增文件
└── refs
    ├── heads
    │   ├── dev
    │   ├── master
    │   └── tmp
    ├── remotes     # 新增目录
    │   └── origin  # 新增目录
    │       └── master  # 新增文件
    └── tags