作为程序员，最常用的版本管理工具便是 Git。但我相信大多数人和我一样，从没有认真了解过其具体实现的原理。但了解 Git 的原理，能有助于我们工作更好的使用 Git。下面，让我们一起来了解 Git 中的一些概念，以及实现。

一、概念

Git 是一个分布式版本控制软件，在使用的过程中，与 CVS 类不同，不需要使用服务端，就可以实现版本控制。但在我们常用的使用过程中，依然会一个中间服务器作为 original 来实现代码的托管、控制 等，整个流程如下图所示：

从图中可以看到，虽然有一个远程仓库 ，但它仅仅是提供托管以及作为权威库存在，所有程序员仓库节点都可以不依赖这个远程仓库独立存在并使用。

在进行开发工作的时候，我们对代码的源文件进行修改，然后通过 commit 命令提交到本地仓库，在通过 push 命令将代码同步到远程仓库中。那图中的 Git 本地仓库 以及 工作区 指的分别是哪些东西呢？

相信熟悉 Git 的同学都知道，我们克隆到本地的项目中，都会有一个 .git 的隐藏文件夹，这个文件夹中的内容就是 Git 本地仓库， 而工作区就是我们看到的其它原代码。所以，对一个 Git 仓库 来说，最重要的便是 .git 文件夹里面的内容了。

二、Git 的工作原理

刚提到，在本地工程中，.git 文件夹为 Git 本地仓库，库目录结构如下：

• hooks： 存储钩子的文件夹，可以注入到 git 生命周期的所有流程
• objects： 存放 git 对象，代码文件、目录等都会转换成对象存储到这个目录下中
• refs： 存储分支以及TAG的指针文件。
• HEAD： 当前工作区执行的代码分支的指针，一般指向 refs 下的某个文件。
• config： 存储当前项目的一些配置，如 remote url、用户信息

在这些目录和文件中，其中最重要的为 objects 文件夹。在 Git 的设计中，所有的核心对象都会往里装。这些对象又分为：

• blob： 而进制大对象，使用 zlib（一种无损压缩算法） 压缩算法对文件内容进行压缩后的结果。
• tree： 对应于文件目录，用于存储文件名列表以及文件类型。
• commit： 对应一个 commit ， 存储信息中包含 顶层源目录的 tree hash值 、时间戳、commit 日志信息、0个或多个父commit hash值

我在本地建了一个项目，添加了几个文件，以及两次提交。在 objects 目录下，存储的文件类容如下：

初看这个会一脸懵，其实很简单，以 objects/78/ace89700a69e490c86f54fbe9d12f0cfb2dbdb 这个文件为例，其中 78ace89700a69e490c86f54fbe9d12f0cfb2dbdb 这一串为这个文件的 Hash 值，计算时使用的是 SHA-1 的算法，其计算结果为 20 个字节组成，通常表示成 40 个 16 进制的形式的字符。对比 Hash 与文件结构可以看出，Git 使用的 Hash 前两个字符作为文件夹名称，后 38 个字符作为文件名，即表示为 hash[0,2]/hash[2:] 格式。在 git 中，也有相应的工具查看 Hash 文件存储的数据类型以及数据内容，可以使用如下命令进行查看：

# 查看文件类型
git cat-file -t 78ace89700a69e490c86f54fbe9d12f0cfb2dbdb
# 查看文件内容
git cat-file -p 78ace89700a69e490c86f54fbe9d12f0cfb2dbdb

下面在来看一下各 Hash 值的计算：

计算 blob 的 Hash

在 Git 中， Blob 的文件中，存储的内容格式如下：

blob <content length><NUL><content>

其中 content length 指的是源文件内容的长度，NUL 为 \0 ，而 content 为源文件的内容。举个例子， 我在一个空仓库中，添加了一个文件 Main.java ，其内容如下：

public class Main {
    public static void main(String [] args) {
        System.out.println("This is Main.java");
    }
}

因此，存储到 objcets 中的文件内容为：

blob 122\0public class Main {
    public static void main(String [] args) {
        System.out.println("This is Main.java");
    }
}

为了更好的验证这个逻辑，我写了一段 Java 记算此 Hash 的测试代码，代码如下：

public static HashData getBlobHash(File file) throws Exception {
    String content = new String(FileUtil.read(file));
    String header = "blob " + content.length() + "\0";
    return getHash(header + content);
}

运行出来的结果正好为 78ace89700a69e490c86f54fbe9d12f0cfb2dbdb ， 与 Git 中记算的结果一致。

计算 tree 的 hash

在存储 Main.java 文件类容中，并没有将文件名存储进去，那 Git 是在哪儿存储的呢？ 对，就是现在要讲的 tree 的结构。 先来看一下，我写的示例中的文件结构：

和 blob 类似， tree 也有对应的内容存储结构:

tree <content length><NUL><file mode> <file name><NUL><file hash>

其中 content length 指的后面<file mode> <file name><NUL><file hash>的长度，NUL 为 \0， file mode 指的是文件类型， 列举其中几种：

• 0100000000000000 (040000): 文件夹
• 1000000110100100 (100644): 常规非执行文件
• 1000000110110100 (100664): 常规不可执行组可写文件
• 1000000111101101 (100755): 常规可执行文件
• 1010000000000000 (120000): 软链文件

file name 指的是文件名称， file hash 为 blob 或者 tree 的 hash 值，使用的是 20 位二进制值，非 40 位的 16 进制字符串。

具体来看上面例子中的信息，我们从最下面的 blob 文件往上看，通过上面的脚本， 可以计算出 Main.java 的 hash 为：78ace89700a69e490c86f54fbe9d12f0cfb2dbdb， new.txt 的 hash 为： fa49b077972391ad58037050f2a75f74e3671e92，因此，针对 example 这一级目录的文件类容如下：

tree 72<NUL>
100644 Main.java<NUL>78ace89700a69e490c86f54fbe9d12f0cfb2dbdb
100644 new.txt<NUL>fa49b077972391ad58037050f2a75f74e3671e92

PS：为了更好的阅读，上面的内容进行了换行处理，实际文件中并没有换行。格式中提到的 file hash 在此处为了便于展示，直接放了对应的 40 位的 16 进制字符串。

得到文件内容后，可以很方便的计算出 hash 为：f6e2e8e5243c07191d0c1f4353448bd57785c39d。也可以用 git 命令去验证：

➜ git cat-file -p f6e2e8e5243c07191d0c1f4353448bd57785c39d
100644 blob 78ace89700a69e490c86f54fbe9d12f0cfb2dbdb	Main.java
100644 blob fa49b077972391ad58037050f2a75f74e3671e92	new.txt
➜ git cat-file -t f6e2e8e5243c07191d0c1f4353448bd57785c39d
tree

当然，计算这个，我也用 Java 实现了一个简单的计算。看一下代码的实现：

File[] allFiles = dir.listFiles();
//按文件名进行字典排序
SortedMap<File, HashData> allHash = new TreeMap<>(Comparator.comparing(File::getName));
for (File file : allFiles) {
    if (file.getName().equals(".git") || file.getName().equals(".DS_Store")) {
        continue;
    }
      // 计算每一个文件的 hash
    allHash.put(file, calcHash(file));
}
// 拼接文件子文件的 hash 
byte[] allContent = new byte[0];
for (Map.Entry<File, HashData> item : allHash.entrySet()) {
    String header = getFileMode(item.getKey()) + " " + item.getKey().getName() + "\0";
    byte[] content = merge(header, item.getValue().originalData);
    byte[] tempContent = merge(allContent, content);
    allContent = tempContent;
}
String header = "tree " + allContent.length + "\0";
byte[] mergedArray = merge(header, allContent);
HashData hash = getHash(mergedArray, "SHA-1");

计算 commit 的 hash

与前面的 tree 和 blob 的相似，按照固定格式进行拼装即可：

commit <content length><NUL>tree <tree hash>
parent <parent hash>
author <username> <email> <timestamp>
committer <username> <email> <timestamp>

<commit message>

需要注意的是，此格式中的 tree hash 与 parent hash 是 40 位的 16 进制值， 换行也是真实的换行。按照上面的格式进行拼装后，使用 SHA-1 可以很方便的计算出 Hash 值。

Git 存储树结构

通过前面 blob 、tree、以及 commit 计算后，通过 commit 作为入口，就可以将所有的文件夹以及文件内容进行关联起来，构建一个树目录结构。还是前面提到的那个例子，一共执行了三次提交：

1. 在创建的 Git 项目中，添加 Main.java 后，并使用 git commit -am "first commit" 进行第一次提交
2. 继续在 com/example 文件夹下，添加 new.txt 文件， 并使用git commit -am "add new file" 进行第二次提交
3. 修改 Main.java 的内容， 并使用 git commit -am "modify Main.java" 进行第三次提交

在本例中， .git/HEAD 中指向的 .git/refs/heads/main 文件，此文件中存储了 commit 的 hash 值， 作为入口，可以将刚的三次提交，构建出一个树结构，如下图所示：

三、Git LFS 二进制大文件处理

从上面的例子中，可以看到，Main.java 经过第一次的创建与后续的修改，创建了两个 blob ，虽然使用了 zlib 进行了压缩，但针对二进制文件文件，压缩率可以说很微小，这就会导致 objects 中存储的 blob 文件大小会快速增长。当我们首次克隆代码时，会把这些二进制的所有版本文件都下载下来，导致下载速度很慢。并且这些历史版本的文件，你可能永远也用不到，但是却不得不下载它。

基于此，Git LFS 应运而生，它通过将大文件替换为一个很小的指针文件，并且在使用中，只会将当前需要使用到的二进制文件下载到本地即可。

安装配置 Git LFS

在 mac 上，我喜欢使用 Homebrew 进行安装，使用如下命令就可以安装好 git-lfs ：

brew install git-lfs

安装好后，就可以对项目进行配置，在不支持 git-lfs 的项目目录下，执行如下命令：

git lfs install

此命令会更新 .git/hooks/ 下的脚本，注入 git 命令的处理流程

可以看到，在 hooks 文件夹中，多了 post-checkout 、post-commit 、pre-push 等脚本，根据这些脚本名称就知道其执行时间点。

下一步便是将我们要跟踪的二进制文件添加到跟踪目录中，使用如下命令：

git lfs track <file-type>
# 例如
# git lfs track "*.db"

执行后，会在项目根目录下创建 .gitattributes 文件，注意，需要将此文件上传到远程库中去。这个文件中的内容格式如下：

*.db filter=lfs diff=lfs merge=lfs -text

Git LFS 指针转移

在这里，我随机生成了一个无序的二进制文件 test.db， 添加到项目中，并且执行 git add . 命令，会将此文件加入进去，从文件目录中可以看到，lfs 目录下新增了一个文件：

而在f2bb0511bd0ce670c75a1ce4d52ecea91bad219b 这个文件中存储的便是 lfs 的文件指针：

version https://git-lfs.github.com/spec/v1
oid sha256:d1ccb0fe6d165aab8c40c6b0aa796bf4f80011c050e168a625d3d2ab46b07306
size 41943040

通过此种方式，进行关联，降低代码库大小。最后，在看看官方图：

写到最后

创建于 2005 年的 Git 中，有很多知识点值得学习，建议有时间同学深入研究。最后，如果文中有错误和遗漏，欢迎与我联系。