Git通讲-第二章（1）：快照和不可变对象模型

前言

上一篇文章主要介绍些Git起源背后的一些故事背景，从这篇开始将逐渐讲解Git的设计理念，包括分布式控制、快照管理、不可变对象模型和分支模型。其实上述概念都不是孤立的，在讲解中会发现它们是相辅相成的有机整体，实现1+1大于2的效果。

接下来预计会按照快照模型与不可变对象模型 、分支模型 、分布式控制 这样的顺序讲解，其用意到后面自会明了。

本人总是从中能看到区块链的影子，之后会引入区块链的相关知识进行补充，也当是拓展了🫠。

快照存储模型

快照模型与传统的版本控制系统（如SVN等）不同。传统系统通常基于文件的差异（diff）来管理版本，而Git则使用快照（snapshot）的方式来记录项目的每个版本。

快照模型的主要特点：

1. 快照而非差异 ：
   • Git会在每次提交时保存项目的当前状态，称为"快照"。这意味着每次提交都是整个项目的完整状态，而不是仅保存变化部分。
2. 只保存变更 ：
   • 虽然每个提交实际上是一个完整的快照，但Git为了节省空间，内部实现上只存储更改过的文件的内容，而未改变的文件只保存一次。这使得Git非常高效。
3. 对象存储 ：
   • Git将文件和目录的快照存储为对象，每个对象都有一个唯一的SHA-1哈希值。这种方式不仅提供了数据的完整性，还能有效管理版本。
4. 树（Tree）和Blob ：
   • 在Git中，目录结构被称为"树"（tree），每个文件被称为"Blob"（binary large object）。每次提交都会创建一个新的树对象，指向当前提交的文件状态。
5. 提交（Commit）对象 ：
   • 每次提交不仅包含快照，还包含提交信息、作者信息、时间戳和指向父提交的指针。这使得Git可以轻松地追踪历史和分支。
6. 高效的分支管理 ：
   • 因为每个提交都是一个独立的快照，创建分支实际上只需要创建一个新的指针，指向当前的提交。这使得分支操作非常轻量级，极大地方便了开发过程中的实验和合并。

不可变对象模型

其实这就是上述在快照模型中提到Git对象数据库的具体展开，主要就是三大对象类型结合SHA-1来保证数据的不可变性。

Git的内部数据结构依赖于 [[加密哈希函数|SHA-1]]，为每个对象（如文件和提交）生成唯一标识。这种设计确保了数据的不可变性：

• 数据完整性：每个对象的内容会被哈希处理，任何对内容的修改都会导致哈希值的变化，从而提示开发者数据已被更改。
• 一致性：由于对象的内容与其哈希值紧密关联，Git能够保证版本库的一致性，防止数据丢失或损坏。这种机制使得任何用户都可以安全地信任本地的Git仓库。

Git中的哈希值通过对对象内容和元数据进行特定格式的组合，然后应用SHA-1哈希函数生成。这个过程确保了每个对象都有唯一的标识符，同时也保证了数据的完整性和安全性。我们先来看下它们的具体的步骤和原理：

三大对象

1. 对象类型

Git中的对象主要有三种类型：

• Blob：表示文件内容。
• Tree：表示目录，可以包含指向其他blob或tree对象的指针。
• Commit：表示一次提交，包含指向tree对象的指针、作者信息、提交信息等。

提交对象（commit）

提交对象是每次提交时生成的一个对象，记录了：

• 提交元数据：如提交信息、作者、时间戳等。
• 父提交：上一个提交的引用（一个提交可以有多个父提交，用于表示合并）。
• 树对象的引用 ：提交对象会指向一个根树对象，代表当时项目的整体文件系统快照。
  提交对象是 Git 的历史记录，通过它可以追踪项目的每个版本、作者、提交时间等信息。

树对象（tree）

树对象表示文件系统的目录结构。它：

• 包含多个引用：每个引用要么指向一个文件对象（blob），要么指向另一个子目录的树对象。
• 记录文件名和路径 ：树对象会保存项目中所有文件和子目录的结构信息，包括文件的名字、类型（文件或目录），以及它们在仓库中的位置。
  树对象可以嵌套，类似文件系统中的目录结构，一个树对象可以包含其他树对象（子目录），也可以包含文件对象（表示具体的文件内容）。

文件对象（Blob）

Blob（Binary Large Object）对象保存了实际的文件内容，Blob 对象本身不包含文件名或路径等元数据。它：

• 存储文件内容：无论是文本文件还是二进制文件，Blob 对象只存储文件的内容本身。
• 与文件名、路径无关：文件名和路径信息都在树对象中管理，因此相同内容的文件在不同的目录或提交中，只需要存储一份 Blob 对象。

关系总结：如何构成一个提交

• 提交对象（commit） 是顶层对象，指向一个 树对象（tree），代表当时项目的目录结构。
• 树对象（tree） 维护着目录和文件的结构，并通过引用指向文件对象或子目录（另一个树对象）。
• 文件对象（Blob） 存储文件的实际内容，树对象通过引用连接到 Blob 对象。
  因此，Git 通过提交对象、树对象和Blob对象的层层指向，构成了完整的项目快照。例如，每次提交时：

1. Git 会生成一个 提交对象 ，指向项目当前的根 树对象。
2. 树对象 代表整个项目的目录结构，并指向多个文件对象（Blob）或子目录的树对象。
3. Blob 对象 保存文件内容。
   这三者相互关联，形成了完整的项目历史和快照。

图示：对象关系

提交对象（commit）
    |
    └── 树对象（tree）
           ├── Blob 对象（文件1内容）
           ├── Blob 对象（文件2内容）
           └── 子树对象（子目录）
                   ├── Blob 对象（子目录中的文件1内容）
                   └── Blob 对象（子目录中的文件2内容）

通过这种分层结构，Git 能够快速检索项目的历史版本，并且因为Blob对象可以被多个树对象引用，所以相同的文件内容在不同的提交中只需要存储一次，大大提高了存储效率。

可以通过 git cat-file -p 命令查看这些对象的关系和详细内容，比如查看提交、树对象和Blob对象的内容：

git cat-file -p <commit-hash>
git cat-file -p <tree-hash>
git cat-file -p <blob-hash>

可以通过 git cat-file -t 命令查看这些对象的实际类型

git cat-file -t <commit-hash>
git cat-file -t <tree-hash>
git cat-file -t <blob-hash>

2. 计算哈希值的步骤

在让我们对于每种对象，Git都是如何生成一个唯一的哈希值。计算哈希值的步骤如下：

Blob（文件内容）

1. 准备数据：首先，Git会将文件内容与其类型信息和长度信息组合在一起，形成一个字符串。格式如下：

	blob <size>\0<content>

- `<size>`是文件的字节数。
- `\0`是一个空字符，用于分隔大小和内容。
- `<content>`是文件的实际内容。

2. 计算哈希：将上述字符串传递给SHA-1哈希函数，生成一个40字符的十六进制哈希值。

Tree（目录）

1. 准备数据：一个tree对象由多个条目组成，每个条目包含文件模式、文件名和指向blob或子tree对象的SHA-1哈希值。格式如下：

	tree <size>\0<entries>

- `<size>`是tree中条目的数量。
- `<entries>`是所有条目的组合，每个条目都是类似于`<mode> <filename>\0<sha1>`的格式。

2. 计算哈希：同样，将字符串传递给SHA-1哈希函数。

Commit（提交）

1. 准备数据：一个commit对象包含指向tree对象的指针、作者信息、提交时间和提交信息。格式如下：

commit <size>\0<tree>\n<parent>\n<author>\n<committer>\n<timestamp>\n<message>

- `<size>`是commit对象的字节数。
- `<tree>`是指向tree对象的SHA-1。
- `<parent>`（如果存在）指向父提交的SHA-1。
- `<author>`和`<committer>`包含提交者的信息。
- `<timestamp>`是提交时间。
- `<message>`是提交信息。

2. 计算哈希：将上述字符串传递给SHA-1哈希函数，生成该提交对象的哈希值。

3. 哈希值的存储

Git会将计算出来的哈希值作为对象的唯一标识符，存储在.git/objects目录中。每个对象的内容及其哈希值被保存在文件系统中，以便后续快速检索和验证。

SHA-1算法

看了这么多一定对SHA到底什么感到困惑吧，其实没什么高深的，Git就是根据相应对象的具体内容（本质是二进制）算出一个 40 字符的 16 进制字符串，这个字符串就被称为 "散列值" 或 "哈希值"。

Git 使用 SHA-1（Secure Hash Algorithm 1）作为其核心机制来唯一标识每个提交、文件对象和目录树。

哈希值具有以下特性：

• 不可逆性：从哈希值无法反推原始数据。
• 抗碰撞性：很难找到两个不同的输入产生相同的哈希值。
• 小改动大变化 ：输入数据的微小变化会导致哈希值的巨大变化。
  Git利用这个特性实现如下它的几个关键作用：

1. 唯一标识对象：Git 中的每个文件、每次提交、以及每个目录树的状态都会生成一个 SHA-1 哈希值。Git 通过这个哈希值来区分每个提交，确保同样的文件内容和文件结构不会生成重复的 ID。

2. 内容完整性校验 ：SHA-1 的不可逆特性 使得它非常适合检测文件是否被篡改。Git 在传输和存储文件时使用 SHA-1 来校验数据的完整性，如果一个文件的内容被改动，它的哈希值也会发生变化，这样可以有效防止数据损坏。

3. 分布式优势 ：SHA-1 哈希值在 Git 中有一个不可忽视的好处：因为哈希值是根据内容生成的，不同的开发者对同样的内容会产生相同的哈希值，这使得 Git 的分布式模型更加高效。

4. 不可逆性和冲突：虽然 SHA-1 理论上会有哈希冲突的可能，但在实际开发中，这种冲突几乎不可能影响到项目的正常运作。SHA-1 的设计保证了它的安全性和性能。

我之前了解过一些区块链的知识，就感觉似曾相识。Git是使用SHA-1而区块链使用的SHA-256，但SHA-256和SHA-1都是加密哈希函数，可以简单的理解为SHA-1是简单版而SHA-256是plus版。因为比特币算是金融领域，需要更高的安全性，区块链算是把hash玩出了花，相较Git有更复杂的数据结构和运算方法。

Git诞生于2005年，是由Linus Torvalds开发的一种分布式版本控制系统，设计之初主要是为了解决Linux内核开发的版本管理需求。它的核心理念是去中心化的分布式存储：每个人可以有一个完整的项目历史副本，且各副本通过哈希值（SHA-1）确保每次变更的唯一性和完整性。

区块链则是在2008年中本聪提出的比特币白皮书中被首次介绍的技术，它建立在许多类似Git的去中心化和不可篡改的核心理念上。

后记

这篇文章大致讲解了git中的两个主要模型快照存储模型 和不可变对象模型 ，略微引出了下哈希，而这两个模型理念的集中应用就是在 .git/objects 目录，下一篇文章会围绕其展开。

也是写爽了，发现Git这个坑是越挖越大，越挖越深😓😓😓，或许能出本书呢。