Git版本管理基本原理

上文已经研究分析了SVN增量式版本管理的基本原理,今天再进一步研究分析下Git快照式存储的基本原理:

一、快照存储基本原理

Git 的快照式数据存储模型是其高效、可靠的核心所在。这个模型与传统的差异存储模型(如 SVN)有显著不同。以下是对 Git 快照式数据存储模型的详细解释:

基本概念

  1. 提交(Commit):
    • 每次提交在 Git 中都是一个独立的快照,记录了项目当前状态。
    • 提交对象(commit object)包含提交信息(如提交者、时间、提交消息)以及一个指向树对象(tree object)的指针。
  2. 树(Tree):
    • 树对象记录了一个目录的结构,包括文件名、文件类型和指向 blob 对象或子树对象的指针。
    • 树对象可以看作是目录的快照。
  3. Blob:
    • Blob(Binary Large Object)对象用于存储文件的内容,是 Git 中数据存储的基本单位。
    • Blob 对象只存储文件的内容,不包含文件名和权限信息。

快照存储模型

Git 的快照存储模型可以通过以下步骤和示例来理解:

提交快照的创建

  1. 初始提交:
    • 当你第一次提交代码时,Git 会为每个文件创建一个 blob 对象,记录文件的内容。
    • Git 还会为包含文件的目录创建树对象,树对象指向这些 blob 对象。
    • 最后,Git 创建一个提交对象,指向根目录的树对象。

    例如,假设项目初始状态有以下文件结构:

     project/
     ├── file1.txt
     └── dir/
         └── file2.txt
    

    Git 创建的对象结构如下:

     Commit (commit hash)
     └── Tree (root tree)
         ├── Blob (file1.txt content)
         └── Tree (dir)
             └── Blob (file2.txt content)
    
  2. 后续提交:
    • 当你修改文件并进行新的提交时,Git 只为修改的文件创建新的 blob 对象,未修改的文件复用之前的 blob 对象。
    • Git 创建新的树对象,指向新的和复用的 blob 对象,并创建新的提交对象,指向新的树对象。

    例如,假设你修改了 file1.txt 并进行新的提交:

     Commit (new commit hash)
     └── Tree (new root tree)
         ├── Blob (new file1.txt content)
         └── Tree (dir)
             └── Blob (file2.txt content, unchanged)
    

数据存储和复用

Git 的快照模型通过复用未修改的对象和高效的压缩机制,实现了高效的数据存储:

  1. 对象唯一性:
    • Git 中的每个对象(提交、树、blob)都有一个唯一的 SHA-1 哈希值,确保内容的唯一性和完整性。
    • 不同提交间未修改的文件内容会复用相同的 blob 对象,避免重复存储。
  2. 高效压缩:
    • Git 使用了 zlib 压缩算法来压缩对象数据,减少存储空间。
    • Git 还使用了 pack 文件将多个对象打包在一起,进一步优化存储和传输效率。

快照存储模型的优势

  1. 高效性:
    • 快照模型通过复用未修改的对象和压缩机制,使得 Git 的存储和传输效率非常高。
    • 提交、切换分支等操作非常快速,因为只需移动指针或创建新的快照。
  2. 完整性和安全性:
    • 每个对象都有唯一的 SHA-1 哈希值,确保内容的完整性和防止篡改。
    • Git 的数据存储模型使得每个提交都是独立的快照,可以确保数据的完整性和可追溯性。
  3. 灵活性:
    • Git 的快照模型支持轻量级分支和高效的合并操作,使得分支管理更加灵活和高效。
    • 开发者可以轻松创建和删除分支,不会对性能产生明显影响。

快照存储模型的工作示例

以下是一个简单的工作示例:

  1. 初始提交:

     git init
     echo "Hello World" > file1.txt
     echo "Hello Git" > dir/file2.txt
     git add .
     git commit -m "Initial commit"
    

    生成的对象结构:

     Commit (hash1)
     └── Tree (hash2)
         ├── Blob (hash3: "Hello World")
         └── Tree (hash4)
             └── Blob (hash5: "Hello Git")
    
  2. 修改并提交:

     echo "Hello World v2" > file1.txt
     git add file1.txt
     git commit -m "Update file1.txt"
    

    新的对象结构:

     Commit (hash6)
     └── Tree (hash7)
         ├── Blob (hash8: "Hello World v2")
         └── Tree (hash4)  # 复用之前的 Tree 和 Blob
             └── Blob (hash5: "Hello Git")
    

通过这种快照存储模型,Git 可以高效地管理项目的版本历史,并提供快速的分支和合并操作,极大地提高了开发效率和灵活性。

在此基础上,为了节约存储空间,提升数据传输效率,Git在快照存储的基础上,Git内部还提供了压缩和增量存储的机制,简介如下:

二、Git内部压缩、增量存储基本原理

Git确实有针对文件内容的增量存储机制,特别是在其压缩和打包(pack)阶段。虽然每次提交记录的是整个文件的快照,但为了优化存储空间,Git 在内部使用了 delta 压缩技术。下面详细解释 Git 的增量存储原理。

Delta 压缩(增量存储)原理

Git 在初次提交时,会为每个文件创建一个 Blob 对象,存储该文件的完整内容。然而,为了减少存储空间和提高效率,Git 会在后台使用 delta 压缩技术,将相似文件内容存储为增量。

Pack 文件

Pack 文件是 Git 用来优化存储和传输的主要机制。Pack 文件中包含了多种对象(Blob、Tree、Commit)的压缩版本。对于相似的文件版本,Git 使用 delta 压缩技术存储它们之间的差异,而不是完整内容。

工作原理

  1. 初始提交:
    • Git 为每个文件创建 Blob 对象,并存储文件的完整内容。
    • 每个 Blob 对象都有一个唯一的 SHA-1 哈希值。
  2. 后续修改:
    • 当文件内容修改后,Git 为修改后的文件创建新的 Blob 对象。
    • Git 定期运行 git gc(垃圾回收)命令,将松散的对象打包成 Pack 文件。
  3. Delta 压缩:
    • 在创建 Pack 文件时,Git 使用 delta 压缩算法,计算相似文件版本之间的差异。
    • 这些差异(delta)以增量的形式存储在 Pack 文件中。

示例

假设我们有一个文件 file.txt,内容如下:

初始提交
file.txt:
line 1: Hello World
line 2: This is a test.
line 3: Another line.

初始提交时,Git 创建 Blob 对象存储文件的完整内容:

Blob (hash1) -> content: "line 1: Hello World\nline 2: This is a test.\nline 3: Another line."
第一次修改
file.txt:
line 1: Hello World
line 2: This is a modified test.
line 3: Another line.

修改并提交后,Git 创建新的 Blob 对象:

Blob (hash2) -> content: "line 1: Hello World\nline 2: This is a modified test.\nline 3: Another line."
第二次修改
file.txt:
line 1: Hello World
line 2: This is a modified test.
line 3: Yet another modified line.

再次修改并提交后,Git 创建新的 Blob 对象:

Blob (hash3) -> content: "line 1: Hello World\nline 2: This is a modified test.\nline 3: Yet another modified line."
运行垃圾回收并创建 Pack 文件

当 Git 运行 git gc 时,它会将这些 Blob 对象打包成一个 Pack 文件,并使用 delta 压缩算法存储相似版本之间的差异:

Pack file:
- Delta (hash1 -> hash2): "diff: line 2: modified"
- Delta (hash2 -> hash3): "diff: line 3: modified"

恢复过程

当需要恢复某个版本时,Git 会从 Pack 文件中读取基础版本,然后应用 delta 压缩存储的差异,重建文件的完整内容。

总结

Git 的增量存储通过以下步骤实现:

  1. Blob 对象:初次提交时为每个文件创建 Blob 对象,存储文件的完整内容。
  2. Pack 文件:通过 git gc 将松散对象打包成 Pack 文件。
  3. Delta 压缩:在 Pack 文件中使用 delta 压缩算法存储相似文件版本之间的差异。 因此,Git 的增量存储机制在于其 Pack 文件的创建和 delta 压缩技术,通过存储文件版本之间的差异来优化存储空间,同时保证了版本恢复的高效性。
Thanks a lot.