背景

Linux 作為最大也是最成功的開(kāi)源項(xiàng)目，吸引了全球程序員的貢獻(xiàn)，到目前為止，共有兩萬(wàn)多名開(kāi)發(fā)者給 Linux Kernel 提交過(guò)代碼。令人驚訝的是，在項(xiàng)目的前十年(1991 ~ 2002)中，Linus 作為項(xiàng)目管理員并沒(méi)有借助任何配置管理工具，而是以手工方式通過(guò) patch 來(lái)合并大家提交的代碼。倒不是說(shuō) Linus 喜歡手工處理，而是因?yàn)樗麑?duì)于軟件配置管理工具(SCM)非常挑剔，無(wú)論是商用的 clearcase 還是開(kāi)源的 cvs、svn 等都不能入他的法眼。在他看來(lái)，一個(gè)能夠滿(mǎn)足 Linux 內(nèi)核項(xiàng)目開(kāi)發(fā)使用的版本控制系統(tǒng)需要滿(mǎn)足幾個(gè)條件：1) 快 2)支持多分支場(chǎng)景（幾千個(gè)分支并行開(kāi)發(fā)場(chǎng)景） 3) 分布式 4) 能夠支持大型項(xiàng)目。直到2002年，Linus 終于找到了一款基本滿(mǎn)足他要求的工具——BitKeeper, 而 BitKeeper 是商業(yè)工具，他們?cè)敢饨o Linux 社區(qū)免費(fèi)使用，但是需要保證遵守不得進(jìn)行反編譯等條款。BitKeeper 提供的默認(rèn)接口顯然不能滿(mǎn)足社區(qū)用戶(hù)的全部需要，一位社區(qū)開(kāi)發(fā)者反編譯 BitKeeper 并利用了未公開(kāi)接口，這讓 BitKeeper 公司撤回了免費(fèi)使用的 License。不得已，Linus 利用假期十天時(shí)間，實(shí)現(xiàn)一款 DVCS —— Git，并推送給社區(qū)開(kāi)發(fā)者們使用。

設(shè)計(jì)

Git 已經(jīng)成為全球軟件開(kāi)發(fā)者的標(biāo)配，關(guān)于 Git 的介紹和用法不需多說(shuō)，我今天想要談?wù)?Git 的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。不過(guò)在看本文之前，我先給大家提一個(gè)問(wèn)題：如果是你來(lái)設(shè)計(jì) git（或者重新設(shè)計(jì) git），你打算怎么設(shè)計(jì)？第一個(gè)版本發(fā)布準(zhǔn)備實(shí)現(xiàn)哪些功能？看完本文，再對(duì)照自己的想法做個(gè)比較。歡迎留言討論。

學(xué)習(xí) Git 的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，最好的辦法是看 Linus 最初的代碼提交，checkout 出 git 項(xiàng)目的第一次提交節(jié)點(diǎn)，可以看到代碼庫(kù)中只有幾個(gè)文件：一個(gè) README，一個(gè)構(gòu)建腳本Makefile，剩下幾個(gè) C 源文件。這次 commit 的備注寫(xiě)的也非常特別：Initial revision of "git", the information manager from hell.

commite83c5163316f89bfbde7d9ab23ca2e25604af290 Author:LinusTorvalds Date:ThuApr715132005-0700 Initialrevisionof"git",theinformationmanagerfromhell

在 README 中，Linus 詳細(xì)描述了 Git 的設(shè)計(jì)思路?？此茝?fù)雜的 Git 工作，在 Linus 的設(shè)計(jì)里，只有兩種對(duì)象抽象：1) 對(duì)象數(shù)據(jù)庫(kù)("object database")；2) 當(dāng)前目錄緩存("current directory cache")。

Git 的本質(zhì)就是一系列的文件對(duì)象集合，代碼文件是對(duì)象、文件目錄樹(shù)是對(duì)象、commit 也是對(duì)象。這些文件對(duì)象的名稱(chēng)即內(nèi)容的 SHA1 值，SHA1 哈希算法的值為40位。Linus 將前二位作為文件夾、后38位作為文件名。大家可以在 .git 目錄里的 objects 里看到有很多兩位字母/數(shù)字名稱(chēng)的目錄，里面存儲(chǔ)了很多38位hash值名稱(chēng)的文件，這就是 Git 的所有信息。Linus 在設(shè)計(jì)對(duì)象的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時(shí)按照 <標(biāo)簽ascii碼表示>(blob/tree/commit) + <空格> + <長(zhǎng)度ascii碼表示> + <> + <二進(jìn)制數(shù)據(jù)內(nèi)容> 來(lái)定義，大家可以用 xxd 命令看下 objects 目錄里的對(duì)象文件(需 zlib 解壓)，比如一個(gè) tree 對(duì)象文件內(nèi)容如下：

00000000: 7472 6565 2033 3700 3130 3036 3434 2068 tree 37.100644 h 00000010: 656c 6c6f 2e74 7874 0027 0c61 1ee7 2c56 ello.txt.'.a..,V 00000020: 7bc1 b2ab ec4c bc34 5bab 9f15 ba {....L.4[....

對(duì)象有三種：BLOB、TREE、CHANGESET。

BLOB: 即二進(jìn)制對(duì)象，這就是 Git 存儲(chǔ)的文件，Git 不像某些 VCS （如 SVN）那樣存儲(chǔ)變更 delta 信息，而是存儲(chǔ)文件在每一個(gè)版本的完全信息。比如先提交了一份 hello.c 進(jìn)入了 Git 庫(kù)，會(huì)生成一個(gè) BLOB 文件完整記錄 hello.c 的內(nèi)容；對(duì) hello.c 修改后，再提交 commit，會(huì)再生成一個(gè)新的 BLOB 文件記錄修改后的 hello.c 全部?jī)?nèi)容。Linus 在設(shè)計(jì)時(shí)，BLOB 中僅記錄文件的內(nèi)容，而不包含文件名、文件屬性等元數(shù)據(jù)信息，這些信息被記錄在第二種對(duì)象 TREE 里。

TREE: 目錄樹(shù)對(duì)象。在 Linus 的設(shè)計(jì)里 TREE 對(duì)象就是一個(gè)時(shí)間切片中的目錄樹(shù)信息抽象，包含了文件名、文件屬性及BLOB對(duì)象的SHA1值信息，但沒(méi)有歷史信息。這樣的設(shè)計(jì)好處是可以快速比較兩個(gè)歷史記錄的 TREE 對(duì)象，不能讀取內(nèi)容，而根據(jù) SHA1 值顯示一致和差異的文件。另外，由于 TREE 上記錄文件名及屬性信息，對(duì)于修改文件屬性或修改文件名、移動(dòng)目錄而不修改文件內(nèi)容的情況，可以復(fù)用 BLOB 對(duì)象，節(jié)省存儲(chǔ)資源。而 Git 在后來(lái)的開(kāi)發(fā)演進(jìn)中又優(yōu)化了 TREE 的設(shè)計(jì)，變成了某一時(shí)間點(diǎn)文件夾信息的抽象，TREE 包含其子目錄的 TREE 的對(duì)象信息（SHA1）。這樣，對(duì)于目錄結(jié)構(gòu)很復(fù)雜或?qū)蛹?jí)較深的 Git庫(kù) 可以節(jié)約存儲(chǔ)資源。歷史信息被記錄在第三種對(duì)象 CHANGESET 里。

CHANGESET: 即 Commit 對(duì)象。一個(gè) CHANGESET 對(duì)象中記錄了該次提交的 TREE 對(duì)象信息（SHA1），以及提交者(committer)、提交備注(commit message)等信息。跟其他SCM（軟件配置管理）工具所不同的是，Git 的 CHANGESET 對(duì)象不記錄文件重命名和屬性修改操作，也不會(huì)記錄文件修改的 Delta 信息等，CHANGESET 中會(huì)記錄父節(jié)點(diǎn) CHANGESET 對(duì)象的 SHA1 值，通過(guò)比較本節(jié)點(diǎn)和父節(jié)點(diǎn)的 TREE 信息來(lái)獲取差異。Linus 在設(shè)計(jì) CHANGESET 父節(jié)點(diǎn)時(shí)允許一個(gè)節(jié)點(diǎn)最多有 16 個(gè)父節(jié)點(diǎn)，雖然超過(guò)兩個(gè)父節(jié)點(diǎn)的合并是很奇怪的事情，但實(shí)際上，Git 是支持超過(guò)兩個(gè)分支的多頭合并的。

Linus 在三種對(duì)象的設(shè)計(jì)解釋后著重闡述了可信(TRUST)：雖然 Git 在設(shè)計(jì)上沒(méi)有涉及可信的范疇，但 Git 作為配置管理工具是可以做到可信的。原因是所有的對(duì)象都以SHA1編碼（Google 實(shí)現(xiàn) SHA1 碰撞攻擊是后話，且 Git 社區(qū)也準(zhǔn)備使用更高可靠性的 SHA256 編碼來(lái)代替），而簽入對(duì)象的過(guò)程可信靠簽名工具保證，如 GPG 工具等。

理解了Git 的三種基本對(duì)象，那么對(duì)于 Linus 對(duì)于 Git 初始設(shè)計(jì)的“對(duì)象數(shù)據(jù)庫(kù)”和“當(dāng)前目錄緩存”這兩層抽象就很好理解了。加上原本的工作目錄，Git 有三層抽象，如下圖示：一個(gè)是當(dāng)前工作區(qū)(Working Directory)，也就是我們查看/編寫(xiě)代碼的地方，一個(gè)是 Git 倉(cāng)庫(kù)(Repository),即 Linus 說(shuō)的對(duì)象數(shù)據(jù)庫(kù)，我們?cè)?Git 倉(cāng)看到的 .git 文件夾中存儲(chǔ)的內(nèi)容，Linus 在第一版設(shè)計(jì)時(shí)命名為 .dircache，在這兩個(gè)存儲(chǔ)抽象中還有一層中間的緩存區(qū)（Staging Area），即 .git/index 里存儲(chǔ)的信息，我們?cè)趫?zhí)行 git add 命令時(shí)，便是將當(dāng)前修改加入到了緩存區(qū)。

Linus 解釋了“當(dāng)前目錄緩存”的設(shè)計(jì)，該緩存就是一個(gè)二進(jìn)制文件，內(nèi)容結(jié)構(gòu)很像 TREE 對(duì)象，與 TREE 對(duì)象不同的是 index 不會(huì)再包含嵌套 index 對(duì)象，即當(dāng)前修改目錄樹(shù)內(nèi)容都在一個(gè) index 文件里。這樣設(shè)計(jì)有兩個(gè)好處：1. 能夠快速的復(fù)原緩存的完整內(nèi)容，即使不小心把當(dāng)前工作區(qū)的文件刪除了，也可以從緩存中恢復(fù)所有文件；2. 能夠快速找出緩存中和當(dāng)前工作區(qū)內(nèi)容不一致的文件。

實(shí)現(xiàn)

Linus 在 Git 的第一次代碼提交里便完成了 Git 的最基礎(chǔ)功能，并可以編譯使用。代碼極為簡(jiǎn)潔，加上 Makefile 一共只有 848 行。感興趣的同事可以通過(guò)上一段所述方法 checkout Git 最早的 commit 上手編譯玩玩，只要有 Linux 環(huán)境即可。因?yàn)橐蕾?lài)庫(kù)版本的問(wèn)題，需要對(duì)原始 Makefile 腳本做些小修改。Git 第一個(gè)版本依賴(lài) openssl 和 zlib 兩個(gè)庫(kù)，需要手工安裝這兩個(gè)開(kāi)發(fā)庫(kù)。在 ubuntu 上執(zhí)行：sudo apt install libssl-dev libz-dev ；然后修改 makefile 在 LIBS= -lssl 行 中的 -lssl 改成 -lcrypto 并增加 -lz ；最后執(zhí)行 make，忽略編譯告警，會(huì)發(fā)現(xiàn)編出了7個(gè)可執(zhí)行程序文件：init-db, update-cache, write-tree, commit-tree, cat-file, show-diff 和 read-tree.

下面分別簡(jiǎn)要介紹下這些可執(zhí)行程序的實(shí)現(xiàn)：

init-db: 初始化一個(gè) git 本地倉(cāng)庫(kù)，這也就是我們現(xiàn)在每次初始化建立 git 庫(kù)式敲擊的 git init 命令。只不過(guò)一開(kāi)始 Linus 建立的 倉(cāng)庫(kù)及 cache 文件夾名稱(chēng)叫 .dircache, 而不是我們現(xiàn)在所熟知的 .git 文件夾。

update-cache: 輸入文件路徑，將該文件（或多個(gè)文件）加入緩沖區(qū)中。具體實(shí)現(xiàn)是：校驗(yàn)路徑合法性，然后將文件計(jì)算 SHA1值，將文件內(nèi)容加上 blob 頭信息進(jìn)行 zlib 壓縮后寫(xiě)入到對(duì)象數(shù)據(jù)庫(kù)(.dircache/objects)中；最后將文件路徑、文件屬性及 blob sha1 值更新到 .dircache/index 緩存文件中。

write-tree: 將緩存的目錄樹(shù)信息生成 TREE 對(duì)象，并寫(xiě)入對(duì)象數(shù)據(jù)庫(kù)中。TREE 對(duì)象的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為：'tree ' + 長(zhǎng)度 + + 文件樹(shù)列表。文件樹(shù)列表中按照 文件屬性 + 文件名 + + SHA1 值結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)。寫(xiě)入對(duì)象成功后，返回該 TREE 對(duì)象的 SHA1 值。

commit-tree: 將 TREE 對(duì)象信息生成 commit 節(jié)點(diǎn)對(duì)象并提交到版本歷史中。具體實(shí)現(xiàn)是輸入要提交的 TREE 對(duì)象 SHA1 值，并選擇輸入父 commit 節(jié)點(diǎn)（最多 16個(gè)），commit 對(duì)象信息中包含 TREE、父節(jié)點(diǎn)、committer 及作者的 name、email及日期信息，最后寫(xiě)入新的 commit 節(jié)點(diǎn)對(duì)象文件，并返回 commit 節(jié)點(diǎn)的 SHA1 值。

cat-file: 由于所有的對(duì)象文件都經(jīng)過(guò) zlib 壓縮，因此想要查看文件內(nèi)容的話需要使用這個(gè)工具來(lái)解壓生成臨時(shí)文件，以便查看對(duì)象文件的內(nèi)容。

show-diff: 快速比較當(dāng)前緩存與當(dāng)前工作區(qū)的差異，因?yàn)槲募膶傩孕畔ⅲòㄐ薷臅r(shí)間、長(zhǎng)度等）也保存在緩存的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，因此可以快速比較文件是否有修改，并展示差異部分。

read-tree: 根據(jù)輸入的 TREE 對(duì)象 SHA1 值輸出打印 TREE 的內(nèi)容信息。

這就是第一個(gè)可用版本的 Git 的全部七個(gè)子程序，可能用過(guò) Git 的同事會(huì)說(shuō)：這怎么跟我常用的 Git 命令不一樣呢？Git add, git commit 呢？是的，在最初的 Git 設(shè)計(jì)中是沒(méi)有我們這些平常所使用的 git 命令的。在 Git 的設(shè)計(jì)中，有兩種命令：分別是底層命令(Plumbing commands)和高層命令(Porcelain commands)。一開(kāi)始，Linus 就設(shè)計(jì)了這些給開(kāi)源社區(qū)黑客使用的符合 Unix KISS 原則的命令，因?yàn)楹诳蛡儽旧砭褪莿?dòng)手高手，水管壞了就擼起袖子去修理，因此這些命令被稱(chēng)為 plumbing commands. 后來(lái)接手 Git 的 Junio Hamano 覺(jué)得這些命令對(duì)于普通的用戶(hù)可不太友好，因此在此之上，封裝了更易于使用、接口更精美的高層命令，也就是我們今天每天使用的 git add, git commit 之類(lèi)。Git add 就是封裝了 update-cache 命令，而 git commit 就是封裝了 write-tree, commit-tree 命令。關(guān)于底層命令的更詳細(xì)介紹，大家有興趣的話可以看 Pro Git 中的 Git Internals 章節(jié)。

具體的代碼實(shí)現(xiàn)在這里就不再細(xì)述，Linus 的代碼風(fēng)格極為簡(jiǎn)潔，能一行完成的絕不寫(xiě)兩行。另外，對(duì)于 Linux API 的使用自然無(wú)人出其右，我印象最深的是有好多處使用 mmap 建立文件與內(nèi)存的映射，省去了內(nèi)存申請(qǐng)、文件讀寫(xiě)等操作，提升了工具性能。正如一位同事說(shuō)的：Linus 的代碼除了不滿(mǎn)足編程規(guī)范，其他好像真挑不出什么毛病。順便說(shuō)一句，Linus 的縮進(jìn)風(fēng)格是 Tab 鍵（典故參見(jiàn)《制表符還是空格符，這是個(gè)問(wèn)題》）。

啟示

Linus 在提交了第一個(gè) git commit 后，并向社區(qū)發(fā)布了 git 工具。當(dāng)時(shí)，社區(qū)中有位叫 Junio Hamano 的開(kāi)發(fā)者覺(jué)得這個(gè)工具很有意思，便下載了代碼，結(jié)果發(fā)現(xiàn)一共才 1244 行代碼，這更令他驚奇也引發(fā)了極大的興趣。Junio 在郵件列表與 Linus 交流并幫助增加了 merge 等功能，而后持續(xù)打磨 git，最后 Junio 完全接手了 Git 的維護(hù)工作，Linus 則回去繼續(xù)維護(hù) Linux Kernel 項(xiàng)目。

如果選歷史上最偉大的一次 Git 代碼提交，那一定是這 Git 工具項(xiàng)目本身的第一次代碼提交。這次代碼提交無(wú)疑是開(kāi)創(chuàng)性的，如果說(shuō) Linux 項(xiàng)目促成了開(kāi)源軟件的成功并改寫(xiě)了軟件行業(yè)的格局，那么 Git 則是改變了全世界開(kāi)發(fā)者的工作方式和寫(xiě)作方式。在 Git 誕生后兩年，舊金山的一個(gè)小酒館里坐著三位年輕的程序員，決定要用 Git 做點(diǎn)什么，幾個(gè)月后，GitHub 上線。

回到文中開(kāi)頭提到的問(wèn)題，如果我來(lái)設(shè)計(jì) Git 的話，估計(jì)還是會(huì)從已有工具經(jīng)驗(yàn)（如SVN使用）上來(lái)延伸設(shè)計(jì)，甚至在我最早接觸 Git 時(shí)候曾膚淺的認(rèn)為 Git 就是 SVN + 分布式。正是了解了 Git 的內(nèi)部原理乃至閱讀了 Git 的初始代碼后才感嘆其設(shè)計(jì)的精妙，Git 的初始設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)大概能給（開(kāi)源）軟件產(chǎn)品如下啟發(fā)：

解決痛點(diǎn)問(wèn)題：Git 的緣起便是 Linus 本人及 Linux 社區(qū)的訴求，而這些訴求推而廣之是項(xiàng)目協(xié)作開(kāi)發(fā)（特別是跨地域項(xiàng)目）的共性訴求。Linus 解決了他本人遇到的痛點(diǎn)問(wèn)題，順便達(dá)成了一項(xiàng)偉大的成就。

極簡(jiǎn)設(shè)計(jì)：Linus 在設(shè)計(jì) Git 工具時(shí)并沒(méi)有受傳統(tǒng) SCM 工具的束縛，考慮文件差異、版本對(duì)比等，而是抽象了幾種基本對(duì)象就把 git 的設(shè)計(jì)思路給理清楚了。

MVP (minimum viable product, 最小可用產(chǎn)品)：這個(gè)概念大家都懂，但實(shí)際操作起來(lái)卻不容易。一個(gè) MVP 的配置管理工具需要哪些功能？一般來(lái)說(shuō)會(huì)想到代碼提交、歷史追溯、版本比較、分支合并等。但 Linus 卻將它拆解開(kāi)來(lái)，快速實(shí)現(xiàn)了底層的基本功能，簡(jiǎn)單到只有開(kāi)源社區(qū)黑客才能用。但這就夠了，黑客們因此發(fā)現(xiàn)了它的價(jià)值，繼續(xù)給它添磚加瓦。

快速發(fā)布，快速迭代：這也是源于 Linux Kernel 的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)；Linus 在實(shí)現(xiàn)了 Git MVP 后，便在 Linux 社區(qū)郵件列表中公布，并征求意見(jiàn)，迭代完善。

找到合適接班人：《大教堂與集市》中也有類(lèi)似的觀點(diǎn)，它說(shuō)的是：“如果你對(duì)一個(gè)項(xiàng)目失去了興趣，你最后的職責(zé)就是把它交給一個(gè)稱(chēng)職的繼承者。”不過(guò) Linus 將 Git 交給 Junio 并不是因?yàn)槭チ伺d趣，而是因?yàn)樗l(fā)現(xiàn)在 Git 基礎(chǔ)架構(gòu)建立好之后，Junio 比他更擅長(zhǎng)于實(shí)現(xiàn)更豐富、對(duì)普通用戶(hù)界面更友好的功能，因此他就放心的將 Git 交給了 Junio. 為開(kāi)源項(xiàng)目找到更合適的接班人，這既需要魄力也需要智慧。

原文標(biāo)題：改變世界的一次代碼提交

文章出處：【微信公眾號(hào)：Linuxer】歡迎添加關(guān)注！文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。

責(zé)任編輯：haq