Git 是最流行的版本管理工具，也是程式設計師的必備技能之一。
即使天天使用它，很多人也未必瞭解它的原理。Git 為什麼可以管理版本？git add、git commit這些基本命令，到底在做什麼，你說得清楚嗎？
這篇文章用一個例項，解釋 Git 的執行過程，幫助你理解 Git 的原理。
一、初始化
首先，讓我們建立一個專案目錄，並進入該目錄。
$ mkdir git-demo-project $ cd git-demo-project
我們打算對該專案進行版本管理，第一件事就是使用git init命令，進行初始化。
$ git init
git init命令只做一件事，就是在專案根目錄下建立一個.git子目錄，用來儲存版本資訊。
$ ls .git branches/ config description HEAD hooks/ info/ objects/ refs/
上面命令顯示，.git內部還有一些子目錄，這裡先不解釋它們的含義。
二、儲存物件
接下來，新建一個空檔案test.txt。
$ touch test.txt
然後，把這個檔案加入 Git 倉庫，也就是為test.txt的當前內容建立一個副本。
$ git hash-object -w test.txt e69de29bb2d1d6434b8b29ae775ad8c2e48c5391
上面程式碼中，git hash-object命令把test.txt的當前內容壓縮成二進位制檔案，存入 Git。壓縮後的二進位制檔案，稱為一個 Git 物件，儲存在.git/objects目錄。
這個命令還會計算當前內容的 SHA1 雜湊值（長度40的字串），作為該物件的檔名。下面看一下這個新生成的 Git 物件檔案。
$ ls -R .git/objects .git/objects/e6: 9de29bb2d1d6434b8b29ae775ad8c2e48c5391
上面程式碼可以看到，.git/objects下面多了一個子目錄，目錄名是雜湊值的前2個字元，該子目錄下面有一個檔案，檔名是雜湊值的後38個字元。
再看一下這個檔案的內容。
$ cat .git/objects/e6/9de29bb2d1d6434b8b29ae775ad8c2e48c5391
上面程式碼輸出的檔案內容，都是一些二進位制字元。你可能會問，test.txt是一個空檔案，為什麼會有內容？這是因為二進位制物件裡面還儲存一些後設資料。
如果想看該檔案原始的文字內容，要用git cat-file命令。
$ git cat-file -p e69de29bb2d1d6434b8b29ae775ad8c2e48c5391
因為原始檔案是空檔案，所以上面的命令什麼也看不到。現在向test.txt寫入一些內容。
$ echo 'hello world' > test.txt
因為檔案內容已經改變，需要將它再次儲存成 Git 物件。
$ git hash-object -w test.txt 3b18e512dba79e4c8300dd08aeb37f8e728b8dad
上面程式碼可以看到，隨著內容改變，test.txt的雜湊值已經變了。同時，新檔案.git/objects/3b/18e512dba79e4c8300dd08aeb37f8e728b8dad也已經生成了。現在可以看到檔案內容了。
$ git cat-file -p 3b18e512dba79e4c8300dd08aeb37f8e728b8dad hello world
三、暫存區
檔案儲存成二進位制物件以後，還需要通知 Git 哪些檔案發生了變動。所有變動的檔案，Git 都記錄在一個區域，叫做"暫存區"（英文叫做 index 或者 stage）。等到變動告一段落，再統一把暫存區裡面的檔案寫入正式的版本歷史。
git update-index命令用於在暫存區記錄一個發生變動的檔案。
$ git update-index --add --cacheinfo 100644 \ 3b18e512dba79e4c8300dd08aeb37f8e728b8dad test.txt
上面命令向暫存區寫入檔名test.txt、二進位制物件名（雜湊值）和檔案許可權。
git ls-files命令可以顯示暫存區當前的內容。
$ git ls-files --stage 100644 3b18e512dba79e4c8300dd08aeb37f8e728b8dad 0 test.txt
上面程式碼表示，暫存區現在只有一個檔案test.txt，以及它的二進位制物件名和許可權。知道了二進位制物件名，就可以在.git/objects子目錄裡面讀出這個檔案的內容。
git status命令會產生更可讀的結果。
$ git status 要提交的變更： 新檔案： test.txt
上面程式碼表示，暫存區裡面只有一個新檔案test.txt，等待寫入歷史。
四、git add 命令
上面兩步（儲存物件和更新暫存區），如果每個檔案都做一遍，那是很麻煩的。Git 提供了git add命令簡化操作。
$ git add --all
上面命令相當於，對當前專案所有變動的檔案，執行前面的兩步操作。
五、commit 的概念
暫存區保留本次變動的檔案資訊，等到修改了差不多了，就要把這些資訊寫入歷史，這就相當於生成了當前專案的一個快照（snapshot）。
專案的歷史就是由不同時點的快照構成。Git 可以將專案恢復到任意一個快照。快照在 Git 裡面有一個專門名詞，叫做 commit，生成快照又稱為完成一次提交。
下文所有提到"快照"的地方，指的就是 commit。
六、完成提交
首先，設定一下使用者名稱和 Email，儲存快照的時候，會記錄是誰提交的。
$ git config user.name "使用者名稱" $ git config user.email "Email 地址"
接下來，要儲存當前的目錄結構。前面儲存物件的時候，只是儲存單個檔案，並沒有記錄檔案之間的目錄關係（哪個檔案在哪裡）。
git write-tree命令用來將當前的目錄結構，生成一個 Git 物件。
$ git write-tree c3b8bb102afeca86037d5b5dd89ceeb0090eae9d
上面程式碼中，目錄結構也是作為二進位制物件儲存的，也儲存在.git/objects目錄裡面，物件名就是雜湊值。
讓我們看一下這個檔案的內容。
$ git cat-file -p c3b8bb102afeca86037d5b5dd89ceeb0090eae9d 100644 blob 3b18e512dba79e4c8300dd08aeb37f8e728b8dad test.txt
可以看到，當前的目錄裡面只有一個test.txt檔案。
所謂快照，就是儲存當前的目錄結構，以及每個檔案對應的二進位制物件。上一個操作，目錄結構已經儲存好了，現在需要將這個目錄結構與一些後設資料一起寫入版本歷史。
git commit-tree命令用於將目錄樹物件寫入版本歷史。
$ echo "first commit" | git commit-tree c3b8bb102afeca86037d5b5dd89ceeb0090eae9d c9053865e9dff393fd2f7a92a18f9bd7f2caa7fa
上面程式碼中，提交的時候需要有提交說明，echo "first commit"就是給出提交說明。然後，git commit-tree命令將後設資料和目錄樹，一起生成一個 Git 物件。現在，看一下這個物件的內容。
$ git cat-file -p c9053865e9dff393fd2f7a92a18f9bd7f2caa7fa tree c3b8bb102afeca86037d5b5dd89ceeb0090eae9d author ruanyf1538889134 +0800 committer ruanyf 1538889134 +0800 first commit
上面程式碼中，輸出結果的第一行是本次快照對應的目錄樹物件（tree），第二行和第三行是作者和提交人資訊，最後是提交說明。
git log命令也可以用來檢視某個快照資訊。
$ git log --stat c9053865e9dff393fd2f7a92a18f9bd7f2caa7fa commit c9053865e9dff393fd2f7a92a18f9bd7f2caa7fa Author: ruanyfDate: Sun Oct 7 13:12:14 2018 +0800 first commit test.txt | 1 + 1 file changed, 1 insertion(+)
七、git commit 命令
Git 提供了git commit命令，簡化提交操作。儲存進暫存區以後，只要git commit一個命令，就同時提交目錄結構和說明，生成快照。
$ git commit -m "first commit"
此外，還有兩個命令也很有用。
git checkout命令用於切換到某個快照。
$ git checkout c9053865e9dff393fd2f7a92a18f9bd7f2caa7fa
git show命令用於展示某個快照的所有程式碼變動。
$ git show c9053865e9dff393fd2f7a92a18f9bd7f2caa7fa
八、branch 的概念
到了這一步，還沒完。如果這時用git log命令檢視整個版本歷史，你看不到新生成的快照。
$ git log
上面命令沒有任何輸出，這是為什麼呢？快照明明已經寫入歷史了。
原來git log命令只顯示當前分支的變動，雖然我們前面已經提交了快照，但是還沒有記錄這個快照屬於哪個分支。
所謂分支（branch）就是指向某個快照的指標，分支名就是指標名。雜湊值是無法記憶的，分支使得使用者可以為快照起別名。而且，分支會自動更新，如果當前分支有新的快照，指標就會自動指向它。比如，master 分支就是有一個叫做 master 指標，它指向的快照就是 master 分支的當前快照。
使用者可以對任意快照新建指標。比如，新建一個 fix-typo 分支，就是建立一個叫做 fix-typo 的指標，指向某個快照。所以，Git 新建分支特別容易，成本極低。
Git 有一個特殊指標HEAD， 總是指向當前分支的最近一次快照。另外，Git 還提供簡寫方式，HEAD^指向 HEAD的前一個快照（父節點），HEAD~6則是HEAD之前的第6個快照。
每一個分支指標都是一個文字檔案，儲存在.git/refs/heads/目錄，該檔案的內容就是它所指向的快照的二進位制物件名（雜湊值）。
九、更新分支
下面演示更新分支是怎麼回事。首先，修改一下test.txt。
$ echo "hello world again" > test.txt
然後，儲存二進位制物件。
$ git hash-object -w test.txt c90c5155ccd6661aed956510f5bd57828eec9ddb
接著，將這個物件寫入暫存區，並儲存目錄結構。
$ git update-index test.txt $ git write-tree 1552fd52bc14497c11313aa91547255c95728f37
最後，提交目錄結構，生成一個快照。
$ echo "second commit" | git commit-tree 1552fd52bc14497c11313aa91547255c95728f37 -p c9053865e9dff393fd2f7a92a18f9bd7f2caa7fa 785f188674ef3c6ddc5b516307884e1d551f53ca
上面程式碼中，git commit-tree的-p引數用來指定父節點，也就是本次快照所基於的快照。
現在，我們把本次快照的雜湊值，寫入.git/refs/heads/master檔案，這樣就使得master指標指向這個快照。
$ echo 785f188674ef3c6ddc5b516307884e1d551f53ca > .git/refs/heads/master
現在，git log就可以看到兩個快照了。
$ git log commit 785f188674ef3c6ddc5b516307884e1d551f53ca (HEAD -> master) Author: ruanyfDate: Sun Oct 7 13:38:00 2018 +0800 second commit commit c9053865e9dff393fd2f7a92a18f9bd7f2caa7fa Author: ruanyf Date: Sun Oct 7 13:12:14 2018 +0800 first commit
git log的執行過程是這樣的：
- 查詢
HEAD指標對應的分支，本例是master- 找到
master指標指向的快照，本例是785f188674ef3c6ddc5b516307884e1d551f53ca- 找到父節點（前一個快照）
c9053865e9dff393fd2f7a92a18f9bd7f2caa7fa- 以此類推，顯示當前分支的所有快照
最後，補充一點。前面說過，分支指標是動態的。原因在於，下面三個命令會自動改寫分支指標。
git commit：當前分支指標移向新建立的快照。git pull：當前分支與遠端分支合併後，指標指向新建立的快照。git reset [commit_sha]：當前分支指標重置為指定快照。
十、參考連結
- How does git work internally, Shalitha Suranga
（完）