你好，我是猿java。

Git 是如何工作的？暂停 10秒：你能在脑海里构思出一幅 Git工作的全景图吗？

最近，有小伙伴私信我，说他因为这个问题，倒在了美团一面的路上。借此机会，特来聊聊 Git是如何工作的？

Git是什么

老规矩，在讲解一个技术点之前，先弄清楚它的概念，看看官方是怎么推销自己的，如下图：

大致意思是：Git 是一个免费的开源分布式版本控制系统，旨在快速高效地处理从小型到超大型项目的所有内容。

Git 易于学习，占用空间小，性能快如闪电。它超越了 Subversion、CVS、Perforce 和 ClearCase 等 SCM 工具，具有廉价的本地分支、方便的暂存区域和多个工作流程等功能。

开源、分布式、快如闪电、易学习、优于其他SCM 工具，官方的描述是不是太诱惑了？不过，作为技术人员，我们显然不会为这种宣传式的介绍买单，有没有干货呢？

当然有，直接上菜！

Git对比其它SCM

Git 对比其他 SCM工具，最大的差异点有 3点：架构，数据存储，完整性保证。

架构

Git采用的是分布式设计，每个克隆都是完整的版本库，因此能更好地支持离线操作和本地提交；其它 SCM是集中式管理，重度依赖网络，离线模式工作困难，另外，集中式还会让我们直接想到单点故障。

数据存储

其它类型的SCM（CVS、Subversion、Perforce ），数据保存都是基于 delta差异存储，如下图：

而 Git是全量快照存储，另外，Git为了效率，如果文件没有被修改，Git不再重新存储该文件，而只保留一个链接指向之前存储的文件。如下图，虚线是对实线的链接指向：

关于 Git在数据存储上的优势，在下面 git branch 部分就能很好地体现。

保证完整性

Git 中所有的数据在存储前都需要通过 SHA-1散列（一种 hash算法），计算出一个由 40 个十六进制字符（0-9 和 a-f）组成的字符串校验和（哈希码），然后以该哈希码作为引用。因此，当任何文件内容或目录内容被修改，通过这个哈希码就能很快被发现。

3种状态

在 Git中，文件有三种状态：modified（已修改）、staged（已暂存）、committed（已提交）。

• 已修改：表示文件在工作区被修改了，但还未进入缓存区；

• 已暂存：表示已修改的文件进入了缓存区，即将被提交；

• 已提交：表示缓存区的数据被提交到本地仓库中；

4个核心区域

Git 包含 4个核心区域：

• 工作区: Working Directory

• 暂存区: Staging Area

• 本地仓库: Local Repository

• 远程仓库: Remote Repository

工作区

工作区，顾名思义，就是我们干活的区域，一般是电脑上肉眼可见的目录。如下图：磁盘上 yuanjava/git-project 目录就是一个工作区。

暂存区

暂存区，有点类似于草稿箱，用 Git 的术语叫做“index（索引）”，本质是一个二进制文件，即 {工作目录}/.git/index，如下图：

本地仓库

本地仓库，就是 .git目录，它完整地保存了 git 项目的历史记录，包含了项目的所有文件、提交历史、分支、标签等信息。通过执行 git init 命令就能在工作区下生成一个 .git目录。如下图：

远程仓库

远程仓库，其实就是代码的远程服务器。比如：GitHub、GitLab 或自建的服务器。远程仓库可以被多个开发者访问和操作，允许团队成员协同工作，共享代码并进行版本控制。

最后，用一张图来形象地描述 3 种状态和 4个核心区域：

为了更好理解上图的核心内容，我们以代码提交这个过程为例：

1. 在工作区中进行文件操作，被修改后的文件，状态就会变成 modified；

2. 执行 git add 命令，Git的文件状态变成 staged，更改的部分会被添加到暂存区；

3. 执行 git commit 命令，已暂存的文件会被提交到本地仓库，状态变为committed；

4. 执行 git push，本地仓库的代码会被同步到远程仓库；

上述描述的 4个核心区域，其实都是 Git的一些逻辑结构，为了更深入地了解这些逻辑结构对应的物理结构，也就是磁盘目录，我们就不得不扒一扒 .git 这个神秘的隐藏目录。

.git目录详解

.git 是一个隐藏目录，位于工作目录下，它是通过执行 ‘git init’ 或者 ‘git clone’ 命令生成的。如下图，执行 ll -a 指令，可以看到 .git目录的所有信息：

.git 目录下的子目录和文件比较多，这里重点讲解：HEAD，refs，index，objects， logs：

HEAD

HEAD 文件是一个特殊的指针，指向当前所在的本地分支，HEAD 文件的内容是：“ref：refs/heads/{分支名}”。

如下图：当分支切换为 master时，HEAD文件的内容为“ref：refs/heads/master”，当分支切换为 test时，HEAD文件的内容为“ref：refs/heads/test”

refs

refs是一个目录，包含 3个子目录:

1. heads：存储本地分支引用
2. remote：存储远程分支引用
3. tags：存储标签的引用

如下图：

目录 refs/heads/ 下面存放的是一些以分支名命名的文件， refs/heads/ {分支名}的结构和上文 HEAD 文件中的内容是对应的，每个分支名对应一个文件，记录了该分支最后一个commit的校验和，而这个校验和就是用来定位 .git/object/{校验和前2位}/{校验和剩余38位} 这个文件，如下图：

objects

objects 是一个相当重要的目录，存储了所有分支所有版本的数据，包括文件内容、目录结构、提交历史等。

objects的目录设计也是相当的精巧，结构如下：

1. 子目录：Git 使用 SHA-1哈希算法对对象内容进行哈希计算，然后将哈希值的前两个字符作为目录名，将后 38 个字符作为文件名。这样的目录结构有助于将大量的对象分散存储，提高效率。

   例如，如果文件哈希值是 ab123ds...，那么文件路径就是 .git/objects/ab/123ds...

2. 文件：每个文件的内容存储在与其哈希值对应的文件中。文件可以是 blob 对象（存储文件内容）、tree 对象（存储目录结构）、commit 对象（存储提交信息）等。

3. • Blob 对象：存储文件的真实内容，对应于工作目录中的文件；
   • Tree 对象：存储目录结构，包括文件和子目录；
   • Commit 对象：存储提交的元数据，包括作者、提交时间、指向树对象的引用等；

4. 信息压缩：对象文件是经过 zlib 压缩的二进制数据。这种压缩有助于减小存储空间，并提高传输效率。

index

index 是一个二进制文件，也就是上文说的暂存区，它记录当前目录结构和文件的索引信息，用于构建下一次提交的快照；初始状态下不存在该文件，需要执行第一个init add 命令后生成该文件；如下图：

logs

logs 是一个目录，存储引用的更新历史，例如分支的移动、合并等操作记录，初始状态下该目录不存在，在执行第一个git commit文件时生成，logs/HEAD 记录的是commit的log，可以通过 git log 命令查看；

总结，通过上面对.git目录的分析，我们能看出每个逻辑结构后面对应的真实磁盘目录是什么，同时，还可以梳理出在 Git 查找当前分支代码的整套流程：

1. 通过 .git/HEAD 文件找出当前指向的分支名A；
2. 查看 .git/refs/heads/A 文件，文件的内容就是分支A最后一次提交的哈希值；
3. 定位 .git/object/{哈希值前2位}/{哈希值剩余38位}  二进制文件，该文件就是分支A 最后提交对应的数据仓库；
4. 对于 .git/index文件，当分支切换后，会用步骤 3中状态为 staged 文件信息进行数据恢复；

Git分支

有了上文内容的铺垫，我们再来分析 Git分支就会轻松很多，这里挑选日常开发工使用频率最高的几个功能，另外，在图形描绘时，我会标注磁盘目录，方便大家更好地对照逻辑变更与磁盘目录变更的关系。

分支创建

git 创建分支最常用的命令是：

git branch 分支名git 
checkout -b 分支名

在默认情况下，.git/HEAD 指向的是工程创建时最原始的分支，这里以 master为例。如下图：

当我们基于 master创建一个新分支 test时，其实就是创建了一个可移动的新指针，如下图：

在 test新分支上做修改，并且产生了一个新的提交 c3，test指针会移动 c3，如下图：

分支合并

分支合并最常用的命令

# 将两个或更多的开发历史合并在一起
git merge  

# 将提交重新应用到另一个基准提交的顶部
git rebase 

快进合并（fast-forward）

如下图：假如把 test 分支合并到 master分支，由于 test 所指向的提交 c3 是 c2 的直接后继， 因此 Git 会直接将 master指针向前移动。换句话说，当合并两个分支时， 如果顺着一个分支走下去能够到达另一个分支，那么 Git 在合并的时候， 只会简单地将指针向前推进（指针右移），再加上合并不存在冲突，因此，这种合并叫做 “快进（fast-forward）”。

三方合并（three-way merge）

如下图：假如线上出现紧急bug，需要从 master 切出一个新分支进行修改，并且该分支最终被合并到 master，即 c2 移动到 c4，此时 mater指向了 c4。

在处理完 bug后，重新切到 test分支继续工作，在一切准备 ok后，需要把 test 合并到 master分支。

因为 master不能顺着某个分支到达 test，Git 会使用两个分支所指的快照（c3 和 c4）以及这两个分支的公共祖先（c2），做一个简单的三方合并，这种方法叫做三方合并。此时合并会出现两种情况：

1. c3 和 c4 不存在冲突，Git会自动合并；
2. c3 和 c4 存在冲突，Git不会自动合并，而是停下来，需要我们手动解决冲突，然后重新提交；

rebase 合并

rebase：中文翻译 变基 或者 重新设置基线；

git rebase：将提交重新应用到另一个基线提交的顶部。这句话看起来很晦涩，但是如果把句子补全成“把当前分支的基线应用到另外一个分支基线的顶部”，这样是不是就更容易理解？这里的基是指两个分支最近的公共祖先。

如下图：master 和 test 两个分支最近的公共祖先是 c2， 因此基线就是 c2。

git rebase master，把 test的基线 c2变成 master 基线c2的顶部 c4，也就是把 c3 指向 c2 变成 c3指向 c4。因为 test分支在 rebase之后内容变更了，所以 c4对应的磁盘目录也就变成了 .git/refs/c4'。

反之，git rebase test，那就把 master的基线 c2变成 test 基线c2的顶部 c3，也就是把 c4 指向 c2 变成 c4指向 c3。因为 master在 rebase之后内容变更了，所以 c3对应的磁盘目录也就变成了 .git/refs/c3'。

最后，更直白地描述 git rebase：把另一个分支线性地包含到当前分支。

git merge 和 git rebase对比

• git merge 保留了每个分支上的提交，合并会导致提交历史中可能出现较多的分叉和合并点；git rebase 会保持线性的提交历史；
• git merge 对于冲突，Git 会自动创建合并提交，并在冲突解决后完成合并；git rebase 当冲突发生时，Git 会在重新应用提交的过程中停止，让用户解决冲突后继续，这意味着在 rebase 过程中可能会多次冲突处理。

Git常用命令

git init

git init 命令的功能如下：

• 初始化仓库：将当前工作区初始化成一个新的 git仓库；
• 生成隐藏的 .git目录：创建一个名为.git的子目录，其中包含了Git用于跟踪项目历史、版本控制等所需的全部内容。
• 默认配置：初始化 git仓库时，会生成默认的配置文件（如 .git/config），用于设置 git的行为和属性。

git init 命令执行后，在磁盘上的表现是工作区添加一个.git隐藏目录，该目录包含了一些默认的子目录和文件：

git add

‘git add’ 命令是将工作区文件添加到暂存区，实质上是在创建/更新 .git/index 文件，主要的过程为：

1. 更新暂存区状态：git add 会将工作区中指定的文件更改或新文件的当前状态记录到 .git/index 文件中；
2. 创建/更新索引记录：给被操作的文件生成一个哈希值，并将该文件的元数据（如文件名、文件类型、权限等）保存到 .git/index 文件中；
3. 暂存文件快照： .git/index 文件会记录每个被暂存的文件的快照信息，用于创建提交时的快照；

如下图，在 test分支的工作区添加一个 test.txt文件，执行‘git add . ’ 命令后会在.git目录下生成一个 index文件，这个就是暂存区的核心。

将上述过程抽象成下面的模型：

git commit

‘git commit’ 命令是将暂存区的内容提交到本地仓库。对.git的修改为：

1. 更新 .git/objects

在 .git/objects 目录中创建新的对象，这些对象会使用 SHA-1 哈希值作为标识，用于在仓库中唯一标识每个提交对象、树对象和文件对象。

因此，每一次 commit都会在 .git/objects下创建一个目录，目录名为此次提交到哈希值的前两位，如下图：

1. 更新索引文件（index）

在 .git/index 中更新索引文件，记录新提交的快照和元数据信息；

1. 更新 .git/refs

在 .git/refs/heads 中增加一个以分支名命名的文件（.git/refs/heads/test），文件中记录了该分支最后一次commit的hash值，如下图；

再次修改 test.txt并且commit，.git/refs/heads/test内容为：

1. 更新HEAD指针：

HEAD 指向的分支（当前为 test 分支）指向新的提交对象，表示当前分支已经包含了这个新提交；抽象成下面的模型：

git pull

’git pull’ 命令用于从远程仓库中获取最新的提交，并将它们合并到当前所在的本地分支。它实际上是 ’git fetch’ 和 ’git merge’ 两个命令的组合。

1. 执行 git fetch：

git pull 首先会执行 git fetch 命令，从远程仓库中拉取最新的提交、分支信息和其他更新；

git fetch 不会修改本地工作区的内容，而是将远程仓库的内容下载到本地仓库，更新远程跟踪分支（如 origin/master）指向最新提交；

1. 执行 git merge：

git pull 接着会执行 git merge 命令，将远程仓库拉取的内容与当前分支进行合并；

如果没有冲突，git 会尝试自动合并更新到当前分支中。如果有冲突，则需要手动解决冲突后再提交；

git fetch

’git pull’ 命令用于从远程仓库中获取最新的提交，并且将代码拉取到本地仓库。’git pull’对 .git目录的影响如下：

1. 更新 .git/refs/remotes/origin 目录，在该目录下创建一个远程分支名的目录，更新或创建远程分支的引用；
2. 更新.git/FETCH_HEAD 文件中记录最新的 fetch 操作信息；

git merge

‘git merge’ 命令是指要将哪个分支的内容合并到当前分支。它对 .git目录的影响如下：修改 .git/refs/heads 目录

git push

git push 命令用于将本地分支的提交推送（同步）到远程仓库中。它对 .git目录的影响如下：

1. 更新 .git/refs/remotes 或 .git/refs/heads

git push 会在 .git/refs/remotes 或 .git/refs/heads 目录下更新或创建远程引用；

1. 更新 .git/config 文件

执行 git push 也会修改 .git/config 文件中关于远程仓库的配置信息，比如远程仓库的URL、远程分支的映射关系等；

git reset

‘git reset’ 命令用于移动分支的指向以及更改暂存区和工作目录的状态。对 .git目录的影响如下：

1. 更新 .git/refs/heads 目录下的分支引用文件；

2. 更新暂存区；

3. 修改本地工作区；

使用 git reset --hard ，回退暂存区，修改工作目录的状态，删除未提交的更改；如下图，执行 git reset --hard 命令，会把暂存区的修改回退，使得工作区是干净的。

总结

本文重点分析了 git 的3种状态，4个核心区域，.git目录，分支以及常见指令。因为  Git的知识点太多，无法一一讲解，只要抓住 Git的核心，也就是下面这张图，那么我们再去分析 Git其它的问题就会轻松很多。因此，回到文章标题：Git如何工作？其实这个问题的答案比较宽泛自由，只要围绕下图核心灵活作答即可。

参考资料

Git官方文档英文版：git-scm.com/book/en/v2G…

官方文档英文版：git-scm.com/book/en/v2

原创好文：