以下の内容はhttps://tech.mobilefactory.jp/entry/2020/10/02/120000より取得しました。

gitを自分で実装して内部を理解しよう

Git 組織文化

要約

git内部のデータ格納に関するサブコマンド、git cat-file と git hash-object を自分でPerlで実装しgit内のデータの保存方法について知る

目次

  • イントロダクション
  • git内部のデータの確認
  • perl実装の紹介

実装

github.com

イントロダクション

自己紹介

駅メモにて主にバックエンドを担当しているid:toricorです。 仕事ではPerl実装のサーバ周りを触ることが多いです。

仕事以外では、以前Perlで簡単なJVMを書きました 。

毎日使うソフトウェアといえば

gitは欠かせないですよね。 でも毎日の仕事で生成されるあの膨大なファイルやコミットを、内部でどのように記録し管理しているか気になりませんか。私は気になりました。

本家の説明によると

Git は内容アドレスファイルシステムです。 素晴らしい。 …で、それはどういう意味なのでしょう? それは、Gitのコアの部分はシンプルなキー・バリュー型データストアである、という意味です。 Git - Gitオブジェクト

少しわかりにくいですね

Gitを自分で書いたら理解できるかも！？

"Write yourself a Git!" https://wyag.thb.lt/

gitの自力実装の方法を紹介してくれています。 数百行程度のPython実装でgitのいろいろなサブコマンドが実装できます。

以前Python実装のままチーム内で紹介したのですが、弊社はPerlをよく使う会社なので今回Perlで書き直しました(ただし一部のみ)。

以降はデータの格納という点に注目してgitを見ていきたいと思います。

内部のデータの確認

.git のどこにデータが入るのだろうか

gitを使う場合に必要なデータ(ブランチ、コミット、など)は.gitに全て格納されています。 適当なGitプロジェクトをつくり、コミットをした場合に .git の中身がどのように変わっていくかをまずは確認します。

git init 直後

% tree .git                                                                                       
.git
├── HEAD
├── config
├── description
├── hooks
│   ├── applypatch-msg.sample
│ (省略)
│   └── update.sample
├── info
│   └── exclude
├── objects
│   ├── info
│   └── pack
└── refs
    ├── heads
    └── tags

8 directories, 16 files

ファイル作成 & git add

% echo 'print "Hello Git!\n";' > hello.pl                                                                                  
% git add .                                                                                                                        
% tree .git                                                                                                        
.git
├── HEAD
├── config
├── description
├── hooks
│   ├── applypatch-msg.sample
│ (省略)
│   └── update.sample
├── index
├── info
│   └── exclude
├── objects
│   ├── 36
│   │   └── 9b01f4c6a00c39f0362e3f6c9648c2dc178b47  <-- ファイルが増えたぞ??
│   ├── info
│   └── pack
└── refs
    ├── heads
    └── tags

9 directories, 18 files

git add .を実行後、.git/objects/ 以下に1つファイルが増えました。

git commit

% git commit -m 'add an example file'                                                                                         
[master (root-commit) dc8cc4a] add an example file
 1 file changed, 2 insertions(+)
 create mode 100644 hello.pl
% tree .git                                                                                                            
.git
├── COMMIT_EDITMSG
├── HEAD
├── config
├── description
├── hooks
│   ├── applypatch-msg.sample
│ (省略)
│   └── update.sample
├── index
├── info
│   └── exclude
├── logs
│   ├── HEAD
│   └── refs
│       └── heads
│           └── master
├── objects
│   ├── 36
│   │   └── 9b01f4c6a00c39f0362e3f6c9648c2dc178b47
│   ├── dc
│   │   └── 8cc4a05ebbb7771a46e61bfe6dcfbefb905eaa  <-- これと
│   ├── dd
│   │   └── b362c0207a67dc4d63684794a50fcdaf69a155  <-- このファイルがcommitしたら増えた!
│   ├── info
│   └── pack
└── refs
    ├── heads
    │   └── master
    └── tags

14 directories, 24 files

コミット操作により、更に2つのファイルが生成されました。 これらはGitオブジェクトと呼ばれます。

生成されたファイル(Gitオブジェクト)の中身を見てみる

% less .git/objects/36/9b01f4c6a00c39f0362e3f6c9648c2dc178b47                                                                
".git/objects/36/9b01f4c6a00c39f0362e3f6c9648c2dc178b47" may be a binary file.  See it anyway?

バイナリファイルでした

% xxd .git/objects/36/9b01f4c6a00c39f0362e3f6c9648c2dc178b47                                                        
00000000: 7801 4bca c94f 5230 3264 2828 cacc 2b51  x.K..OR02d((..+Q
00000010: 50f2 48cd c9c9 5770 cf2c 51e4 52b2 e602  P.H...Wp.,Q.R...
00000020: 0087 f508 5c

ちょっとこれでは内容がよくわからないですね。

Gitオブジェクトのフォーマットについて

実はコミットや特定の時点でのファイルを表すGitオブジェクトは、ハッシュ値に基づいたファイルとなります。 それぞれオブジェクト作成時に40文字からなるSHA-1ハッシュが計算され最初の2文字をディレクトリ、残り38文字がファイル名のファイルとなります。

例: .git/objects/36/9b01f4c6a00c39f0362e3f6c9648c2dc178b47

ハッシュ値が369b01f4c6a00c39f0362e3f6c9648c2dc178b47のとき36というディレクトリに9b01f4c6a00c39f0362e3f6c9648c2dc178b47 というファイルが作られます。

Q. Gitオブジェクトの中身はどういう変換を受けている? (普通のファイル: blob(後述)の場合)

  1. 普通のファイルの内容にヘッダーをつけて、zlibを使い圧縮されています

ヘッダー: オブジェクトタイプ + 空白 + データの長さ + ヌルバイト

Gitオブジェクトを読み取るコマンド: git cat-file

Gitオブジェクトを扱うためのgitのサブコマンドを紹介しておきます。 読み取り専用のサブコマンドがあります。

git-cat-file - Provide content or type and size information for repository objects

では実際に今回生成された3つのGitオブジェクトの内容を見てみます。 -t オプションでGitオブジェクトのタイプを表示します。

% git cat-file -t 369b01f4c6a00c39f0362e3f6c9648c2dc178b47                                                                            
blob
% git cat-file -t dc8cc4a05ebbb7771a46e61bfe6dcfbefb905eaa                                                                    
commit
% git cat-file -t ddb362c0207a67dc4d63684794a50fcdaf69a155                                                          
tree

-p オプションでもう少し詳しく見てみましょう

# blob
% git cat-file -p 369b01f4c6a00c39f0362e3f6c9648c2dc178b47                                                          
print "Hello Git!
";

# commit
% git cat-file -p dc8cc4a05ebbb7771a46e61bfe6dcfbefb905eaa                                                 
tree ddb362c0207a67dc4d63684794a50fcdaf69a155
author toricor <toriyabe@mfac.jp> 1597738778 +0900
committer toricor <toriyabe@mfac.jp> 1597738778 +0900

add an example file

# tree
% git cat-file -p ddb362c0207a67dc4d63684794a50fcdaf69a155                                               
100644 blob 369b01f4c6a00c39f0362e3f6c9648c2dc178b47    hello.pl

このようにGitオブジェクトは上に示したblob, commit, treeタイプと他にtagタイプの4つから成り立っています。

Gitオブジェクトを書き込むコマンド: git hash-object

git-hash-object - Compute object ID and optionally creates a blob from a file

git cat-file と対になるコマンドになります。Gitオブジェクトにしたいファイルのハッシュ値を計算して(-w付きなら).git/objects/以下にGitオブジェクトファイルを作成します。

Gitを実装しよう

git cat-fileとgit hash-object を理解できればgit内部のデータの格納について基本は理解したといえそうです。

参考にしたサイトはPython実装ですが、 Perlでこれらのコマンドを実装してみました。

実装のポイント

いくつかポイントを絞って実装を紹介します。

例1: SHA-1のハッシュ値を求める

Digest::SHA1モジュールのsha1_hexが使えます。

use Digest::SHA1 qw/sha1_hex/;

my $data = ...; # 適当なデータ
my $len = length($data); # データの長さ

# build a header
my $fmt = 'blob'; # commit/blob/tree/tag
my $result = "$fmt $len\x00$data";

# e.g. 369b01f4c6a00c39f0362e3f6c9648c2dc178b47
my $digest = sha1_hex($result);

例2: Gitオブジェクトを解凍してデータを確認する

  • バイナリファイルを読むのでopenの第2引数に"<:raw"を指定します
    • binmode($fh)でもいいです
  • 圧縮・解凍にはCompress::Zlibモジュールが使えます
# simple_uncompress.pl
# 適当なPerlプロジェクトを作成し簡単なスクリプトを用意しました

use Compress::Zlib qw//;

sub dump_commit {
    my ($path) = @_;
    open(my $fh, "<:raw", $path) or die $!;

    my $bufs;
    while (read $fh, my $buf, 1024) {
        $bufs .= $buf;
    }
    close $fh;

    my $uncompressed = Compress::Zlib::uncompress($bufs);
    print $uncompressed;
}

# git logした結果から適当なものを選んでcommitタイプのGitオブジェクトを見てみる
my $path = '.git/objects/8f/083b8b230e833e1ea7e679fac265ca6a422c02';
dump_commit($path);

% carton exec -- perl simple_uncompress.pl
commit 220tree 6e7c0d7b065c5bd3708c8aeb7e85c81ccffbb01d
parent 97a587d82878afd2d81d56b30d3dd9a910316b8a
author toricor <toriyabe@mfac.jp> 1596040311 +0900
committer toricor <toriyabe@mfac.jp> 1596040311 +0900

refactor HashObject

ヘッダ+コミットからなる表示が見えました!

Gitを動かそう

では先の実装ポイントを踏まえて実装したperlのスクリプトを実行してみましょう

ハッシュ値 => 内容表示 ( cat-file )

コミットを調べます

% carton exec -- perl main.pl cat-file -t 8f083b8b230e833e1ea7e679fac265ca6a422c02
commit

% carton exec -- perl main.pl cat-file -p 8f083b8b230e833e1ea7e679fac265ca6a422c02
tree 6e7c0d7b065c5bd3708c8aeb7e85c81ccffbb01d
parent 97a587d82878afd2d81d56b30d3dd9a910316b8a
author toricor <toriyabe@mfac.jp> 1596040311 +0900
committer toricor <toriyabe@mfac.jp> 1596040311 +0900

refactor HashObject

コミットの中身が表示できました

ファイル => Gitオブジェクト

適当なファイルのハッシュ値を求めます

% echo 'print 123;' > 123.pl
% carton exec -- perl main.pl hash-object -t blob 123.pl
4a8a8bc47b318a7ca83c5f739440e969fef59325

ハッシュ値を求めるだけではなくGitオブジェクトも作ってみます(ファイルはblobタイプです)

% carton exec -- perl main.pl hash-object -w 123.pl
4a8a8bc47b318a7ca83c5f739440e969fef59325
% ls .git/objects/4a/8a8bc47b318a7ca83c5f739440e969fef59325
8a8bc47b318a7ca83c5f739440e969fef59325

Gitオブジェクトが.git/objects以下に作られました

% git cat-file -t 4a8a8bc47b318a7ca83c5f739440e969fef59325
blob
% git cat-file -p 4a8a8bc47b318a7ca83c5f739440e969fef59325
print 123;

本物のgit cat-fileコマンドからもきちんとGitオブジェクトの内容が認識されているようですね！

まとめ

意外とgitは自分で作れます！

参考文献



以上の内容はhttps://tech.mobilefactory.jp/entry/2020/10/02/120000より取得しました。
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