Merge branch 'cb/makefile-apple-clang' into maint
[git/debian.git] / Documentation / technical / pack-format.txt
blob8d2f42f29e58cd32930e2953d2b1599eff022c92
1 Git pack format
2 ===============
4 == Checksums and object IDs
6 In a repository using the traditional SHA-1, pack checksums, index checksums,
7 and object IDs (object names) mentioned below are all computed using SHA-1.
8 Similarly, in SHA-256 repositories, these values are computed using SHA-256.
10 == pack-*.pack files have the following format:
12    - A header appears at the beginning and consists of the following:
14      4-byte signature:
15          The signature is: {'P', 'A', 'C', 'K'}
17      4-byte version number (network byte order):
18          Git currently accepts version number 2 or 3 but
19          generates version 2 only.
21      4-byte number of objects contained in the pack (network byte order)
23      Observation: we cannot have more than 4G versions ;-) and
24      more than 4G objects in a pack.
26    - The header is followed by number of object entries, each of
27      which looks like this:
29      (undeltified representation)
30      n-byte type and length (3-bit type, (n-1)*7+4-bit length)
31      compressed data
33      (deltified representation)
34      n-byte type and length (3-bit type, (n-1)*7+4-bit length)
35      base object name if OBJ_REF_DELTA or a negative relative
36          offset from the delta object's position in the pack if this
37          is an OBJ_OFS_DELTA object
38      compressed delta data
40      Observation: length of each object is encoded in a variable
41      length format and is not constrained to 32-bit or anything.
43   - The trailer records a pack checksum of all of the above.
45 === Object types
47 Valid object types are:
49 - OBJ_COMMIT (1)
50 - OBJ_TREE (2)
51 - OBJ_BLOB (3)
52 - OBJ_TAG (4)
53 - OBJ_OFS_DELTA (6)
54 - OBJ_REF_DELTA (7)
56 Type 5 is reserved for future expansion. Type 0 is invalid.
58 === Size encoding
60 This document uses the following "size encoding" of non-negative
61 integers: From each byte, the seven least significant bits are
62 used to form the resulting integer. As long as the most significant
63 bit is 1, this process continues; the byte with MSB 0 provides the
64 last seven bits.  The seven-bit chunks are concatenated. Later
65 values are more significant.
67 This size encoding should not be confused with the "offset encoding",
68 which is also used in this document.
70 === Deltified representation
72 Conceptually there are only four object types: commit, tree, tag and
73 blob. However to save space, an object could be stored as a "delta" of
74 another "base" object. These representations are assigned new types
75 ofs-delta and ref-delta, which is only valid in a pack file.
77 Both ofs-delta and ref-delta store the "delta" to be applied to
78 another object (called 'base object') to reconstruct the object. The
79 difference between them is, ref-delta directly encodes base object
80 name. If the base object is in the same pack, ofs-delta encodes
81 the offset of the base object in the pack instead.
83 The base object could also be deltified if it's in the same pack.
84 Ref-delta can also refer to an object outside the pack (i.e. the
85 so-called "thin pack"). When stored on disk however, the pack should
86 be self contained to avoid cyclic dependency.
88 The delta data starts with the size of the base object and the
89 size of the object to be reconstructed. These sizes are
90 encoded using the size encoding from above.  The remainder of
91 the delta data is a sequence of instructions to reconstruct the object
92 from the base object. If the base object is deltified, it must be
93 converted to canonical form first. Each instruction appends more and
94 more data to the target object until it's complete. There are two
95 supported instructions so far: one for copy a byte range from the
96 source object and one for inserting new data embedded in the
97 instruction itself.
99 Each instruction has variable length. Instruction type is determined
100 by the seventh bit of the first octet. The following diagrams follow
101 the convention in RFC 1951 (Deflate compressed data format).
103 ==== Instruction to copy from base object
105   +----------+---------+---------+---------+---------+-------+-------+-------+
106   | 1xxxxxxx | offset1 | offset2 | offset3 | offset4 | size1 | size2 | size3 |
107   +----------+---------+---------+---------+---------+-------+-------+-------+
109 This is the instruction format to copy a byte range from the source
110 object. It encodes the offset to copy from and the number of bytes to
111 copy. Offset and size are in little-endian order.
113 All offset and size bytes are optional. This is to reduce the
114 instruction size when encoding small offsets or sizes. The first seven
115 bits in the first octet determines which of the next seven octets is
116 present. If bit zero is set, offset1 is present. If bit one is set
117 offset2 is present and so on.
119 Note that a more compact instruction does not change offset and size
120 encoding. For example, if only offset2 is omitted like below, offset3
121 still contains bits 16-23. It does not become offset2 and contains
122 bits 8-15 even if it's right next to offset1.
124   +----------+---------+---------+
125   | 10000101 | offset1 | offset3 |
126   +----------+---------+---------+
128 In its most compact form, this instruction only takes up one byte
129 (0x80) with both offset and size omitted, which will have default
130 values zero. There is another exception: size zero is automatically
131 converted to 0x10000.
133 ==== Instruction to add new data
135   +----------+============+
136   | 0xxxxxxx |    data    |
137   +----------+============+
139 This is the instruction to construct target object without the base
140 object. The following data is appended to the target object. The first
141 seven bits of the first octet determines the size of data in
142 bytes. The size must be non-zero.
144 ==== Reserved instruction
146   +----------+============
147   | 00000000 |
148   +----------+============
150 This is the instruction reserved for future expansion.
152 == Original (version 1) pack-*.idx files have the following format:
154   - The header consists of 256 4-byte network byte order
155     integers.  N-th entry of this table records the number of
156     objects in the corresponding pack, the first byte of whose
157     object name is less than or equal to N.  This is called the
158     'first-level fan-out' table.
160   - The header is followed by sorted 24-byte entries, one entry
161     per object in the pack.  Each entry is:
163     4-byte network byte order integer, recording where the
164     object is stored in the packfile as the offset from the
165     beginning.
167     one object name of the appropriate size.
169   - The file is concluded with a trailer:
171     A copy of the pack checksum at the end of the corresponding
172     packfile.
174     Index checksum of all of the above.
176 Pack Idx file:
178         --  +--------------------------------+
179 fanout      | fanout[0] = 2 (for example)    |-.
180 table       +--------------------------------+ |
181             | fanout[1]                      | |
182             +--------------------------------+ |
183             | fanout[2]                      | |
184             ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ |
185             | fanout[255] = total objects    |---.
186         --  +--------------------------------+ | |
187 main        | offset                         | | |
188 index       | object name 00XXXXXXXXXXXXXXXX | | |
189 table       +--------------------------------+ | |
190             | offset                         | | |
191             | object name 00XXXXXXXXXXXXXXXX | | |
192             +--------------------------------+<+ |
193           .-| offset                         |   |
194           | | object name 01XXXXXXXXXXXXXXXX |   |
195           | +--------------------------------+   |
196           | | offset                         |   |
197           | | object name 01XXXXXXXXXXXXXXXX |   |
198           | ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~   |
199           | | offset                         |   |
200           | | object name FFXXXXXXXXXXXXXXXX |   |
201         --| +--------------------------------+<--+
202 trailer   | | packfile checksum              |
203           | +--------------------------------+
204           | | idxfile checksum               |
205           | +--------------------------------+
206           .-------.
207                   |
208 Pack file entry: <+
210      packed object header:
211         1-byte size extension bit (MSB)
212                type (next 3 bit)
213                size0 (lower 4-bit)
214         n-byte sizeN (as long as MSB is set, each 7-bit)
215                 size0..sizeN form 4+7+7+..+7 bit integer, size0
216                 is the least significant part, and sizeN is the
217                 most significant part.
218      packed object data:
219         If it is not DELTA, then deflated bytes (the size above
220                 is the size before compression).
221         If it is REF_DELTA, then
222           base object name (the size above is the
223                 size of the delta data that follows).
224           delta data, deflated.
225         If it is OFS_DELTA, then
226           n-byte offset (see below) interpreted as a negative
227                 offset from the type-byte of the header of the
228                 ofs-delta entry (the size above is the size of
229                 the delta data that follows).
230           delta data, deflated.
232      offset encoding:
233           n bytes with MSB set in all but the last one.
234           The offset is then the number constructed by
235           concatenating the lower 7 bit of each byte, and
236           for n >= 2 adding 2^7 + 2^14 + ... + 2^(7*(n-1))
237           to the result.
241 == Version 2 pack-*.idx files support packs larger than 4 GiB, and
242    have some other reorganizations.  They have the format:
244   - A 4-byte magic number '\377tOc' which is an unreasonable
245     fanout[0] value.
247   - A 4-byte version number (= 2)
249   - A 256-entry fan-out table just like v1.
251   - A table of sorted object names.  These are packed together
252     without offset values to reduce the cache footprint of the
253     binary search for a specific object name.
255   - A table of 4-byte CRC32 values of the packed object data.
256     This is new in v2 so compressed data can be copied directly
257     from pack to pack during repacking without undetected
258     data corruption.
260   - A table of 4-byte offset values (in network byte order).
261     These are usually 31-bit pack file offsets, but large
262     offsets are encoded as an index into the next table with
263     the msbit set.
265   - A table of 8-byte offset entries (empty for pack files less
266     than 2 GiB).  Pack files are organized with heavily used
267     objects toward the front, so most object references should
268     not need to refer to this table.
270   - The same trailer as a v1 pack file:
272     A copy of the pack checksum at the end of
273     corresponding packfile.
275     Index checksum of all of the above.
277 == pack-*.rev files have the format:
279   - A 4-byte magic number '0x52494458' ('RIDX').
281   - A 4-byte version identifier (= 1).
283   - A 4-byte hash function identifier (= 1 for SHA-1, 2 for SHA-256).
285   - A table of index positions (one per packed object, num_objects in
286     total, each a 4-byte unsigned integer in network order), sorted by
287     their corresponding offsets in the packfile.
289   - A trailer, containing a:
291     checksum of the corresponding packfile, and
293     a checksum of all of the above.
295 All 4-byte numbers are in network order.
297 == multi-pack-index (MIDX) files have the following format:
299 The multi-pack-index files refer to multiple pack-files and loose objects.
301 In order to allow extensions that add extra data to the MIDX, we organize
302 the body into "chunks" and provide a lookup table at the beginning of the
303 body. The header includes certain length values, such as the number of packs,
304 the number of base MIDX files, hash lengths and types.
306 All 4-byte numbers are in network order.
308 HEADER:
310         4-byte signature:
311             The signature is: {'M', 'I', 'D', 'X'}
313         1-byte version number:
314             Git only writes or recognizes version 1.
316         1-byte Object Id Version
317             We infer the length of object IDs (OIDs) from this value:
318                 1 => SHA-1
319                 2 => SHA-256
320             If the hash type does not match the repository's hash algorithm,
321             the multi-pack-index file should be ignored with a warning
322             presented to the user.
324         1-byte number of "chunks"
326         1-byte number of base multi-pack-index files:
327             This value is currently always zero.
329         4-byte number of pack files
331 CHUNK LOOKUP:
333         (C + 1) * 12 bytes providing the chunk offsets:
334             First 4 bytes describe chunk id. Value 0 is a terminating label.
335             Other 8 bytes provide offset in current file for chunk to start.
336             (Chunks are provided in file-order, so you can infer the length
337             using the next chunk position if necessary.)
339         The CHUNK LOOKUP matches the table of contents from
340         link:technical/chunk-format.html[the chunk-based file format].
342         The remaining data in the body is described one chunk at a time, and
343         these chunks may be given in any order. Chunks are required unless
344         otherwise specified.
346 CHUNK DATA:
348         Packfile Names (ID: {'P', 'N', 'A', 'M'})
349             Stores the packfile names as concatenated, null-terminated strings.
350             Packfiles must be listed in lexicographic order for fast lookups by
351             name. This is the only chunk not guaranteed to be a multiple of four
352             bytes in length, so should be the last chunk for alignment reasons.
354         OID Fanout (ID: {'O', 'I', 'D', 'F'})
355             The ith entry, F[i], stores the number of OIDs with first
356             byte at most i. Thus F[255] stores the total
357             number of objects.
359         OID Lookup (ID: {'O', 'I', 'D', 'L'})
360             The OIDs for all objects in the MIDX are stored in lexicographic
361             order in this chunk.
363         Object Offsets (ID: {'O', 'O', 'F', 'F'})
364             Stores two 4-byte values for every object.
365             1: The pack-int-id for the pack storing this object.
366             2: The offset within the pack.
367                 If all offsets are less than 2^32, then the large offset chunk
368                 will not exist and offsets are stored as in IDX v1.
369                 If there is at least one offset value larger than 2^32-1, then
370                 the large offset chunk must exist, and offsets larger than
371                 2^31-1 must be stored in it instead. If the large offset chunk
372                 exists and the 31st bit is on, then removing that bit reveals
373                 the row in the large offsets containing the 8-byte offset of
374                 this object.
376         [Optional] Object Large Offsets (ID: {'L', 'O', 'F', 'F'})
377             8-byte offsets into large packfiles.
379 TRAILER:
381         Index checksum of the above contents.
383 == multi-pack-index reverse indexes
385 Similar to the pack-based reverse index, the multi-pack index can also
386 be used to generate a reverse index.
388 Instead of mapping between offset, pack-, and index position, this
389 reverse index maps between an object's position within the MIDX, and
390 that object's position within a pseudo-pack that the MIDX describes
391 (i.e., the ith entry of the multi-pack reverse index holds the MIDX
392 position of ith object in pseudo-pack order).
394 To clarify the difference between these orderings, consider a multi-pack
395 reachability bitmap (which does not yet exist, but is what we are
396 building towards here). Each bit needs to correspond to an object in the
397 MIDX, and so we need an efficient mapping from bit position to MIDX
398 position.
400 One solution is to let bits occupy the same position in the oid-sorted
401 index stored by the MIDX. But because oids are effectively random, their
402 resulting reachability bitmaps would have no locality, and thus compress
403 poorly. (This is the reason that single-pack bitmaps use the pack
404 ordering, and not the .idx ordering, for the same purpose.)
406 So we'd like to define an ordering for the whole MIDX based around
407 pack ordering, which has far better locality (and thus compresses more
408 efficiently). We can think of a pseudo-pack created by the concatenation
409 of all of the packs in the MIDX. E.g., if we had a MIDX with three packs
410 (a, b, c), with 10, 15, and 20 objects respectively, we can imagine an
411 ordering of the objects like:
413     |a,0|a,1|...|a,9|b,0|b,1|...|b,14|c,0|c,1|...|c,19|
415 where the ordering of the packs is defined by the MIDX's pack list,
416 and then the ordering of objects within each pack is the same as the
417 order in the actual packfile.
419 Given the list of packs and their counts of objects, you can
420 naïvely reconstruct that pseudo-pack ordering (e.g., the object at
421 position 27 must be (c,1) because packs "a" and "b" consumed 25 of the
422 slots). But there's a catch. Objects may be duplicated between packs, in
423 which case the MIDX only stores one pointer to the object (and thus we'd
424 want only one slot in the bitmap).
426 Callers could handle duplicates themselves by reading objects in order
427 of their bit-position, but that's linear in the number of objects, and
428 much too expensive for ordinary bitmap lookups. Building a reverse index
429 solves this, since it is the logical inverse of the index, and that
430 index has already removed duplicates. But, building a reverse index on
431 the fly can be expensive. Since we already have an on-disk format for
432 pack-based reverse indexes, let's reuse it for the MIDX's pseudo-pack,
433 too.
435 Objects from the MIDX are ordered as follows to string together the
436 pseudo-pack. Let `pack(o)` return the pack from which `o` was selected
437 by the MIDX, and define an ordering of packs based on their numeric ID
438 (as stored by the MIDX). Let `offset(o)` return the object offset of `o`
439 within `pack(o)`. Then, compare `o1` and `o2` as follows:
441   - If one of `pack(o1)` and `pack(o2)` is preferred and the other
442     is not, then the preferred one sorts first.
444 (This is a detail that allows the MIDX bitmap to determine which
445 pack should be used by the pack-reuse mechanism, since it can ask
446 the MIDX for the pack containing the object at bit position 0).
448   - If `pack(o1) ≠ pack(o2)`, then sort the two objects in descending
449     order based on the pack ID.
451   - Otherwise, `pack(o1) = pack(o2)`, and the objects are sorted in
452     pack-order (i.e., `o1` sorts ahead of `o2` exactly when `offset(o1)
453     < offset(o2)`).
455 In short, a MIDX's pseudo-pack is the de-duplicated concatenation of
456 objects in packs stored by the MIDX, laid out in pack order, and the
457 packs arranged in MIDX order (with the preferred pack coming first).
459 Finally, note that the MIDX's reverse index is not stored as a chunk in
460 the multi-pack-index itself. This is done because the reverse index
461 includes the checksum of the pack or MIDX to which it belongs, which
462 makes it impossible to write in the MIDX. To avoid races when rewriting
463 the MIDX, a MIDX reverse index includes the MIDX's checksum in its
464 filename (e.g., `multi-pack-index-xyz.rev`).