Medium 好讀版點此。

講到「分支」的時候，大家腦中浮現的是什麼畫面？

是不是類似這樣：

但在 git 內部，分支並不是這樣運作的，並沒有「一個一個 commit 連線成分支」這種結構，所謂 main、feature 這些分支名稱其實都是在不同 commit 之間移動的「參考（references，簡稱 refs）」，其相關資訊都儲存在 .git/refs/ 資料夾中。

「分支」的本質：直接從 ./git/refs 觀察

現在讓我們回顧《Day 6－上層瓷器指令複習（本地端分支管理）》的部分操作，觀察下這些指令後，.git/ 資料夾發生的變化。

觀察的對象包含：

.git/
├── hooks/
├── info/
├── objects/
├── refs/
│   ├── heads/      # 觀察這個資料夾
│   └── tags/
│
├── config
├── description
└── HEAD            # 觀察這個檔案

在經過 git init 指令後，預設的分支只有 master 或 main（我們的範例用 main），而當沒有任何 commit 時，資料夾結構長這樣：

.git/
├── ...
├── refs/
│   ├── heads/      # 空
│   └── tags/
│
├── ...
└── HEAD            # ref: refs/heads/main

而當形成第一個 commit 之後，變成：

.git/
├── ...
├── refs/
│   ├── heads/      # 跑出一個main檔案
│   │    └── main   # 內容為87a047450366235cfc5afa5d9f11463b6b17c067
│   └── tags/
│
├── ...
└── HEAD            # 一樣為ref: refs/heads/main

.refs/heads/ 資料夾多了一個 main 檔案，內容為 87a0474... ，跟用 git log 看到剛剛 commit 的雜湊碼一樣：

至於那個 HEAD 是什麼？資料夾中的 HEAD 檔案寫著 ref: refs/heads/main，透過 git log 則顯示 HEAD -> main，兩者看起來有一些關聯。

HEAD

HEAD 本身其實是「指向另外一個參考的參考（reference to another reference）」，表示「當下在哪個分支上」，所以 HEAD 裡面寫 ref: refs/heads/main 會造就 git log 跑出 HEAD -> main，表示「目前在 main 分支上。

結合剛剛的 main 參考與 HEAD 參考，整體結構可透過下圖理解：

由於 HEAD 本身就是一個參考，而它指的對象 main 也是一個參考，因此說 HEAD 是「指向另外一個參考的參考」。

新增 & 切換分支觀察

我們再透過 git branch 做出新分支 featureA 與 featureB，則 ./git 資料夾變成這樣：

.git/
├── ...
├── refs/
│   ├── heads/          # 新建什麼分支，這裡就多了以該分支為名的檔案
│   │    └── main       # 內容為87a047450366235cfc5afa5d9f11463b6b17c067
│   │    └── featureA   # 內容為87a047450366235cfc5afa5d9f11463b6b17c067
│   │    └── featureB   # 內容為87a047450366235cfc5afa5d9f11463b6b17c067
│   └── tags/
│
├── ...
└── HEAD                # 一樣為ref: refs/heads/main

看來 main、featureA 與 featureB 都指向 87a0474... 這個 commit，而 HEAD 檔案為 ref: refs/heads/main，表示現在在 main 這個分支上，圖示如下：

經過 git switch 改變分支，其實就是在改變 HEAD 指的對象，例如透過以下指令：

git switch featureA

則 .git/ 資料夾結構變成：

.git/
├── ...
├── refs/
│   ├── heads/          # 沒新建分支，因此裡面的檔案不變
│   │    └── main       # 依然為87a047450366235cfc5afa5d9f11463b6b17c067
│   │    └── featureA   # 依然為87a047450366235cfc5afa5d9f11463b6b17c067
│   │    └── featureB   # 依然為87a047450366235cfc5afa5d9f11463b6b17c067
│   └── tags/
│
├── ...
└── HEAD                # 變成ref: refs/heads/featureA

圖示如下：

如果再輸入以下指令切換到 featureB 分支：

git switch featureA

則 .git/ 資料夾變成：

.git/
├── ...
├── refs/
│   ├── heads/          # 這裡一樣沒有變化
│   │    └── main       # 依然為87a047450366235cfc5afa5d9f11463b6b17c067
│   │    └── featureA   # 依然為87a047450366235cfc5afa5d9f11463b6b17c067
│   │    └── featureB   # 依然為87a047450366235cfc5afa5d9f11463b6b17c067
│   └── tags/
│
├── ...
└── HEAD                # 變成ref: refs/heads/featureB

圖示如下：

在不同分支上新建 commit 觀察

現在我們在 featureA 分支上建立一個新 commit，再下一次 git log 指令會觀察到什麼？

接著觀察資料夾結構：

.git/
├── ...
├── refs/
│   ├── heads/
│   │    └── main       # 依然為87a047450366235cfc5afa5d9f11463b6b17c067
│   │    └── featureA   # 變成67250cdc18cc049fb57d83abcc2eb691cc5d860f
│   │    └── featureB   # 依然為87a047450366235cfc5afa5d9f11463b6b17c067
│   └── tags/
│
├── ...
└── HEAD                # 在main分支上時為ref: refs/heads/main
                        # 在featureA分支上時為ref: refs/heads/featureA
                        # 在featureB分支上時為ref: refs/heads/featureB

在 featureA 多了一個 commit 後，refs/heads/featureA 指向那個新的 commit 67250cd...，refs/heads/main 跟 refs/heads/featureB 都不變。

而透過 git switch 切換分支，會改變 HEAD 檔案的內容，導致 git log 出來的結果跟著改變，但不變的原則是：

• HEAD：始終指向當下所在的分支。
• main、featureA、featureB：始終指向該分支上最新的 commit，圖示如下：

那如果在不同分支上都新建一個 commit，會發生什麼事？

情境一：在 featureA 分支新增一個 commit：

因為是在 featureA 分支上新增一個 commit，featureA 標籤會移到該分支最新的 commit 8a4de7e... 上，而 HEAD 指向當前分支，因此會隨 featureA 這個參考移動：

.git/
├── ...
├── refs/
│   ├── heads/
│   │    └── main       # 依然為87a047450366235cfc5afa5d9f11463b6b17c067
│   │    └── featureA   # 變成8a4de7e7cb983354be514221ba78c5fcf8534152
│   │    └── featureB   # 依然為87a047450366235cfc5afa5d9f11463b6b17c067
│   └── tags/
│
├── ...
└── HEAD                # ref: refs/heads/featureA

情境二：在 main 分支新增一個 commit：

切換回 main 分支，並在 main 分支上新增一個 commit 後，以 git log 指令檢查會發現，main 這項參考移動到該分支的最新 commit 530c49a... 上，而因為 HEAD 會指向當前分支 main，所以也會跟著移動：

.git/
├── ...
├── refs/
│   ├── heads/
│   │    └── main       # 530c49adabe0faacc6a6f429358110b123dd5dd4
│   │    └── featureA   # 8a4de7e7cb983354be514221ba78c5fcf8534152
│   │    └── featureB   # 87a047450366235cfc5afa5d9f11463b6b17c067
│   └── tags/
│
├── ...
└── HEAD                # ref: refs/heads/main

情境三：在 featureB 分支新增一個 commit：

切換到 featureB 分支新建一個 commit，跟剛剛在 main 分支上新建 commit 效果相同：

.git/
├── ...
├── refs/
│   ├── heads/
│   │    └── main       # 530c49adabe0faacc6a6f429358110b123dd5dd4
│   │    └── featureA   # 8a4de7e7cb983354be514221ba78c5fcf8534152
│   │    └── featureB   # 271c26d3a74da11d09d9a28db56318f46592a140
│   └── tags/
│
├── ...
└── HEAD                # ref: refs/heads/featureB

小結

在這篇文章中，我們探究了 .git/ 資料夾中的 refs/heads/ 資料夾與 HEAD 檔案，整理出以下兩大重點：

1. refs/heads：存放分支的名字，每個分支內容為該分支上最新 commit 的雜湊碼，代表指向對應分支上的最新 commit。
2. HEAD：寫著當下所在的分支。

簡單來說，兩者都是「參考」，或者可以想成指標（pointer），分支的名字指向對應分支的最新 commit、HEAD 則指向當下所在的分支名稱。

參考資料

1. Git Internals - Branches
2. 10.3 Git Internals - Git References