1 Git Commit Graph Design Notes
 
   2 =============================
 
   4 Git walks the commit graph for many reasons, including:
 
   6 1. Listing and filtering commit history.
 
   7 2. Computing merge bases.
 
   9 These operations can become slow as the commit count grows. The merge
 
  10 base calculation shows up in many user-facing commands, such as 'merge-base'
 
  11 or 'status' and can take minutes to compute depending on history shape.
 
  13 There are two main costs here:
 
  15 1. Decompressing and parsing commits.
 
  16 2. Walking the entire graph to satisfy topological order constraints.
 
  18 The commit-graph file is a supplemental data structure that accelerates
 
  19 commit graph walks. If a user downgrades or disables the 'core.commitGraph'
 
  20 config setting, then the existing ODB is sufficient. The file is stored
 
  21 as "commit-graph" either in the .git/objects/info directory or in the info
 
  22 directory of an alternate.
 
  24 The commit-graph file stores the commit graph structure along with some
 
  25 extra metadata to speed up graph walks. By listing commit OIDs in
 
  26 lexicographic order, we can identify an integer position for each commit
 
  27 and refer to the parents of a commit using those integer positions. We
 
  28 use binary search to find initial commits and then use the integer
 
  29 positions for fast lookups during the walk.
 
  31 A consumer may load the following info for a commit from the graph:
 
  34 2. The list of parents, along with their integer position.
 
  37 5. The generation number (see definition below).
 
  39 Values 1-4 satisfy the requirements of parse_commit_gently().
 
  41 Define the "generation number" of a commit recursively as follows:
 
  43  * A commit with no parents (a root commit) has generation number one.
 
  45  * A commit with at least one parent has generation number one more than
 
  46    the largest generation number among its parents.
 
  48 Equivalently, the generation number of a commit A is one more than the
 
  49 length of a longest path from A to a root commit. The recursive definition
 
  50 is easier to use for computation and observing the following property:
 
  52     If A and B are commits with generation numbers N and M, respectively,
 
  53     and N <= M, then A cannot reach B. That is, we know without searching
 
  54     that B is not an ancestor of A because it is further from a root commit
 
  57     Conversely, when checking if A is an ancestor of B, then we only need
 
  58     to walk commits until all commits on the walk boundary have generation
 
  59     number at most N. If we walk commits using a priority queue seeded by
 
  60     generation numbers, then we always expand the boundary commit with highest
 
  61     generation number and can easily detect the stopping condition.
 
  63 This property can be used to significantly reduce the time it takes to
 
  64 walk commits and determine topological relationships. Without generation
 
  65 numbers, the general heuristic is the following:
 
  67     If A and B are commits with commit time X and Y, respectively, and
 
  68     X < Y, then A _probably_ cannot reach B.
 
  70 This heuristic is currently used whenever the computation is allowed to
 
  71 violate topological relationships due to clock skew (such as "git log"
 
  72 with default order), but is not used when the topological order is
 
  73 required (such as merge base calculations, "git log --graph").
 
  75 In practice, we expect some commits to be created recently and not stored
 
  76 in the commit graph. We can treat these commits as having "infinite"
 
  77 generation number and walk until reaching commits with known generation
 
  80 We use the macro GENERATION_NUMBER_INFINITY = 0xFFFFFFFF to mark commits not
 
  81 in the commit-graph file. If a commit-graph file was written by a version
 
  82 of Git that did not compute generation numbers, then those commits will
 
  83 have generation number represented by the macro GENERATION_NUMBER_ZERO = 0.
 
  85 Since the commit-graph file is closed under reachability, we can guarantee
 
  86 the following weaker condition on all commits:
 
  88     If A and B are commits with generation numbers N and M, respectively,
 
  89     and N < M, then A cannot reach B.
 
  91 Note how the strict inequality differs from the inequality when we have
 
  92 fully-computed generation numbers. Using strict inequality may result in
 
  93 walking a few extra commits, but the simplicity in dealing with commits
 
  94 with generation number *_INFINITY or *_ZERO is valuable.
 
  96 We use the macro GENERATION_NUMBER_MAX = 0x3FFFFFFF to for commits whose
 
  97 generation numbers are computed to be at least this value. We limit at
 
  98 this value since it is the largest value that can be stored in the
 
  99 commit-graph file using the 30 bits available to generation numbers. This
 
 100 presents another case where a commit can have generation number equal to
 
 106 - The commit-graph file is stored in a file named 'commit-graph' in the
 
 107   .git/objects/info directory. This could be stored in the info directory
 
 110 - The core.commitGraph config setting must be on to consume graph files.
 
 112 - The file format includes parameters for the object ID hash function,
 
 113   so a future change of hash algorithm does not require a change in format.
 
 115 - Commit grafts and replace objects can change the shape of the commit
 
 116   history. The latter can also be enabled/disabled on the fly using
 
 117   `--no-replace-objects`. This leads to difficultly storing both possible
 
 118   interpretations of a commit id, especially when computing generation
 
 119   numbers. The commit-graph will not be read or written when
 
 120   replace-objects or grafts are present.
 
 122 - Shallow clones create grafts of commits by dropping their parents. This
 
 123   leads the commit-graph to think those commits have generation number 1.
 
 124   If and when those commits are made unshallow, those generation numbers
 
 125   become invalid. Since shallow clones are intended to restrict the commit
 
 126   history to a very small set of commits, the commit-graph feature is less
 
 127   helpful for these clones, anyway. The commit-graph will not be read or
 
 128   written when shallow commits are present.
 
 133 Typically, repos grow with near-constant velocity (commits per day). Over time,
 
 134 the number of commits added by a fetch operation is much smaller than the
 
 135 number of commits in the full history. By creating a "chain" of commit-graphs,
 
 136 we enable fast writes of new commit data without rewriting the entire commit
 
 137 history -- at least, most of the time.
 
 141 A commit-graph chain uses multiple files, and we use a fixed naming convention
 
 142 to organize these files. Each commit-graph file has a name
 
 143 `$OBJDIR/info/commit-graphs/graph-{hash}.graph` where `{hash}` is the hex-
 
 144 valued hash stored in the footer of that file (which is a hash of the file's
 
 145 contents before that hash). For a chain of commit-graph files, a plain-text
 
 146 file at `$OBJDIR/info/commit-graphs/commit-graph-chain` contains the
 
 147 hashes for the files in order from "lowest" to "highest".
 
 149 For example, if the `commit-graph-chain` file contains the lines
 
 157 then the commit-graph chain looks like the following diagram:
 
 159  +-----------------------+
 
 160  |  graph-{hash2}.graph  |
 
 161  +-----------------------+
 
 163  +-----------------------+
 
 165  |  graph-{hash1}.graph  |
 
 167  +-----------------------+
 
 169  +-----------------------+
 
 173  |  graph-{hash0}.graph  |
 
 177  +-----------------------+
 
 179 Let X0 be the number of commits in `graph-{hash0}.graph`, X1 be the number of
 
 180 commits in `graph-{hash1}.graph`, and X2 be the number of commits in
 
 181 `graph-{hash2}.graph`. If a commit appears in position i in `graph-{hash2}.graph`,
 
 182 then we interpret this as being the commit in position (X0 + X1 + i), and that
 
 183 will be used as its "graph position". The commits in `graph-{hash2}.graph` use these
 
 184 positions to refer to their parents, which may be in `graph-{hash1}.graph` or
 
 185 `graph-{hash0}.graph`. We can navigate to an arbitrary commit in position j by checking
 
 186 its containment in the intervals [0, X0), [X0, X0 + X1), [X0 + X1, X0 + X1 +
 
 189 Each commit-graph file (except the base, `graph-{hash0}.graph`) contains data
 
 190 specifying the hashes of all files in the lower layers. In the above example,
 
 191 `graph-{hash1}.graph` contains `{hash0}` while `graph-{hash2}.graph` contains
 
 192 `{hash0}` and `{hash1}`.
 
 194 ## Merging commit-graph files
 
 196 If we only added a new commit-graph file on every write, we would run into a
 
 197 linear search problem through many commit-graph files.  Instead, we use a merge
 
 198 strategy to decide when the stack should collapse some number of levels.
 
 200 The diagram below shows such a collapse. As a set of new commits are added, it
 
 201 is determined by the merge strategy that the files should collapse to
 
 202 `graph-{hash1}`. Thus, the new commits, the commits in `graph-{hash2}` and
 
 203 the commits in `graph-{hash1}` should be combined into a new `graph-{hash3}`
 
 206                             +---------------------+
 
 210                             +---------------------+
 
 212  +-----------------------+  +---------------------+
 
 213  |  graph-{hash2} |->|                     |
 
 214  +-----------------------+  +---------------------+
 
 216  +-----------------------+  +---------------------+
 
 218  |  graph-{hash1} |->|                     |
 
 220  +-----------------------+  +---------------------+
 
 222  +-----------------------+
 
 230  +-----------------------+
 
 232 During this process, the commits to write are combined, sorted and we write the
 
 233 contents to a temporary file, all while holding a `commit-graph-chain.lock`
 
 234 lock-file.  When the file is flushed, we rename it to `graph-{hash3}`
 
 235 according to the computed `{hash3}`. Finally, we write the new chain data to
 
 236 `commit-graph-chain.lock`:
 
 243 We then close the lock-file.
 
 247 When writing a set of commits that do not exist in the commit-graph stack of
 
 248 height N, we default to creating a new file at level N + 1. We then decide to
 
 249 merge with the Nth level if one of two conditions hold:
 
 251   1. `--size-multiple=<X>` is specified or X = 2, and the number of commits in
 
 252      level N is less than X times the number of commits in level N + 1.
 
 254   2. `--max-commits=<C>` is specified with non-zero C and the number of commits
 
 255      in level N + 1 is more than C commits.
 
 257 This decision cascades down the levels: when we merge a level we create a new
 
 258 set of commits that then compares to the next level.
 
 260 The first condition bounds the number of levels to be logarithmic in the total
 
 261 number of commits.  The second condition bounds the total number of commits in
 
 262 a `graph-{hashN}` file and not in the `commit-graph` file, preventing
 
 263 significant performance issues when the stack merges and another process only
 
 264 partially reads the previous stack.
 
 266 The merge strategy values (2 for the size multiple, 64,000 for the maximum
 
 267 number of commits) could be extracted into config settings for full
 
 270 ## Deleting graph-{hash} files
 
 272 After a new tip file is written, some `graph-{hash}` files may no longer
 
 273 be part of a chain. It is important to remove these files from disk, eventually.
 
 274 The main reason to delay removal is that another process could read the
 
 275 `commit-graph-chain` file before it is rewritten, but then look for the
 
 276 `graph-{hash}` files after they are deleted.
 
 278 To allow holding old split commit-graphs for a while after they are unreferenced,
 
 279 we update the modified times of the files when they become unreferenced. Then,
 
 280 we scan the `$OBJDIR/info/commit-graphs/` directory for `graph-{hash}`
 
 281 files whose modified times are older than a given expiry window. This window
 
 282 defaults to zero, but can be changed using command-line arguments or a config
 
 285 ## Chains across multiple object directories
 
 287 In a repo with alternates, we look for the `commit-graph-chain` file starting
 
 288 in the local object directory and then in each alternate. The first file that
 
 289 exists defines our chain. As we look for the `graph-{hash}` files for
 
 290 each `{hash}` in the chain file, we follow the same pattern for the host
 
 293 This allows commit-graphs to be split across multiple forks in a fork network.
 
 294 The typical case is a large "base" repo with many smaller forks.
 
 296 As the base repo advances, it will likely update and merge its commit-graph
 
 297 chain more frequently than the forks. If a fork updates their commit-graph after
 
 298 the base repo, then it should "reparent" the commit-graph chain onto the new
 
 299 chain in the base repo. When reading each `graph-{hash}` file, we track
 
 300 the object directory containing it. During a write of a new commit-graph file,
 
 301 we check for any changes in the source object directory and read the
 
 302 `commit-graph-chain` file for that source and create a new file based on those
 
 303 files. During this "reparent" operation, we necessarily need to collapse all
 
 304 levels in the fork, as all of the files are invalid against the new base file.
 
 306 It is crucial to be careful when cleaning up "unreferenced" `graph-{hash}.graph`
 
 307 files in this scenario. It falls to the user to define the proper settings for
 
 308 their custom environment:
 
 310  1. When merging levels in the base repo, the unreferenced files may still be
 
 311     referenced by chains from fork repos.
 
 313  2. The expiry time should be set to a length of time such that every fork has
 
 314     time to recompute their commit-graph chain to "reparent" onto the new base
 
 317  3. If the commit-graph chain is updated in the base, the fork will not have
 
 318     access to the new chain until its chain is updated to reference those files.
 
 319     (This may change in the future [5].)
 
 323 [0] https://bugs.chromium.org/p/git/issues/detail?id=8
 
 324     Chromium work item for: Serialized Commit Graph
 
 326 [1] https://lore.kernel.org/git/20110713070517.GC18566@sigill.intra.peff.net/
 
 327     An abandoned patch that introduced generation numbers.
 
 329 [2] https://lore.kernel.org/git/20170908033403.q7e6dj7benasrjes@sigill.intra.peff.net/
 
 330     Discussion about generation numbers on commits and how they interact
 
 333 [3] https://lore.kernel.org/git/20170908034739.4op3w4f2ma5s65ku@sigill.intra.peff.net/
 
 334     More discussion about generation numbers and not storing them inside
 
 335     commit objects. A valuable quote:
 
 337     "I think we should be moving more in the direction of keeping
 
 338      repo-local caches for optimizations. Reachability bitmaps have been
 
 339      a big performance win. I think we should be doing the same with our
 
 340      properties of commits. Not just generation numbers, but making it
 
 341      cheap to access the graph structure without zlib-inflating whole
 
 342      commit objects (i.e., packv4 or something like the "metapacks" I
 
 343      proposed a few years ago)."
 
 345 [4] https://lore.kernel.org/git/20180108154822.54829-1-git@jeffhostetler.com/T/#u
 
 346     A patch to remove the ahead-behind calculation from 'status'.
 
 348 [5] https://lore.kernel.org/git/f27db281-abad-5043-6d71-cbb083b1c877@gmail.com/
 
 349     A discussion of a "two-dimensional graph position" that can allow reading
 
 350     multiple commit-graph chains at the same time.