Merge branch 'l10n/zh_TW/210301' of github.com:l10n-tw/git-po
[git] / Documentation / technical / reftable.txt
1 reftable
2 --------
3
4 Overview
5 ~~~~~~~~
6
7 Problem statement
8 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
9
10 Some repositories contain a lot of references (e.g. android at 866k,
11 rails at 31k). The existing packed-refs format takes up a lot of space
12 (e.g. 62M), and does not scale with additional references. Lookup of a
13 single reference requires linearly scanning the file.
14
15 Atomic pushes modifying multiple references require copying the entire
16 packed-refs file, which can be a considerable amount of data moved
17 (e.g. 62M in, 62M out) for even small transactions (2 refs modified).
18
19 Repositories with many loose references occupy a large number of disk
20 blocks from the local file system, as each reference is its own file
21 storing 41 bytes (and another file for the corresponding reflog). This
22 negatively affects the number of inodes available when a large number of
23 repositories are stored on the same filesystem. Readers can be penalized
24 due to the larger number of syscalls required to traverse and read the
25 `$GIT_DIR/refs` directory.
26
27
28 Objectives
29 ^^^^^^^^^^
30
31 * Near constant time lookup for any single reference, even when the
32 repository is cold and not in process or kernel cache.
33 * Near constant time verification if an object name is referred to by at least
34 one reference (for allow-tip-sha1-in-want).
35 * Efficient enumeration of an entire namespace, such as `refs/tags/`.
36 * Support atomic push with `O(size_of_update)` operations.
37 * Combine reflog storage with ref storage for small transactions.
38 * Separate reflog storage for base refs and historical logs.
39
40 Description
41 ^^^^^^^^^^^
42
43 A reftable file is a portable binary file format customized for
44 reference storage. References are sorted, enabling linear scans, binary
45 search lookup, and range scans.
46
47 Storage in the file is organized into variable sized blocks. Prefix
48 compression is used within a single block to reduce disk space. Block
49 size and alignment is tunable by the writer.
50
51 Performance
52 ^^^^^^^^^^^
53
54 Space used, packed-refs vs. reftable:
55
56 [cols=",>,>,>,>,>",options="header",]
57 |===============================================================
58 |repository |packed-refs |reftable |% original |avg ref |avg obj
59 |android |62.2 M |36.1 M |58.0% |33 bytes |5 bytes
60 |rails |1.8 M |1.1 M |57.7% |29 bytes |4 bytes
61 |git |78.7 K |48.1 K |61.0% |50 bytes |4 bytes
62 |git (heads) |332 b |269 b |81.0% |33 bytes |0 bytes
63 |===============================================================
64
65 Scan (read 866k refs), by reference name lookup (single ref from 866k
66 refs), and by SHA-1 lookup (refs with that SHA-1, from 866k refs):
67
68 [cols=",>,>,>,>",options="header",]
69 |=========================================================
70 |format |cache |scan |by name |by SHA-1
71 |packed-refs |cold |402 ms |409,660.1 usec |412,535.8 usec
72 |packed-refs |hot | |6,844.6 usec |20,110.1 usec
73 |reftable |cold |112 ms |33.9 usec |323.2 usec
74 |reftable |hot | |20.2 usec |320.8 usec
75 |=========================================================
76
77 Space used for 149,932 log entries for 43,061 refs, reflog vs. reftable:
78
79 [cols=",>,>",options="header",]
80 |================================
81 |format |size |avg entry
82 |$GIT_DIR/logs |173 M |1209 bytes
83 |reftable |5 M |37 bytes
84 |================================
85
86 Details
87 ~~~~~~~
88
89 Peeling
90 ^^^^^^^
91
92 References stored in a reftable are peeled, a record for an annotated
93 (or signed) tag records both the tag object, and the object it refers
94 to. This is analogous to storage in the packed-refs format.
95
96 Reference name encoding
97 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
98
99 Reference names are an uninterpreted sequence of bytes that must pass
100 linkgit:git-check-ref-format[1] as a valid reference name.
101
102 Key unicity
103 ^^^^^^^^^^^
104
105 Each entry must have a unique key; repeated keys are disallowed.
106
107 Network byte order
108 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^
109
110 All multi-byte, fixed width fields are in network byte order.
111
112 Varint encoding
113 ^^^^^^^^^^^^^^^
114
115 Varint encoding is identical to the ofs-delta encoding method used
116 within pack files.
117
118 Decoder works such as:
119
120 ....
121 val = buf[ptr] & 0x7f
122 while (buf[ptr] & 0x80) {
123   ptr++
124   val = ((val + 1) << 7) | (buf[ptr] & 0x7f)
125 }
126 ....
127
128 Ordering
129 ^^^^^^^^
130
131 Blocks are lexicographically ordered by their first reference.
132
133 Directory/file conflicts
134 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
135
136 The reftable format accepts both `refs/heads/foo` and
137 `refs/heads/foo/bar` as distinct references.
138
139 This property is useful for retaining log records in reftable, but may
140 confuse versions of Git using `$GIT_DIR/refs` directory tree to maintain
141 references. Users of reftable may choose to continue to reject `foo` and
142 `foo/bar` type conflicts to prevent problems for peers.
143
144 File format
145 ~~~~~~~~~~~
146
147 Structure
148 ^^^^^^^^^
149
150 A reftable file has the following high-level structure:
151
152 ....
153 first_block {
154   header
155   first_ref_block
156 }
157 ref_block*
158 ref_index*
159 obj_block*
160 obj_index*
161 log_block*
162 log_index*
163 footer
164 ....
165
166 A log-only file omits the `ref_block`, `ref_index`, `obj_block` and
167 `obj_index` sections, containing only the file header and log block:
168
169 ....
170 first_block {
171   header
172 }
173 log_block*
174 log_index*
175 footer
176 ....
177
178 in a log-only file the first log block immediately follows the file
179 header, without padding to block alignment.
180
181 Block size
182 ^^^^^^^^^^
183
184 The file's block size is arbitrarily determined by the writer, and does
185 not have to be a power of 2. The block size must be larger than the
186 longest reference name or log entry used in the repository, as
187 references cannot span blocks.
188
189 Powers of two that are friendly to the virtual memory system or
190 filesystem (such as 4k or 8k) are recommended. Larger sizes (64k) can
191 yield better compression, with a possible increased cost incurred by
192 readers during access.
193
194 The largest block size is `16777215` bytes (15.99 MiB).
195
196 Block alignment
197 ^^^^^^^^^^^^^^^
198
199 Writers may choose to align blocks at multiples of the block size by
200 including `padding` filled with NUL bytes at the end of a block to round
201 out to the chosen alignment. When alignment is used, writers must
202 specify the alignment with the file header's `block_size` field.
203
204 Block alignment is not required by the file format. Unaligned files must
205 set `block_size = 0` in the file header, and omit `padding`. Unaligned
206 files with more than one ref block must include the link:#Ref-index[ref
207 index] to support fast lookup. Readers must be able to read both aligned
208 and non-aligned files.
209
210 Very small files (e.g. a single ref block) may omit `padding` and the ref
211 index to reduce total file size.
212
213 Header (version 1)
214 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^
215
216 A 24-byte header appears at the beginning of the file:
217
218 ....
219 'REFT'
220 uint8( version_number = 1 )
221 uint24( block_size )
222 uint64( min_update_index )
223 uint64( max_update_index )
224 ....
225
226 Aligned files must specify `block_size` to configure readers with the
227 expected block alignment. Unaligned files must set `block_size = 0`.
228
229 The `min_update_index` and `max_update_index` describe bounds for the
230 `update_index` field of all log records in this file. When reftables are
231 used in a stack for link:#Update-transactions[transactions], these
232 fields can order the files such that the prior file's
233 `max_update_index + 1` is the next file's `min_update_index`.
234
235 Header (version 2)
236 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^
237
238 A 28-byte header appears at the beginning of the file:
239
240 ....
241 'REFT'
242 uint8( version_number = 2 )
243 uint24( block_size )
244 uint64( min_update_index )
245 uint64( max_update_index )
246 uint32( hash_id )
247 ....
248
249 The header is identical to `version_number=1`, with the 4-byte hash ID
250 ("sha1" for SHA1 and "s256" for SHA-256) append to the header.
251
252 For maximum backward compatibility, it is recommended to use version 1 when
253 writing SHA1 reftables.
254
255 First ref block
256 ^^^^^^^^^^^^^^^
257
258 The first ref block shares the same block as the file header, and is 24
259 bytes smaller than all other blocks in the file. The first block
260 immediately begins after the file header, at position 24.
261
262 If the first block is a log block (a log-only file), its block header
263 begins immediately at position 24.
264
265 Ref block format
266 ^^^^^^^^^^^^^^^^
267
268 A ref block is written as:
269
270 ....
271 'r'
272 uint24( block_len )
273 ref_record+
274 uint24( restart_offset )+
275 uint16( restart_count )
276
277 padding?
278 ....
279
280 Blocks begin with `block_type = 'r'` and a 3-byte `block_len` which
281 encodes the number of bytes in the block up to, but not including the
282 optional `padding`. This is always less than or equal to the file's
283 block size. In the first ref block, `block_len` includes 24 bytes for
284 the file header.
285
286 The 2-byte `restart_count` stores the number of entries in the
287 `restart_offset` list, which must not be empty. Readers can use
288 `restart_count` to binary search between restarts before starting a
289 linear scan.
290
291 Exactly `restart_count` 3-byte `restart_offset` values precedes the
292 `restart_count`. Offsets are relative to the start of the block and
293 refer to the first byte of any `ref_record` whose name has not been
294 prefix compressed. Entries in the `restart_offset` list must be sorted,
295 ascending. Readers can start linear scans from any of these records.
296
297 A variable number of `ref_record` fill the middle of the block,
298 describing reference names and values. The format is described below.
299
300 As the first ref block shares the first file block with the file header,
301 all `restart_offset` in the first block are relative to the start of the
302 file (position 0), and include the file header. This forces the first
303 `restart_offset` to be `28`.
304
305 ref record
306 ++++++++++
307
308 A `ref_record` describes a single reference, storing both the name and
309 its value(s). Records are formatted as:
310
311 ....
312 varint( prefix_length )
313 varint( (suffix_length << 3) | value_type )
314 suffix
315 varint( update_index_delta )
316 value?
317 ....
318
319 The `prefix_length` field specifies how many leading bytes of the prior
320 reference record's name should be copied to obtain this reference's
321 name. This must be 0 for the first reference in any block, and also must
322 be 0 for any `ref_record` whose offset is listed in the `restart_offset`
323 table at the end of the block.
324
325 Recovering a reference name from any `ref_record` is a simple concat:
326
327 ....
328 this_name = prior_name[0..prefix_length] + suffix
329 ....
330
331 The `suffix_length` value provides the number of bytes available in
332 `suffix` to copy from `suffix` to complete the reference name.
333
334 The `update_index` that last modified the reference can be obtained by
335 adding `update_index_delta` to the `min_update_index` from the file
336 header: `min_update_index + update_index_delta`.
337
338 The `value` follows. Its format is determined by `value_type`, one of
339 the following:
340
341 * `0x0`: deletion; no value data (see transactions, below)
342 * `0x1`: one object name; value of the ref
343 * `0x2`: two object names; value of the ref, peeled target
344 * `0x3`: symbolic reference: `varint( target_len ) target`
345
346 Symbolic references use `0x3`, followed by the complete name of the
347 reference target. No compression is applied to the target name.
348
349 Types `0x4..0x7` are reserved for future use.
350
351 Ref index
352 ^^^^^^^^^
353
354 The ref index stores the name of the last reference from every ref block
355 in the file, enabling reduced disk seeks for lookups. Any reference can
356 be found by searching the index, identifying the containing block, and
357 searching within that block.
358
359 The index may be organized into a multi-level index, where the 1st level
360 index block points to additional ref index blocks (2nd level), which may
361 in turn point to either additional index blocks (e.g. 3rd level) or ref
362 blocks (leaf level). Disk reads required to access a ref go up with
363 higher index levels. Multi-level indexes may be required to ensure no
364 single index block exceeds the file format's max block size of
365 `16777215` bytes (15.99 MiB). To achieve constant O(1) disk seeks for
366 lookups the index must be a single level, which is permitted to exceed
367 the file's configured block size, but not the format's max block size of
368 15.99 MiB.
369
370 If present, the ref index block(s) appears after the last ref block.
371
372 If there are at least 4 ref blocks, a ref index block should be written
373 to improve lookup times. Cold reads using the index require 2 disk reads
374 (read index, read block), and binary searching < 4 blocks also requires
375 <= 2 reads. Omitting the index block from smaller files saves space.
376
377 If the file is unaligned and contains more than one ref block, the ref
378 index must be written.
379
380 Index block format:
381
382 ....
383 'i'
384 uint24( block_len )
385 index_record+
386 uint24( restart_offset )+
387 uint16( restart_count )
388
389 padding?
390 ....
391
392 The index blocks begin with `block_type = 'i'` and a 3-byte `block_len`
393 which encodes the number of bytes in the block, up to but not including
394 the optional `padding`.
395
396 The `restart_offset` and `restart_count` fields are identical in format,
397 meaning and usage as in ref blocks.
398
399 To reduce the number of reads required for random access in very large
400 files the index block may be larger than other blocks. However, readers
401 must hold the entire index in memory to benefit from this, so it's a
402 time-space tradeoff in both file size and reader memory.
403
404 Increasing the file's block size decreases the index size. Alternatively
405 a multi-level index may be used, keeping index blocks within the file's
406 block size, but increasing the number of blocks that need to be
407 accessed.
408
409 index record
410 ++++++++++++
411
412 An index record describes the last entry in another block. Index records
413 are written as:
414
415 ....
416 varint( prefix_length )
417 varint( (suffix_length << 3) | 0 )
418 suffix
419 varint( block_position )
420 ....
421
422 Index records use prefix compression exactly like `ref_record`.
423
424 Index records store `block_position` after the suffix, specifying the
425 absolute position in bytes (from the start of the file) of the block
426 that ends with this reference. Readers can seek to `block_position` to
427 begin reading the block header.
428
429 Readers must examine the block header at `block_position` to determine
430 if the next block is another level index block, or the leaf-level ref
431 block.
432
433 Reading the index
434 +++++++++++++++++
435
436 Readers loading the ref index must first read the footer (below) to
437 obtain `ref_index_position`. If not present, the position will be 0. The
438 `ref_index_position` is for the 1st level root of the ref index.
439
440 Obj block format
441 ^^^^^^^^^^^^^^^^
442
443 Object blocks are optional. Writers may choose to omit object blocks,
444 especially if readers will not use the object name to ref mapping.
445
446 Object blocks use unique, abbreviated 2-32 object name keys, mapping to
447 ref blocks containing references pointing to that object directly, or as
448 the peeled value of an annotated tag. Like ref blocks, object blocks use
449 the file's standard block size. The abbreviation length is available in
450 the footer as `obj_id_len`.
451
452 To save space in small files, object blocks may be omitted if the ref
453 index is not present, as brute force search will only need to read a few
454 ref blocks. When missing, readers should brute force a linear search of
455 all references to lookup by object name.
456
457 An object block is written as:
458
459 ....
460 'o'
461 uint24( block_len )
462 obj_record+
463 uint24( restart_offset )+
464 uint16( restart_count )
465
466 padding?
467 ....
468
469 Fields are identical to ref block. Binary search using the restart table
470 works the same as in reference blocks.
471
472 Because object names are abbreviated by writers to the shortest unique
473 abbreviation within the reftable, obj key lengths have a variable length. Their
474 length must be at least 2 bytes. Readers must compare only for common prefix
475 match within an obj block or obj index.
476
477 obj record
478 ++++++++++
479
480 An `obj_record` describes a single object abbreviation, and the blocks
481 containing references using that unique abbreviation:
482
483 ....
484 varint( prefix_length )
485 varint( (suffix_length << 3) | cnt_3 )
486 suffix
487 varint( cnt_large )?
488 varint( position_delta )*
489 ....
490
491 Like in reference blocks, abbreviations are prefix compressed within an
492 obj block. On large reftables with many unique objects, higher block
493 sizes (64k), and higher restart interval (128), a `prefix_length` of 2
494 or 3 and `suffix_length` of 3 may be common in obj records (unique
495 abbreviation of 5-6 raw bytes, 10-12 hex digits).
496
497 Each record contains `position_count` number of positions for matching
498 ref blocks. For 1-7 positions the count is stored in `cnt_3`. When
499 `cnt_3 = 0` the actual count follows in a varint, `cnt_large`.
500
501 The use of `cnt_3` bets most objects are pointed to by only a single
502 reference, some may be pointed to by a couple of references, and very
503 few (if any) are pointed to by more than 7 references.
504
505 A special case exists when `cnt_3 = 0` and `cnt_large = 0`: there are no
506 `position_delta`, but at least one reference starts with this
507 abbreviation. A reader that needs exact reference names must scan all
508 references to find which specific references have the desired object.
509 Writers should use this format when the `position_delta` list would have
510 overflowed the file's block size due to a high number of references
511 pointing to the same object.
512
513 The first `position_delta` is the position from the start of the file.
514 Additional `position_delta` entries are sorted ascending and relative to
515 the prior entry, e.g. a reader would perform:
516
517 ....
518 pos = position_delta[0]
519 prior = pos
520 for (j = 1; j < position_count; j++) {
521   pos = prior + position_delta[j]
522   prior = pos
523 }
524 ....
525
526 With a position in hand, a reader must linearly scan the ref block,
527 starting from the first `ref_record`, testing each reference's object names
528 (for `value_type = 0x1` or `0x2`) for full equality. Faster searching by
529 object name within a single ref block is not supported by the reftable format.
530 Smaller block sizes reduce the number of candidates this step must
531 consider.
532
533 Obj index
534 ^^^^^^^^^
535
536 The obj index stores the abbreviation from the last entry for every obj
537 block in the file, enabling reduced disk seeks for all lookups. It is
538 formatted exactly the same as the ref index, but refers to obj blocks.
539
540 The obj index should be present if obj blocks are present, as obj blocks
541 should only be written in larger files.
542
543 Readers loading the obj index must first read the footer (below) to
544 obtain `obj_index_position`. If not present, the position will be 0.
545
546 Log block format
547 ^^^^^^^^^^^^^^^^
548
549 Unlike ref and obj blocks, log blocks are always unaligned.
550
551 Log blocks are variable in size, and do not match the `block_size`
552 specified in the file header or footer. Writers should choose an
553 appropriate buffer size to prepare a log block for deflation, such as
554 `2 * block_size`.
555
556 A log block is written as:
557
558 ....
559 'g'
560 uint24( block_len )
561 zlib_deflate {
562   log_record+
563   uint24( restart_offset )+
564   uint16( restart_count )
565 }
566 ....
567
568 Log blocks look similar to ref blocks, except `block_type = 'g'`.
569
570 The 4-byte block header is followed by the deflated block contents using
571 zlib deflate. The `block_len` in the header is the inflated size
572 (including 4-byte block header), and should be used by readers to
573 preallocate the inflation output buffer. A log block's `block_len` may
574 exceed the file's block size.
575
576 Offsets within the log block (e.g. `restart_offset`) still include the
577 4-byte header. Readers may prefer prefixing the inflation output buffer
578 with the 4-byte header.
579
580 Within the deflate container, a variable number of `log_record` describe
581 reference changes. The log record format is described below. See ref
582 block format (above) for a description of `restart_offset` and
583 `restart_count`.
584
585 Because log blocks have no alignment or padding between blocks, readers
586 must keep track of the bytes consumed by the inflater to know where the
587 next log block begins.
588
589 log record
590 ++++++++++
591
592 Log record keys are structured as:
593
594 ....
595 ref_name '\0' reverse_int64( update_index )
596 ....
597
598 where `update_index` is the unique transaction identifier. The
599 `update_index` field must be unique within the scope of a `ref_name`.
600 See the update transactions section below for further details.
601
602 The `reverse_int64` function inverses the value so lexicographical
603 ordering the network byte order encoding sorts the more recent records
604 with higher `update_index` values first:
605
606 ....
607 reverse_int64(int64 t) {
608   return 0xffffffffffffffff - t;
609 }
610 ....
611
612 Log records have a similar starting structure to ref and index records,
613 utilizing the same prefix compression scheme applied to the log record
614 key described above.
615
616 ....
617     varint( prefix_length )
618     varint( (suffix_length << 3) | log_type )
619     suffix
620     log_data {
621       old_id
622       new_id
623       varint( name_length    )  name
624       varint( email_length   )  email
625       varint( time_seconds )
626       sint16( tz_offset )
627       varint( message_length )  message
628     }?
629 ....
630
631 Log record entries use `log_type` to indicate what follows:
632
633 * `0x0`: deletion; no log data.
634 * `0x1`: standard git reflog data using `log_data` above.
635
636 The `log_type = 0x0` is mostly useful for `git stash drop`, removing an
637 entry from the reflog of `refs/stash` in a transaction file (below),
638 without needing to rewrite larger files. Readers reading a stack of
639 reflogs must treat this as a deletion.
640
641 For `log_type = 0x1`, the `log_data` section follows
642 linkgit:git-update-ref[1] logging and includes:
643
644 * two object names (old id, new id)
645 * varint string of committer's name
646 * varint string of committer's email
647 * varint time in seconds since epoch (Jan 1, 1970)
648 * 2-byte timezone offset in minutes (signed)
649 * varint string of message
650
651 `tz_offset` is the absolute number of minutes from GMT the committer was
652 at the time of the update. For example `GMT-0800` is encoded in reftable
653 as `sint16(-480)` and `GMT+0230` is `sint16(150)`.
654
655 The committer email does not contain `<` or `>`, it's the value normally
656 found between the `<>` in a git commit object header.
657
658 The `message_length` may be 0, in which case there was no message
659 supplied for the update.
660
661 Contrary to traditional reflog (which is a file), renames are encoded as
662 a combination of ref deletion and ref creation.  A deletion is a log
663 record with a zero new_id, and a creation is a log record with a zero old_id.
664
665 Reading the log
666 +++++++++++++++
667
668 Readers accessing the log must first read the footer (below) to
669 determine the `log_position`. The first block of the log begins at
670 `log_position` bytes since the start of the file. The `log_position` is
671 not block aligned.
672
673 Importing logs
674 ++++++++++++++
675
676 When importing from `$GIT_DIR/logs` writers should globally order all
677 log records roughly by timestamp while preserving file order, and assign
678 unique, increasing `update_index` values for each log line. Newer log
679 records get higher `update_index` values.
680
681 Although an import may write only a single reftable file, the reftable
682 file must span many unique `update_index`, as each log line requires its
683 own `update_index` to preserve semantics.
684
685 Log index
686 ^^^^^^^^^
687
688 The log index stores the log key
689 (`refname \0 reverse_int64(update_index)`) for the last log record of
690 every log block in the file, supporting bounded-time lookup.
691
692 A log index block must be written if 2 or more log blocks are written to
693 the file. If present, the log index appears after the last log block.
694 There is no padding used to align the log index to block alignment.
695
696 Log index format is identical to ref index, except the keys are 9 bytes
697 longer to include `'\0'` and the 8-byte `reverse_int64(update_index)`.
698 Records use `block_position` to refer to the start of a log block.
699
700 Reading the index
701 +++++++++++++++++
702
703 Readers loading the log index must first read the footer (below) to
704 obtain `log_index_position`. If not present, the position will be 0.
705
706 Footer
707 ^^^^^^
708
709 After the last block of the file, a file footer is written. It begins
710 like the file header, but is extended with additional data.
711
712 ....
713     HEADER
714
715     uint64( ref_index_position )
716     uint64( (obj_position << 5) | obj_id_len )
717     uint64( obj_index_position )
718
719     uint64( log_position )
720     uint64( log_index_position )
721
722     uint32( CRC-32 of above )
723 ....
724
725 If a section is missing (e.g. ref index) the corresponding position
726 field (e.g. `ref_index_position`) will be 0.
727
728 * `obj_position`: byte position for the first obj block.
729 * `obj_id_len`: number of bytes used to abbreviate object names in
730 obj blocks.
731 * `log_position`: byte position for the first log block.
732 * `ref_index_position`: byte position for the start of the ref index.
733 * `obj_index_position`: byte position for the start of the obj index.
734 * `log_index_position`: byte position for the start of the log index.
735
736 The size of the footer is 68 bytes for version 1, and 72 bytes for
737 version 2.
738
739 Reading the footer
740 ++++++++++++++++++
741
742 Readers must first read the file start to determine the version
743 number. Then they seek to `file_length - FOOTER_LENGTH` to access the
744 footer. A trusted external source (such as `stat(2)`) is necessary to
745 obtain `file_length`. When reading the footer, readers must verify:
746
747 * 4-byte magic is correct
748 * 1-byte version number is recognized
749 * 4-byte CRC-32 matches the other 64 bytes (including magic, and
750 version)
751
752 Once verified, the other fields of the footer can be accessed.
753
754 Empty tables
755 ++++++++++++
756
757 A reftable may be empty. In this case, the file starts with a header
758 and is immediately followed by a footer.
759
760 Binary search
761 ^^^^^^^^^^^^^
762
763 Binary search within a block is supported by the `restart_offset` fields
764 at the end of the block. Readers can binary search through the restart
765 table to locate between which two restart points the sought reference or
766 key should appear.
767
768 Each record identified by a `restart_offset` stores the complete key in
769 the `suffix` field of the record, making the compare operation during
770 binary search straightforward.
771
772 Once a restart point lexicographically before the sought reference has
773 been identified, readers can linearly scan through the following record
774 entries to locate the sought record, terminating if the current record
775 sorts after (and therefore the sought key is not present).
776
777 Restart point selection
778 +++++++++++++++++++++++
779
780 Writers determine the restart points at file creation. The process is
781 arbitrary, but every 16 or 64 records is recommended. Every 16 may be
782 more suitable for smaller block sizes (4k or 8k), every 64 for larger
783 block sizes (64k).
784
785 More frequent restart points reduces prefix compression and increases
786 space consumed by the restart table, both of which increase file size.
787
788 Less frequent restart points makes prefix compression more effective,
789 decreasing overall file size, with increased penalties for readers
790 walking through more records after the binary search step.
791
792 A maximum of `65535` restart points per block is supported.
793
794 Considerations
795 ~~~~~~~~~~~~~~
796
797 Lightweight refs dominate
798 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
799
800 The reftable format assumes the vast majority of references are single
801 object names valued with common prefixes, such as Gerrit Code Review's
802 `refs/changes/` namespace, GitHub's `refs/pulls/` namespace, or many
803 lightweight tags in the `refs/tags/` namespace.
804
805 Annotated tags storing the peeled object cost an additional object name per
806 reference.
807
808 Low overhead
809 ^^^^^^^^^^^^
810
811 A reftable with very few references (e.g. git.git with 5 heads) is 269
812 bytes for reftable, vs. 332 bytes for packed-refs. This supports
813 reftable scaling down for transaction logs (below).
814
815 Block size
816 ^^^^^^^^^^
817
818 For a Gerrit Code Review type repository with many change refs, larger
819 block sizes (64 KiB) and less frequent restart points (every 64) yield
820 better compression due to more references within the block compressing
821 against the prior reference.
822
823 Larger block sizes reduce the index size, as the reftable will require
824 fewer blocks to store the same number of references.
825
826 Minimal disk seeks
827 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^
828
829 Assuming the index block has been loaded into memory, binary searching
830 for any single reference requires exactly 1 disk seek to load the
831 containing block.
832
833 Scans and lookups dominate
834 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
835
836 Scanning all references and lookup by name (or namespace such as
837 `refs/heads/`) are the most common activities performed on repositories.
838 Object names are stored directly with references to optimize this use case.
839
840 Logs are infrequently read
841 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
842
843 Logs are infrequently accessed, but can be large. Deflating log blocks
844 saves disk space, with some increased penalty at read time.
845
846 Logs are stored in an isolated section from refs, reducing the burden on
847 reference readers that want to ignore logs. Further, historical logs can
848 be isolated into log-only files.
849
850 Logs are read backwards
851 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
852
853 Logs are frequently accessed backwards (most recent N records for master
854 to answer `master@{4}`), so log records are grouped by reference, and
855 sorted descending by update index.
856
857 Repository format
858 ~~~~~~~~~~~~~~~~~
859
860 Version 1
861 ^^^^^^^^^
862
863 A repository must set its `$GIT_DIR/config` to configure reftable:
864
865 ....
866 [core]
867     repositoryformatversion = 1
868 [extensions]
869     refStorage = reftable
870 ....
871
872 Layout
873 ^^^^^^
874
875 A collection of reftable files are stored in the `$GIT_DIR/reftable/` directory.
876 Their names should have a random element, such that each filename is globally
877 unique; this helps avoid spurious failures on Windows, where open files cannot
878 be removed or overwritten. It suggested to use
879 `${min_update_index}-${max_update_index}-${random}.ref` as a naming convention.
880
881 Log-only files use the `.log` extension, while ref-only and mixed ref
882 and log files use `.ref`. extension.
883
884 The stack ordering file is `$GIT_DIR/reftable/tables.list` and lists the
885 current files, one per line, in order, from oldest (base) to newest
886 (most recent):
887
888 ....
889 $ cat .git/reftable/tables.list
890 00000001-00000001-RANDOM1.log
891 00000002-00000002-RANDOM2.ref
892 00000003-00000003-RANDOM3.ref
893 ....
894
895 Readers must read `$GIT_DIR/reftable/tables.list` to determine which
896 files are relevant right now, and search through the stack in reverse
897 order (last reftable is examined first).
898
899 Reftable files not listed in `tables.list` may be new (and about to be
900 added to the stack by the active writer), or ancient and ready to be
901 pruned.
902
903 Backward compatibility
904 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
905
906 Older clients should continue to recognize the directory as a git
907 repository so they don't look for an enclosing repository in parent
908 directories. To this end, a reftable-enabled repository must contain the
909 following dummy files
910
911 * `.git/HEAD`, a regular file containing `ref: refs/heads/.invalid`.
912 * `.git/refs/`, a directory
913 * `.git/refs/heads`, a regular file
914
915 Readers
916 ^^^^^^^
917
918 Readers can obtain a consistent snapshot of the reference space by
919 following:
920
921 1.  Open and read the `tables.list` file.
922 2.  Open each of the reftable files that it mentions.
923 3.  If any of the files is missing, goto 1.
924 4.  Read from the now-open files as long as necessary.
925
926 Update transactions
927 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
928
929 Although reftables are immutable, mutations are supported by writing a
930 new reftable and atomically appending it to the stack:
931
932 1.  Acquire `tables.list.lock`.
933 2.  Read `tables.list` to determine current reftables.
934 3.  Select `update_index` to be most recent file's
935 `max_update_index + 1`.
936 4.  Prepare temp reftable `tmp_XXXXXX`, including log entries.
937 5.  Rename `tmp_XXXXXX` to `${update_index}-${update_index}-${random}.ref`.
938 6.  Copy `tables.list` to `tables.list.lock`, appending file from (5).
939 7.  Rename `tables.list.lock` to `tables.list`.
940
941 During step 4 the new file's `min_update_index` and `max_update_index`
942 are both set to the `update_index` selected by step 3. All log records
943 for the transaction use the same `update_index` in their keys. This
944 enables later correlation of which references were updated by the same
945 transaction.
946
947 Because a single `tables.list.lock` file is used to manage locking, the
948 repository is single-threaded for writers. Writers may have to busy-spin
949 (with backoff) around creating `tables.list.lock`, for up to an
950 acceptable wait period, aborting if the repository is too busy to
951 mutate. Application servers wrapped around repositories (e.g. Gerrit
952 Code Review) can layer their own lock/wait queue to improve fairness to
953 writers.
954
955 Reference deletions
956 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
957
958 Deletion of any reference can be explicitly stored by setting the `type`
959 to `0x0` and omitting the `value` field of the `ref_record`. This serves
960 as a tombstone, overriding any assertions about the existence of the
961 reference from earlier files in the stack.
962
963 Compaction
964 ^^^^^^^^^^
965
966 A partial stack of reftables can be compacted by merging references
967 using a straightforward merge join across reftables, selecting the most
968 recent value for output, and omitting deleted references that do not
969 appear in remaining, lower reftables.
970
971 A compacted reftable should set its `min_update_index` to the smallest
972 of the input files' `min_update_index`, and its `max_update_index`
973 likewise to the largest input `max_update_index`.
974
975 For sake of illustration, assume the stack currently consists of
976 reftable files (from oldest to newest): A, B, C, and D. The compactor is
977 going to compact B and C, leaving A and D alone.
978
979 1.  Obtain lock `tables.list.lock` and read the `tables.list` file.
980 2.  Obtain locks `B.lock` and `C.lock`. Ownership of these locks
981 prevents other processes from trying to compact these files.
982 3.  Release `tables.list.lock`.
983 4.  Compact `B` and `C` into a temp file
984 `${min_update_index}-${max_update_index}_XXXXXX`.
985 5.  Reacquire lock `tables.list.lock`.
986 6.  Verify that `B` and `C` are still in the stack, in that order. This
987 should always be the case, assuming that other processes are adhering to
988 the locking protocol.
989 7.  Rename `${min_update_index}-${max_update_index}_XXXXXX` to
990 `${min_update_index}-${max_update_index}-${random}.ref`.
991 8.  Write the new stack to `tables.list.lock`, replacing `B` and `C`
992 with the file from (4).
993 9.  Rename `tables.list.lock` to `tables.list`.
994 10. Delete `B` and `C`, perhaps after a short sleep to avoid forcing
995 readers to backtrack.
996
997 This strategy permits compactions to proceed independently of updates.
998
999 Each reftable (compacted or not) is uniquely identified by its name, so
1000 open reftables can be cached by their name.
1001
1002 Windows
1003 ^^^^^^^
1004
1005 On windows, and other systems that do not allow deleting or renaming to open
1006 files, compaction may succeed, but other readers may prevent obsolete tables
1007 from being deleted.
1008
1009 On these platforms, the following strategy can be followed: on closing a
1010 reftable stack, reload `tables.list`, and delete any tables no longer mentioned
1011 in `tables.list`.
1012
1013 Irregular program exit may still leave about unused files. In this case, a
1014 cleanup operation can read `tables.list`, note its modification timestamp, and
1015 delete any unreferenced `*.ref` files that are older.
1016
1017
1018 Alternatives considered
1019 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1020
1021 bzip packed-refs
1022 ^^^^^^^^^^^^^^^^
1023
1024 `bzip2` can significantly shrink a large packed-refs file (e.g. 62 MiB
1025 compresses to 23 MiB, 37%). However the bzip format does not support
1026 random access to a single reference. Readers must inflate and discard
1027 while performing a linear scan.
1028
1029 Breaking packed-refs into chunks (individually compressing each chunk)
1030 would reduce the amount of data a reader must inflate, but still leaves
1031 the problem of indexing chunks to support readers efficiently locating
1032 the correct chunk.
1033
1034 Given the compression achieved by reftable's encoding, it does not seem
1035 necessary to add the complexity of bzip/gzip/zlib.
1036
1037 Michael Haggerty's alternate format
1038 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1039
1040 Michael Haggerty proposed
1041 link:https://lore.kernel.org/git/CAMy9T_HCnyc1g8XWOOWhe7nN0aEFyyBskV2aOMb_fe%2BwGvEJ7A%40mail.gmail.com/[an
1042 alternate] format to reftable on the Git mailing list. This format uses
1043 smaller chunks, without the restart table, and avoids block alignment
1044 with padding. Reflog entries immediately follow each ref, and are thus
1045 interleaved between refs.
1046
1047 Performance testing indicates reftable is faster for lookups (51%
1048 faster, 11.2 usec vs. 5.4 usec), although reftable produces a slightly
1049 larger file (+ ~3.2%, 28.3M vs 29.2M):
1050
1051 [cols=">,>,>,>",options="header",]
1052 |=====================================
1053 |format |size |seek cold |seek hot
1054 |mh-alt |28.3 M |23.4 usec |11.2 usec
1055 |reftable |29.2 M |19.9 usec |5.4 usec
1056 |=====================================
1057
1058 JGit Ketch RefTree
1059 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1060
1061 https://dev.eclipse.org/mhonarc/lists/jgit-dev/msg03073.html[JGit Ketch]
1062 proposed
1063 link:https://lore.kernel.org/git/CAJo%3DhJvnAPNAdDcAAwAvU9C4RVeQdoS3Ev9WTguHx4fD0V_nOg%40mail.gmail.com/[RefTree],
1064 an encoding of references inside Git tree objects stored as part of the
1065 repository's object database.
1066
1067 The RefTree format adds additional load on the object database storage
1068 layer (more loose objects, more objects in packs), and relies heavily on
1069 the packer's delta compression to save space. Namespaces which are flat
1070 (e.g. thousands of tags in refs/tags) initially create very large loose
1071 objects, and so RefTree does not address the problem of copying many
1072 references to modify a handful.
1073
1074 Flat namespaces are not efficiently searchable in RefTree, as tree
1075 objects in canonical formatting cannot be binary searched. This fails
1076 the need to handle a large number of references in a single namespace,
1077 such as GitHub's `refs/pulls`, or a project with many tags.
1078
1079 LMDB
1080 ^^^^
1081
1082 David Turner proposed
1083 https://lore.kernel.org/git/1455772670-21142-26-git-send-email-dturner@twopensource.com/[using
1084 LMDB], as LMDB is lightweight (64k of runtime code) and GPL-compatible
1085 license.
1086
1087 A downside of LMDB is its reliance on a single C implementation. This
1088 makes embedding inside JGit (a popular reimplementation of Git)
1089 difficult, and hoisting onto virtual storage (for JGit DFS) virtually
1090 impossible.
1091
1092 A common format that can be supported by all major Git implementations
1093 (git-core, JGit, libgit2) is strongly preferred.