Complementando as outras respostas, acho que vale a pena ver internamente como o Git guarda tais informações, pois aí conseguimos entender melhor o que é feito no caso de um arquivo ser modificado, e o que realmente é guardado em cada *commit*. Para isso vamos usar alguns comandos chamados de [*plumbing*](https://git-scm.com/book/en/v2/Git-Internals-Plumbing-and-Porcelain) (os que lidam com os detalhes mais internos, considerados *low level*).

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Primeiramente, no fundo um repositório do Git é um DAG (*Directed Acyclic Graph* - Grafo Acíclico Dirigido). Não vou entrar nos detalhes da definição matemática (que pode ser vista [aqui](https://en.wikipedia.org/wiki/Directed_acyclic_graph)), mas basicamente podemos pensar em um repositório do Git como sendo um conjunto de nós apontando para outros nós. E esses nós podem ser de vários tipos: commits, arquivos, etc. Cada um desses nós tem um identificador único, que são os hashes (aqueles "códigos gigantes", como `65e02ed772a5fa35a98409705fd43647af454443`).

De maneira geral, um nó do tipo commit aponta para outro(s) commit(s) (os commits pais - sim, quando é feito um merge, o commit resultante pode ter mais de um pai), mas também aponta para uma árvore de diretórios (chamado de *tree*), que por sua vez aponta para os arquivos referentes àquele commit.

[![repositório Git][1]][1]

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No exemplo abaixo criaremos um repositório e iremos ver as "entranhas" do mesmo, usando os comandos de *plumbing*.

> _Os comandos abaixo foram rodados em Ubuntu 20.04.4 e Git 2.37.3. Em outras versões pode ser que a saída de alguns comandos seja diferente, com outras mensagens, etc. Mas a ideia básica permanece a mesma._

Primeiro vamos criar uma pasta e inicializar um novo repositório nela:

```bash
$ mkdir projeto 
$ cd projeto/
$ git init
```

Com isso ele cria um repositório vazio. Se olharmos na pasta do projeto, veremos que foi criada uma pasta `.git`. É ali que o Git guarda as informações do repositório.

Em seguida vamos criar um arquivo e *commitá-lo*:

```bash
$ echo abc > arquivo1.txt
$ git add .
$ git commit -m"criar arquivo1.txt"
[master (root-commit) 90e5167] criar arquivo1.txt
 1 file changed, 1 insertion(+)
 create mode 100644 arquivo1.txt
```

Com isso temos o primeiro commit:

```bash
$ git log
commit 90e5167946367108cc2b6185b7c943581336c23a
Author: Fulano <[email protected]>
Date:   2022-09-01 08:27:31

    criar arquivo1.txt
```

E agora podemos usar o hash do commit (o código gigante `90e5167946367108cc2b6185b7c943581336c23a`), juntamente com o [comando `cat-file`](https://git-scm.com/docs/git-cat-file) para ver mais detalhes do mesmo:

```bash
$ git cat-file -p 90e5167946367108cc2b6185b7c943581336c23a
tree 3cbbb46b2c176c87ebb4bc286447deb26a45f196
author Fulano <[email protected]> 1662031651 -0300
committer Fulano <[email protected]> 1662031651 -0300

criar arquivo1.txt
```

Repare que o commit aponta para um objeto *tree* (indicado pela linha que começa com `tree`), que representa uma árvore de arquivos e sub-diretórios. Podemos ver que este objeto *tree* também tem um hash, que pode ser usado com `cat-file` para sabermos mais detalhes dele:

```bash
$ git cat-file -p 3cbbb46b2c176c87ebb4bc286447deb26a45f196
100644 blob 8baef1b4abc478178b004d62031cf7fe6db6f903    arquivo1.txt
```

Como podemos ver, o objeto *tree* contém apenas uma referência para um objeto do tipo *blob*, que no caso é o conteúdo do arquivo1.txt (que também possui seu próprio hash). E se fizermos `git cat-file -p 8baef1b4abc478178b004d62031cf7fe6db6f903`, ele mostrará o conteúdo deste arquivo (no caso, o texto `abc` mais a quebra de linha).

Mas também podemos ver o seu conteúdo diretamente, lendo o respectivo arquivo que está na pasta `.git/objects`. Como o Git usa o zlib para compactar os arquivos, temos que descompactá-los:

```bash
$ zlib-flate -uncompress < .git/objects/8b/aef1b4abc478178b004d62031cf7fe6db6f903 
blob 4abc
```

<sup><sub>_Para usar `zlib-flate`, basta instalá-lo com `sudo apt install qpdf`. [Existem outras formas de descompactar](https://unix.stackexchange.com/q/22834), mas foge do escopo da resposta._</sub></sup>

Repare que o conteúdo do arquivo é o tipo (no caso, "blob"), um espaço, o tamanho (`4`) e o conteúdo do arquivo (o texto `abc` e a quebra de linha, por isso que o tamanho é 4). Se quiser "escovar os bits" para ver melhor, pode usar algum comando como o `hexdump`:

```bash
$ zlib-flate -uncompress < .git/objects/8b/aef1b4abc478178b004d62031cf7fe6db6f903 | hexdump -C
00000000  62 6c 6f 62 20 34 00 61  62 63 0a                 |blob 4.abc.|
0000000b
```

E agora vamos ver o que acontece ao modificar o arquivo.

---

Vamos alterar o arquivo1.txt e adicionar um novo arquivo2.txt:

```bash
$ echo def >> arquivo1.txt 
$ echo xyz > arquivo2.txt
$ git add .
$ git c -m"mudar arquivo1, adicionar arquivo2"
[master 6759854] mudar arquivo1, adicionar arquivo2
 2 files changed, 2 insertions(+)
 create mode 100644 arquivo2.txt
$ git log --format=oneline 
67598546881d02d1642cb0a2bd7093f0686cfa16 mudar arquivo1, adicionar arquivo2
90e5167946367108cc2b6185b7c943581336c23a criar arquivo1.txt
```

Foi criado um novo commit. Vamos usar `cat-file` para ver qual é o objeto *tree* deste, e também para ver os arquivos desta *tree*:

```bash
# ver detalhes do commit
$ git cat-file -p 67598546881d02d1642cb0a2bd7093f0686cfa16
tree a68b978e09a6ff8b29160d8005bdcd3b5f71c86a
parent 90e5167946367108cc2b6185b7c943581336c23a
author Fulano <[email protected]> 1662033566 -0300
committer Fulano <[email protected]> 1662033566 -0300

mudar arquivo1, adicionar arquivo2

# ver detalhes da tree do commit
$ git cat-file -p a68b978e09a6ff8b29160d8005bdcd3b5f71c86a
100644 blob 5f5521fae22f9e33657c85e468d7bdd43f7350d8    arquivo1.txt
100644 blob cd470e619003f5e55999473fec485d85a8601e44    arquivo2.txt
```

Agora o commit aponta para uma nova *tree*, que por sua vez aponta para os arquivos `arquivo1.txt` e `arquivo2.txt`. Veja que o hash do arquivo1 mudou, já que ele foi alterado e portanto corresponde a um novo objeto *blob*.

<sup>_Interessante notar também que agora o commit possui um *parent*, que nada mais é que o "commit pai" (ou seja, o commit anterior)._</sup>

Porém, a versão anterior do arquivo1 continua existindo, tanto que podemos ver ambas com `cat-file`:

```bash
# versão atual do arquivo (segundo commit)
$ git cat-file -p 5f5521fae22f9e33657c85e468d7bdd43f7350d8
abc
def
# versão antiga (do primeiro commit)
$ git cat-file -p 8baef1b4abc478178b004d62031cf7fe6db6f903
abc
```

E podemos escovar os bits desses arquivos descompactando-os diretamente:

```bash
# versão atual
$ zlib-flate -uncompress < .git/objects/5f/5521fae22f9e33657c85e468d7bdd43f7350d8 
blob 8abc
def
# versão antiga
$ zlib-flate -uncompress < .git/objects/8b/aef1b4abc478178b004d62031cf7fe6db6f903 
blob 4abc
```

Podemos ver que as diferentes versões do arquivo estão armazenadas em sua totalidade (portanto, nada de *delta* aqui). **Inicialmente**, é assim que o Git guarda os arquivos: cada alteração no arquivo gera um novo objeto *blob*, e cada um deles possui todo o conteúdo do arquivo. Estes são chamados de *loose objects* (algo como "objetos soltos").


# _Pack files_

Mas com o passar do tempo (conforme o repositório cresce e a quantidade de arquivos e alterações aumenta) o Git pode fazer o *pack* dos objetos, criando um *pack file*. Neste caso, ele pode fazer um *delta compression* no arquivo (já veremos isso em mais detalhes).

Para testar, eu criei mais 10 mil commits, sempre modificando o arquivo1:

```bash
$ for i in $(seq 1 10000); do echo $(date) >> arquivo1.txt && git commit -a -m"alterado em $(date)"; done
```

No caso, eu sempre adiciono uma linha nova contendo a data atual.
Vamos ver o último commit:

```bash
$ git log -1 --oneline 
a7006d04 alterado em qui 01 set 2022 09:41:48 -03
```

Primeiro vamos ver a *tree* e os arquivos para o qual ela aponta:

```bash
# ver detalhes do commit
$ git cat-file -p a7006d04
tree a1c5e63ce53ab84598db22080a5064458292bf2c
# ... demais linhas do commit (parent, autor, data, etc) ...

# ver tree
$ git cat-file -p a1c5e63ce53ab84598db22080a5064458292bf2c
100644 blob 78b67d43faf1675eb8885550211097271a4cc27b    arquivo1.txt
100644 blob cd470e619003f5e55999473fec485d85a8601e44    arquivo2.txt

# ver tamanho do arquivo1
$ git cat-file -s 78b67d43faf1675eb8885550211097271a4cc27b
290037

# descompacatar o arquivo1 e ver as 3 primeiras linhas
$ zlib-flate -uncompress < .git/objects/78/b67d43faf1675eb8885550211097271a4cc27b | head -3
blob 290037abc
def
qui 01 set 2022 09:36:14 -03
```

Repare que o arquivo referente a `78b67d43faf1675eb8885550211097271a4cc27b` ainda está compactado em `.git/objects`. Mas a seguir veremos que nem todos estarão.

> Um detalhe interessante é que, como o arquivo2 não foi modificado, a *tree* do último commit aponta para o mesmo _blob_ que a *tree* do segundo commit. Ou seja, a *tree* de um commit sempre possui todas as entradas referentes à estrutura de arquivos completa. O que acontece é que, caso um arquivo não tenha sido modificado, não é criada outra cópia dele, e a *tree* aponta para o mesmo objeto *blob*.

---

Agora vamos ver um commit que foi colocado no arquivo *pack* (veremos mais abaixo como eu descobri isso):

```bash
# ver detalhes do commit
$ git cat-file -p b2663a0ee53eecb9f364a9aa054f7b80d5734cb4
tree 35153e41fda0f4d3e50b67bf211a420c5e30883a
parent 4d223b4641d8ca59014d3c998bc3549210757cac
author Fulano <[email protected]> 1662035948 -0300
committer Fulano <[email protected]> 1662035948 -0300

alterado em qui 01 set 2022 09:39:08 -03

# ver detalhes da tree
$ git cat-file -p 35153e41fda0f4d3e50b67bf211a420c5e30883a
100644 blob 07e93cacac5e6a412107e34ee8a9f6711db09cdb    arquivo1.txt
100644 blob cd470e619003f5e55999473fec485d85a8601e44    arquivo2.txt

# ver tamanho do arquivo1
$ git cat-file -s 07e93cacac5e6a412107e34ee8a9f6711db09cdb
56181

# porém, o blob correspondente não está em .git/objects
$ ls .git/objects/07/e93cacac5e6a412107e34ee8a9f6711db09cdb
ls: cannot access '.git/objects/07/e93cacac5e6a412107e34ee8a9f6711db09cdb': No such file or directory
```

Note que o arquivo referente ao *blob* do arquivo1 não está em `.git/objects`. Então onde ele foi parar?

---

Já vimos que inicialmente cada alteração no arquivo gera um novo objeto *blob* (que por sua vez, é guardado em `.git/objects`).

Mas com o passar do tempo (conforme o repositório cresce e a quantidade de arquivos e alterações aumenta) o Git pode fazer o *pack* dos objetos, criando um *pack file*. E neste caso, ele pode fazer um *delta compression* no arquivo.

No nosso caso, em algum momento no meio daqueles 10 mil commits, o Git decidiu (usando suas heurísticas internas) criar este *pack file*, e o commit `b2663a0ee53eecb9f364a9aa054f7b80d5734cb4` é um dos que foram colocados neste arquivo. Na verdade, foram criados vários *pack files*:

```bash
$ ls  .git/objects/pack/
pack-58b4d7c6d98f33d81c7eed8306c2c298680ab574.idx   pack-d838acaa7d25ce143e57c11aa85dd808ed924cbb.idx   pack-fe4498b7648c104a9f493c02b572ba8e6a234789.idx
pack-58b4d7c6d98f33d81c7eed8306c2c298680ab574.pack  pack-d838acaa7d25ce143e57c11aa85dd808ed924cbb.pack  pack-fe4498b7648c104a9f493c02b572ba8e6a234789.pack
pack-a549c672e7fe758144ac131b58d2d09e0436e70d.idx   pack-dbe28ff425c24fe667c00f087165e1ea88bb78f8.idx
pack-a549c672e7fe758144ac131b58d2d09e0436e70d.pack  pack-dbe28ff425c24fe667c00f087165e1ea88bb78f8.pack
```

Para ler um *pack file*, eu usei o comando `git verify-pack`. Rodando para cada um dos arquivos `.idx` (que são os índices de cada *pack file*), eu pude verificar onde está o commit:

```bash
$ git verify-pack -v .git/objects/pack/pack-fe4498b7648c104a9f493c02b572ba8e6a234789.idx | grep b2663a0ee53eecb9f364a9aa054f7b80d5734cb4
b2663a0ee53eecb9f364a9aa054f7b80d5734cb4 commit 269 177 264219
```

Assim, descobri que o commit `b2663a0ee53eecb9f364a9aa054f7b80d5734cb4` está no pack `fe4498b7648c104a9f493c02b572ba8e6a234789`. Este commit não está em `.git/objects/b2`, e sim no *pack file*. O mesmo vale para o arquivo1 que vimos acima, cujo hash `07e93cacac5e6a412107e34ee8a9f6711db09cdb` também não está em `.git/objects`. Usando `verify-pack`, vemos que ele também está no *pack file*:

```bash
$ git verify-pack -v .git/objects/pack/pack-fe4498b7648c104a9f493c02b572ba8e6a234789.idx| grep 07e93cacac5e6a412107e34ee8a9f6711db09cdb
07e93cacac5e6a412107e34ee8a9f6711db09cdb blob   9 21 417607 1 f762451817603f36e04f0d3fd429cab316232573
```

E aqui podemos ver algo interessante: a primeira coluna acima indica o hash do objeto, a segunda coluna é o tipo (`blob`) e a terceira coluna é o tamanho. Veja que ela só ocupa 9 bytes. E a última coluna é o hash do "arquivo-base". Segundo a [documentação](https://git-scm.com/docs/git-verify-pack#_output_format), esta coluna só aparece quando o objeto está "_deltificado_" (ou seja, está armazenado como um delta - ele não tem todo o conteúdo do arquivo, e sim apenas a diferença com relação a uma versão anterior).

E se procurarmos por este arquivo-base, veremos que muitos outros arquivos são um delta com relação a ele:

```bash
$ git verify-pack -v .git/objects/pack/pack-fe4498b7648c104a9f493c02b572ba8e6a234789.idx| grep f762451817603f36e04f0d3fd429cab316232573
f762451817603f36e04f0d3fd429cab316232573 blob   60328 380 397727
d282fe4a22cc541caf0a5f232a8ca1b06f9973b4 blob   9 21 398107 1 f762451817603f36e04f0d3fd429cab316232573
65e02ed772a5fa35a98409705fd43647af454443 blob   9 20 398206 1 f762451817603f36e04f0d3fd429cab316232573
cb59c4bdec5b293b6bade9b2a6131668a7e6700d blob   9 20 398304 1 f762451817603f36e04f0d3fd429cab316232573
402e6a7b054399adbfee3e4f223662607f1e8304 blob   9 20 398401 1 f762451817603f36e04f0d3fd429cab316232573
# ... muitos outros arquivos que tem f762451817603f36e04f0d3fd429cab316232573 como base
```

Na primeira linha podemos ver o arquivo `f762451817603f36e04f0d3fd429cab316232573`, ocupando 60328 bytes, e nas linhas seguintes os arquivos que estão armazenados como deltas em relação a ele, todos ocupando 9 bytes.


Se quisermos olhar algum desses arquivos, primeiro ele é reconstruído a partir da base, aplicando-se os deltas necessários. Por exemplo, um dos deltas acima, que só ocupa 9 bytes no *pack file*, terá seu tamanho total calculado se usarmos `cat-file`:

```bash
$ git cat-file -s cb59c4bdec5b293b6bade9b2a6131668a7e6700d
59168
```

---

# Conclusão

Nos momentos iniciais do repositório, o Git armazena os arquivos como *loose objects*: cada versão do arquivo gera um novo objeto *blob*, que possui todo o conteúdo do arquivo e é armazenado em `.git/objects`, e a *tree* correspondente ao commit passa a apontar para este novo *blob*. Se um arquivo não foi modificado, a *tree* aponta para o mesmo *blob* que a tree do commit anterior estava apontando.

Conforme o repositório aumenta, em determinado momento (usando heurísticas internas) o Git decide fazer o *pack* dos objetos, criando os *pack files*. Neste momento alguns objetos ainda serão armazenados em sua totalidade, enquanto outros serão armazenados como deltas em relação a estes.

Um detalhe importante é que as versões mais novas são mantidas intactas, enquanto as mais antigas são deltas tendo a mais nova como base. Isso porque uma versão armazenada como delta precisa ser reconstruída (pegando-se o arquivo base e aplicando os deltas) e isso é mais lento do que acessar o conteúdo todo "não-deltificado", e como é mais provável que você queira acessar as mais novas com mais frequência, optou-se por fazer assim.

Você pode forçar o *pack* através de `git gc` (ou `git gc --aggressive`, que muda alguns parâmetros para fazer um *packing* "mais agressivo"), mas na prática não devemos nos preocupar muito com isso, pois o Git faz o *pack* automaticamente, quando achar necessário.

De qualquer forma, a estrutura básica é:

- Um commit aponta para uma *tree*, que por sua vez aponta para arquivos (objetos *blob*), ou outras *trees* (no caso de ter sub-pastas)
- Se um arquivo não é modificado, várias *trees* apontarão para o mesmo *blob* (no caso, todas as *trees* dos commits nos quais não houve modificação).
- Se um arquivo é modificado, ele cria um novo objeto blob:
    - no caso de ser *loose*, é um novo arquivo (uma nova entrada em `.git/objects`) que possui todo o conteúdo do mesmo
    - no caso de estar no *pack file*, pode ser um *blob* base (com todo o conteúdo do arquivo), ou um delta (a diferença com relação a outro *blob*)

O que muda é a forma como o conteúdo do arquivo é acessado. No caso de *loose objects*, basta ler o respectivo arquivo em `.git/objects`. Já no caso de um delta no *pack file*, ele precisa ser reconstruído a partir do arquivo base.

---

Mais informações:

- [Git Internals - Packfiles](https://git-scm.com/book/en/v2/Git-Internals-Packfiles)
- [Git Internals - Objects](https://git-scm.com/book/en/v2/Git-Internals-Git-Objects)
- [Git seems to store the whole file instead of diff, how to avoid that?](https://stackoverflow.com/q/41482898)
- [Git internals: how does Git store small differences between revisions?](https://stackoverflow.com/q/43359590)
- [Formato do *pack file*](https://git-scm.com/docs/pack-format)


  [1]: https://i.sstatic.net/K7zP5.png