]> wimlib.net Git - wimlib/blobdiff - include/wimlib/lz_optimal.h
Factor out LZ match-choosing code
[wimlib] / include / wimlib / lz_optimal.h
diff --git a/include/wimlib/lz_optimal.h b/include/wimlib/lz_optimal.h
new file mode 100644 (file)
index 0000000..797ba09
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,410 @@
+/*
+ * lz_optimal.h
+ *
+ * Near-optimal LZ (Lempel-Ziv) parsing, or "match choosing".
+ *
+ * This is based on the algorithm used in 7-Zip's DEFLATE encoder, written by
+ * Igor Pavlov.
+ */
+
+/*
+ * Copyright (C) 2013 Eric Biggers
+ *
+ * This file is part of wimlib, a library for working with WIM files.
+ *
+ * wimlib is free software; you can redistribute it and/or modify it under the
+ * terms of the GNU General Public License as published by the Free
+ * Software Foundation; either version 3 of the License, or (at your option)
+ * any later version.
+ *
+ * wimlib is distributed in the hope that it will be useful, but WITHOUT ANY
+ * WARRANTY; without even the implied warranty of MERCHANTABILITY or FITNESS FOR
+ * A PARTICULAR PURPOSE. See the GNU General Public License for more
+ * details.
+ *
+ * You should have received a copy of the GNU General Public License
+ * along with wimlib; if not, see http://www.gnu.org/licenses/.
+ */
+
+/* Define the following structures before including this:
+ *
+ * LZ_COMPRESSOR
+ * LZ_FORMAT_STATE  */
+
+#ifndef _LZ_OPTIMAL_H
+#define _LZ_OPTIMAL_H
+
+#include "wimlib/lz.h"
+
+typedef input_idx_t lz_mc_cost_t;
+
+#define LZ_MC_INFINITE_COST (~(lz_mc_cost_t)0)
+
+/*
+ * Match chooser position data:
+ *
+ * An array of these structures is used during the match-choosing algorithm.
+ * They correspond to consecutive positions in the window and are used to keep
+ * track of the cost to reach each position, and the match/literal choices that
+ * need to be chosen to reach that position.
+ */
+struct lz_mc_pos_data {
+       /* The approximate minimum cost, in bits, to reach this position in the
+        * window which has been found so far.  */
+       lz_mc_cost_t cost;
+
+       /* The union here is just for clarity, since the fields are used in two
+        * slightly different ways.  Initially, the @prev structure is filled in
+        * first, and links go from later in the window to earlier in the
+        * window.  Later, @next structure is filled in and links go from
+        * earlier in the window to later in the window.  */
+       union {
+               struct {
+                       /* Position of the start of the match or literal that
+                        * was taken to get to this position in the approximate
+                        * minimum-cost parse.  */
+                       input_idx_t link;
+
+                       /* Offset (as in an LZ (length, offset) pair) of the
+                        * match or literal that was taken to get to this
+                        * position in the approximate minimum-cost parse.  */
+                       input_idx_t match_offset;
+               } prev;
+               struct {
+                       /* Position at which the match or literal starting at
+                        * this position ends in the minimum-cost parse.  */
+                       input_idx_t link;
+
+                       /* Offset (as in an LZ (length, offset) pair) of the
+                        * match or literal starting at this position in the
+                        * approximate minimum-cost parse.  */
+                       input_idx_t match_offset;
+               } next;
+       };
+
+       /* Format-dependent state that exists after an approximate minimum-cost
+        * path to reach this position is taken.  For example, for LZX this is
+        * the list of recently used match offsets.  This could be 0 bytes if
+        * the format does not have any state that affects match costs.  */
+       LZ_FORMAT_STATE state;
+};
+
+struct lz_match_chooser {
+       /* Temporary space used for the match-choosing algorithm.  The size of
+        * this array must be at least one more than greedy_len but otherwise is
+        * arbitrary.  More space simply allows the match-choosing algorithm to
+        * potentially find better matches (depending on the input, as always).
+        */
+       struct lz_mc_pos_data *optimum;
+       input_idx_t array_space;
+
+       /* When a match greater than this length is found, choose it immediately
+        * without further consideration.  */
+       input_idx_t greedy_len;
+
+       /* When matches have been chosen, optimum_cur_idx is set to the position
+        * in the window of the next match/literal to return and optimum_end_idx
+        * is set to the position in the window at the end of the last
+        * match/literal to return.  */
+       input_idx_t optimum_cur_idx;
+       input_idx_t optimum_end_idx;
+};
+
+/* Initialize the match-chooser.
+ *
+ * After calling this, multiple data buffers can be scanned with it if each is
+ * preceded with a call to lz_match_chooser_begin().  */
+static bool
+lz_match_chooser_init(struct lz_match_chooser *mc,
+                     input_idx_t array_space,
+                     input_idx_t greedy_len, input_idx_t max_match_len)
+{
+       input_idx_t extra_len = min(greedy_len, max_match_len);
+
+       LZ_ASSERT(array_space > 0);
+       mc->optimum = MALLOC((array_space + extra_len) * sizeof(mc->optimum[0]));
+       if (mc->optimum == NULL)
+               return false;
+       mc->array_space = array_space;
+       mc->greedy_len = greedy_len;
+       return true;
+}
+
+static void
+lz_match_chooser_destroy(struct lz_match_chooser *mc)
+{
+       FREE(mc->optimum);
+}
+
+static void
+lz_match_chooser_begin(struct lz_match_chooser *mc)
+{
+       mc->optimum_cur_idx = 0;
+       mc->optimum_end_idx = 0;
+}
+
+/*
+ * Reverse the linked list of near-optimal matches so that they can be returned
+ * in forwards order.
+ *
+ * Returns the first match in the list.
+ */
+static _always_inline_attribute struct raw_match
+lz_match_chooser_reverse_list(struct lz_match_chooser *mc, input_idx_t cur_pos)
+{
+       unsigned prev_link, saved_prev_link;
+       unsigned prev_match_offset, saved_prev_match_offset;
+
+       mc->optimum_end_idx = cur_pos;
+
+       saved_prev_link = mc->optimum[cur_pos].prev.link;
+       saved_prev_match_offset = mc->optimum[cur_pos].prev.match_offset;
+
+       do {
+               prev_link = saved_prev_link;
+               prev_match_offset = saved_prev_match_offset;
+
+               saved_prev_link = mc->optimum[prev_link].prev.link;
+               saved_prev_match_offset = mc->optimum[prev_link].prev.match_offset;
+
+               mc->optimum[prev_link].next.link = cur_pos;
+               mc->optimum[prev_link].next.match_offset = prev_match_offset;
+
+               cur_pos = prev_link;
+       } while (cur_pos != 0);
+
+       mc->optimum_cur_idx = mc->optimum[0].next.link;
+
+       return (struct raw_match)
+               { .len = mc->optimum_cur_idx,
+                 .offset = mc->optimum[0].next.match_offset,
+               };
+}
+
+/* Format-specific functions inlined into lz_get_near_optimal_match().  */
+
+/* Get the list of possible matches at the next position.  The return value must
+ * be the number of matches found (which may be 0) and a pointer to the returned
+ * matches must be written into @matches_ret.  Matches must be of distinct
+ * lengths and sorted in decreasing order by length.  */
+typedef u32 (*lz_get_matches_t)(LZ_COMPRESSOR *ctx,
+                               const LZ_FORMAT_STATE *state,
+                               struct raw_match **matches_ret);
+
+/* Skip the specified number of bytes (don't search for matches at them).  */
+typedef void (*lz_skip_bytes_t)(LZ_COMPRESSOR *ctx, input_idx_t n);
+
+/* Get the cost of the literal located at the position at which matches have
+ * most recently been searched.  Note: this currently assumes that literals do
+ * not affect the LZ_FORMAT_STATE.  */
+typedef u32 (lz_get_prev_literal_cost_t)(LZ_COMPRESSOR *ctx);
+
+/* Get the cost of a match.  This can optionally update the @state to take into
+ * account format-dependent state that affects match costs, such as repeat
+ * offsets.  */
+typedef u32 (lz_get_match_cost_t)(LZ_COMPRESSOR *ctx, LZ_FORMAT_STATE *state,
+                                 input_idx_t length,
+                                 input_idx_t offset);
+
+/*
+ * lz_get_near_optimal_match() -
+ *
+ * Choose the optimal match or literal to use at the next position in the input.
+ *
+ * Unlike a greedy parser that always takes the longest match, or even a
+ * parser with one match/literal look-ahead like zlib, the algorithm used here
+ * may look ahead many matches/literals to determine the optimal match/literal to
+ * output next.  The motivation is that the compression ratio is improved if the
+ * compressor can do things like use a shorter-than-possible match in order to
+ * allow a longer match later, and also take into account the Huffman code cost
+ * model rather than simply assuming that longer is better.
+ *
+ * Still, this is not truly an optimal parser because very long matches are
+ * taken immediately, and the raw match-finder takes some shortcuts.  This is
+ * done to avoid considering many different alternatives that are unlikely to
+ * be significantly better.
+ *
+ * This algorithm is based on that used in 7-Zip's DEFLATE encoder.
+ *
+ * Each call to this function does one of two things:
+ *
+ * 1. Build a near-optimal sequence of matches/literals, up to some point, that
+ *    will be returned by subsequent calls to this function, then return the
+ *    first one.
+ *
+ * OR
+ *
+ * 2. Return the next match/literal previously computed by a call to this
+ *    function;
+ *
+ * The return value is a (length, offset) pair specifying the match or literal
+ * chosen.  For literals, the length is 0 or 1 and the offset is meaningless.
+ */
+static _always_inline_attribute struct raw_match
+lz_get_near_optimal_match(struct lz_match_chooser *mc,
+                         lz_get_matches_t get_matches,
+                         lz_skip_bytes_t skip_bytes,
+                         lz_get_prev_literal_cost_t get_prev_literal_cost,
+                         lz_get_match_cost_t get_match_cost,
+                         LZ_COMPRESSOR *ctx,
+                         const LZ_FORMAT_STATE *initial_state)
+{
+       u32 num_possible_matches;
+       struct raw_match *possible_matches;
+       struct raw_match match;
+       input_idx_t longest_match_len;
+
+       if (mc->optimum_cur_idx != mc->optimum_end_idx) {
+               /* Case 2: Return the next match/literal already found.  */
+               match.len = mc->optimum[mc->optimum_cur_idx].next.link -
+                                   mc->optimum_cur_idx;
+               match.offset = mc->optimum[mc->optimum_cur_idx].next.match_offset;
+
+               mc->optimum_cur_idx = mc->optimum[mc->optimum_cur_idx].next.link;
+               return match;
+       }
+
+       /* Case 1:  Compute a new list of matches/literals to return.  */
+
+       mc->optimum_cur_idx = 0;
+       mc->optimum_end_idx = 0;
+
+       /* Get matches at this position.  */
+       num_possible_matches = (*get_matches)(ctx,
+                                             initial_state,
+                                             &possible_matches);
+
+       /* If no matches found, return literal.  */
+       if (num_possible_matches == 0)
+               return (struct raw_match){ .len = 0 };
+
+       /* The matches that were found are sorted in decreasing order by length.
+        * Get the length of the longest one.  */
+       longest_match_len = possible_matches[0].len;
+
+       /* Greedy heuristic:  if the longest match that was found is greater
+        * than the number of fast bytes, return it immediately; don't both
+        * doing more work.  */
+       if (longest_match_len > mc->greedy_len) {
+               (*skip_bytes)(ctx, longest_match_len - 1);
+               return possible_matches[0];
+       }
+
+       /* Calculate the cost to reach the next position by outputting a
+        * literal.  */
+       mc->optimum[0].state = *initial_state;
+       mc->optimum[1].state = mc->optimum[0].state;
+       mc->optimum[1].cost = (*get_prev_literal_cost)(ctx);
+       mc->optimum[1].prev.link = 0;
+
+       /* Calculate the cost to reach any position up to and including that
+        * reached by the longest match, using the shortest (i.e. closest) match
+        * that reaches each position.  */
+       for (input_idx_t len = 2, match_idx = num_possible_matches - 1;
+            len <= longest_match_len; len++)
+       {
+
+               LZ_ASSERT(match_idx < num_possible_matches);
+
+               mc->optimum[len].state = mc->optimum[0].state;
+               mc->optimum[len].prev.link = 0;
+               mc->optimum[len].prev.match_offset = possible_matches[match_idx].offset;
+               mc->optimum[len].cost = (*get_match_cost)(ctx,
+                                                         &mc->optimum[len].state,
+                                                         len,
+                                                         possible_matches[match_idx].offset);
+               if (len == possible_matches[match_idx].len)
+                       match_idx--;
+       }
+
+       input_idx_t cur_pos = 0;
+
+       /* len_end: greatest index forward at which costs have been calculated
+        * so far  */
+       input_idx_t len_end = longest_match_len;
+
+       for (;;) {
+               /* Advance to next position.  */
+               cur_pos++;
+
+               if (cur_pos == len_end || cur_pos == mc->array_space)
+                       return lz_match_chooser_reverse_list(mc, cur_pos);
+
+               /* retrieve the number of matches available at this position  */
+               num_possible_matches = (*get_matches)(ctx,
+                                                     &mc->optimum[cur_pos].state,
+                                                     &possible_matches);
+
+               input_idx_t new_len = 0;
+
+               if (num_possible_matches != 0) {
+                       new_len = possible_matches[0].len;
+
+                       /* Greedy heuristic:  if we found a match greater than
+                        * the number of fast bytes, stop immediately.  */
+                       if (new_len > mc->greedy_len) {
+
+                               /* Build the list of matches to return and get
+                                * the first one.  */
+                               match = lz_match_chooser_reverse_list(mc, cur_pos);
+
+                               /* Append the long match to the end of the list.  */
+                               mc->optimum[cur_pos].next.match_offset =
+                                       possible_matches[0].offset;
+                               mc->optimum[cur_pos].next.link = cur_pos + new_len;
+                               mc->optimum_end_idx = cur_pos + new_len;
+
+                               /* Skip over the remaining bytes of the long match.  */
+                               (*skip_bytes)(ctx, new_len - 1);
+
+                               /* Return first match in the list  */
+                               return match;
+                       }
+               }
+
+               /* Consider proceeding with a literal byte.  */
+               lz_mc_cost_t cur_cost = mc->optimum[cur_pos].cost;
+               lz_mc_cost_t cur_plus_literal_cost = cur_cost +
+                               (*get_prev_literal_cost)(ctx);
+               if (cur_plus_literal_cost < mc->optimum[cur_pos + 1].cost) {
+                       mc->optimum[cur_pos + 1].cost = cur_plus_literal_cost;
+                       mc->optimum[cur_pos + 1].prev.link = cur_pos;
+                       mc->optimum[cur_pos + 1].state = mc->optimum[cur_pos].state;
+               }
+
+               if (num_possible_matches == 0)
+                       continue;
+
+               /* Consider proceeding with a match.  */
+
+               while (len_end < cur_pos + new_len)
+                       mc->optimum[++len_end].cost = LZ_MC_INFINITE_COST;
+
+               for (input_idx_t len = 2, match_idx = num_possible_matches - 1;
+                    len <= new_len; len++)
+               {
+                       LZX_ASSERT(match_idx < num_possible_matches);
+
+                       LZ_FORMAT_STATE state = mc->optimum[cur_pos].state;
+                       lz_mc_cost_t cost;
+
+                       cost = cur_cost + (*get_match_cost)(ctx,
+                                                           &state,
+                                                           len,
+                                                           possible_matches[match_idx].offset);
+
+                       if (cost < mc->optimum[cur_pos + len].cost) {
+                               mc->optimum[cur_pos + len].cost = cost;
+                               mc->optimum[cur_pos + len].prev.link = cur_pos;
+                               mc->optimum[cur_pos + len].prev.match_offset =
+                                               possible_matches[match_idx].offset;
+                               mc->optimum[cur_pos + len].state = state;
+                       }
+
+                       if (len == possible_matches[match_idx].len)
+                               match_idx--;
+               }
+       }
+}
+
+#endif /* _LZ_OPTIMAL_H  */