wimlib.net Git - wimlib/blob - include/wimlib/bt_matchfinder.h

   1 /*
   2  * bt_matchfinder.h
   3  *
   4  * Author:      Eric Biggers
   5  * Year:        2014, 2015
   6  *
   7  * The author dedicates this file to the public domain.
   8  * You can do whatever you want with this file.
   9  *
  10  * ----------------------------------------------------------------------------
  11  *
  12  * This is a Binary Trees (bt) based matchfinder.
  13  *
  14  * The data structure is a hash table where each hash bucket contains a binary
  15  * tree of sequences whose first 3 bytes share the same hash code.  Each
  16  * sequence is identified by its starting position in the input buffer.  Each
  17  * binary tree is always sorted such that each left child represents a sequence
  18  * lexicographically lesser than its parent and each right child represents a
  19  * sequence lexicographically greater than its parent.
  20  *
  21  * The algorithm processes the input buffer sequentially.  At each byte
  22  * position, the hash code of the first 3 bytes of the sequence beginning at
  23  * that position (the sequence being matched against) is computed.  This
  24  * identifies the hash bucket to use for that position.  Then, a new binary tree
  25  * node is created to represent the current sequence.  Then, in a single tree
  26  * traversal, the hash bucket's binary tree is searched for matches and is
  27  * re-rooted at the new node.
  28  *
  29  * Compared to the simpler algorithm that uses linked lists instead of binary
  30  * trees (see hc_matchfinder.h), the binary tree version gains more information
  31  * at each node visitation.  Ideally, the binary tree version will examine only
  32  * 'log(n)' nodes to find the same matches that the linked list version will
  33  * find by examining 'n' nodes.  In addition, the binary tree version can
  34  * examine fewer bytes at each node by taking advantage of the common prefixes
  35  * that result from the sort order, whereas the linked list version may have to
  36  * examine up to the full length of the match at each node.
  37  *
  38  * However, it is not always best to use the binary tree version.  It requires
  39  * nearly twice as much memory as the linked list version, and it takes time to
  40  * keep the binary trees sorted, even at positions where the compressor does not
  41  * need matches.  Generally, when doing fast compression on small buffers,
  42  * binary trees are the wrong approach.  They are best suited for thorough
  43  * compression and/or large buffers.
  44  *
  45  * ----------------------------------------------------------------------------
  46  */
  47
  48 #ifndef _BT_MATCHFINDER_H
  49 #define _BT_MATCHFINDER_H
  50
  51 #include "wimlib/lz_extend.h"
  52 #include "wimlib/lz_hash.h"
  53 #include "wimlib/matchfinder_common.h"
  54
  55 #if MATCHFINDER_MAX_WINDOW_ORDER < 13
  56 #  define BT_MATCHFINDER_HASH_ORDER 14
  57 #elif MATCHFINDER_MAX_WINDOW_ORDER < 15
  58 #  define BT_MATCHFINDER_HASH_ORDER 15
  59 #else
  60 #  define BT_MATCHFINDER_HASH_ORDER 16
  61 #endif
  62
  63 #define BT_MATCHFINDER_HASH_LENGTH      (1UL << BT_MATCHFINDER_HASH_ORDER)
  64
  65 struct bt_matchfinder {
  66         pos_t hash_tab[BT_MATCHFINDER_HASH_LENGTH];
  67         pos_t child_tab[];
  68 } _aligned_attribute(MATCHFINDER_ALIGNMENT);
  69
  70 /* Return the number of bytes that must be allocated for a 'bt_matchfinder' that
  71  * can work with buffers up to the specified size.  */
  72 static inline size_t
  73 bt_matchfinder_size(size_t max_bufsize)
  74 {
  75         return sizeof(pos_t) * (BT_MATCHFINDER_HASH_LENGTH + (2 * max_bufsize));
  76 }
  77
  78 /* Prepare the matchfinder for a new input buffer.  */
  79 static inline void
  80 bt_matchfinder_init(struct bt_matchfinder *mf)
  81 {
  82         matchfinder_init(mf->hash_tab, BT_MATCHFINDER_HASH_LENGTH);
  83 }
  84
  85 static inline u32
  86 bt_matchfinder_hash_3_bytes(const u8 *in_next)
  87 {
  88         return lz_hash_3_bytes(in_next, BT_MATCHFINDER_HASH_ORDER);
  89 }
  90
  91 static inline pos_t *
  92 bt_child(struct bt_matchfinder *mf, pos_t node, int offset)
  93 {
  94         if (MATCHFINDER_MAX_WINDOW_ORDER < sizeof(pos_t) * 8) {
  95                 /* no cast needed */
  96                 return &mf->child_tab[(node << 1) + offset];
  97         } else {
  98                 return &mf->child_tab[((size_t)node << 1) + offset];
  99         }
 100 }
 101
 102 static inline pos_t *
 103 bt_left_child(struct bt_matchfinder *mf, pos_t node)
 104 {
 105         return bt_child(mf, node, 0);
 106 }
 107
 108 static inline pos_t *
 109 bt_right_child(struct bt_matchfinder *mf, pos_t node)
 110 {
 111         return bt_child(mf, node, 1);
 112 }
 113
 114 /*
 115  * Retrieve a list of matches with the current position.
 116  *
 117  * @mf
 118  *      The matchfinder structure.
 119  * @in_begin
 120  *      Pointer to the beginning of the input buffer.
 121  * @in_next
 122  *      Pointer to the next byte in the input buffer to process.  This is the
 123  *      pointer to the sequence being matched against.
 124  * @min_len
 125  *      Only record matches that are at least this long.
 126  * @max_len
 127  *      The maximum permissible match length at this position.
 128  * @nice_len
 129  *      Stop searching if a match of at least this length is found.
 130  *      Must be <= @max_len.
 131  * @max_search_depth
 132  *      Limit on the number of potential matches to consider.  Must be >= 1.
 133  * @next_hash
 134  *      Pointer to the hash code for the current sequence, which was computed
 135  *      one position in advance so that the binary tree root could be
 136  *      prefetched.  This is an input/output parameter.
 137  * @best_len_ret
 138  *      The length of the longest match found is written here.  (This is
 139  *      actually redundant with the 'struct lz_match' array, but this is easier
 140  *      for the compiler to optimize when inlined and the caller immediately
 141  *      does a check against 'best_len'.)
 142  * @lz_matchptr
 143  *      An array in which this function will record the matches.  The recorded
 144  *      matches will be sorted by strictly increasing length and strictly
 145  *      increasing offset.  The maximum number of matches that may be found is
 146  *      'min(nice_len, max_len) - 3 + 1'.
 147  *
 148  * The return value is a pointer to the next available slot in the @lz_matchptr
 149  * array.  (If no matches were found, this will be the same as @lz_matchptr.)
 150  */
 151 static inline struct lz_match *
 152 bt_matchfinder_get_matches(struct bt_matchfinder * const restrict mf,
 153                            const u8 * const in_begin,
 154                            const u8 * const in_next,
 155                            const unsigned min_len,
 156                            const unsigned max_len,
 157                            const unsigned nice_len,
 158                            const unsigned max_search_depth,
 159                            u32 * restrict next_hash,
 160                            unsigned * restrict best_len_ret,
 161                            struct lz_match * restrict lz_matchptr)
 162 {
 163         unsigned depth_remaining = max_search_depth;
 164         u32 hash;
 165         pos_t cur_node;
 166         const u8 *matchptr;
 167         pos_t *pending_lt_ptr, *pending_gt_ptr;
 168         unsigned best_lt_len, best_gt_len;
 169         unsigned len;
 170         unsigned best_len = min_len - 1;
 171
 172         if (unlikely(max_len < LZ_HASH3_REQUIRED_NBYTES + 1)) {
 173                 *best_len_ret = best_len;
 174                 return lz_matchptr;
 175         }
 176
 177         hash = *next_hash;
 178         *next_hash = bt_matchfinder_hash_3_bytes(in_next + 1);
 179         cur_node = mf->hash_tab[hash];
 180         mf->hash_tab[hash] = in_next - in_begin;
 181         prefetchw(&mf->hash_tab[*next_hash]);
 182
 183         pending_lt_ptr = bt_left_child(mf, in_next - in_begin);
 184         pending_gt_ptr = bt_right_child(mf, in_next - in_begin);
 185         best_lt_len = 0;
 186         best_gt_len = 0;
 187         len = 0;
 188
 189         if (!matchfinder_node_valid(cur_node)) {
 190                 *pending_lt_ptr = MATCHFINDER_NULL;
 191                 *pending_gt_ptr = MATCHFINDER_NULL;
 192                 *best_len_ret = best_len;
 193                 return lz_matchptr;
 194         }
 195
 196         for (;;) {
 197                 matchptr = &in_begin[cur_node];
 198
 199                 if (matchptr[len] == in_next[len]) {
 200                         len = lz_extend(in_next, matchptr, len + 1, max_len);
 201                         if (len > best_len) {
 202                                 best_len = len;
 203                                 lz_matchptr->length = len;
 204                                 lz_matchptr->offset = in_next - matchptr;
 205                                 lz_matchptr++;
 206                                 if (len >= nice_len) {
 207                                         *pending_lt_ptr = *bt_left_child(mf, cur_node);
 208                                         *pending_gt_ptr = *bt_right_child(mf, cur_node);
 209                                         *best_len_ret = best_len;
 210                                         return lz_matchptr;
 211                                 }
 212                         }
 213                 }
 214
 215                 if (matchptr[len] < in_next[len]) {
 216                         *pending_lt_ptr = cur_node;
 217                         pending_lt_ptr = bt_right_child(mf, cur_node);
 218                         cur_node = *pending_lt_ptr;
 219                         best_lt_len = len;
 220                         if (best_gt_len < len)
 221                                 len = best_gt_len;
 222                 } else {
 223                         *pending_gt_ptr = cur_node;
 224                         pending_gt_ptr = bt_left_child(mf, cur_node);
 225                         cur_node = *pending_gt_ptr;
 226                         best_gt_len = len;
 227                         if (best_lt_len < len)
 228                                 len = best_lt_len;
 229                 }
 230
 231                 if (!matchfinder_node_valid(cur_node) || !--depth_remaining) {
 232                         *pending_lt_ptr = MATCHFINDER_NULL;
 233                         *pending_gt_ptr = MATCHFINDER_NULL;
 234                         *best_len_ret = best_len;
 235                         return lz_matchptr;
 236                 }
 237         }
 238 }
 239
 240 /*
 241  * Advance the matchfinder, but don't record any matches.
 242  *
 243  * @mf
 244  *      The matchfinder structure.
 245  * @in_begin
 246  *      Pointer to the beginning of the input buffer.
 247  * @in_next
 248  *      Pointer to the next byte in the input buffer to process.
 249  * @in_end
 250  *      Pointer to the end of the input buffer.
 251  * @nice_len
 252  *      Stop searching if a match of at least this length is found.
 253  * @max_search_depth
 254  *      Limit on the number of potential matches to consider.
 255  * @next_hash
 256  *      Pointer to the hash code for the current sequence, which was computed
 257  *      one position in advance so that the binary tree root could be
 258  *      prefetched.  This is an input/output parameter.
 259  *
 260  * Note: this is very similar to bt_matchfinder_get_matches() because both
 261  * functions must do hashing and tree re-rooting.  This version just doesn't
 262  * actually record any matches.
 263  */
 264 static inline void
 265 bt_matchfinder_skip_position(struct bt_matchfinder * const restrict mf,
 266                              const u8 * const in_begin,
 267                              const u8 * const in_next,
 268                              const u8 * const in_end,
 269                              const unsigned nice_len,
 270                              const unsigned max_search_depth,
 271                              u32 * restrict next_hash)
 272 {
 273         unsigned depth_remaining = max_search_depth;
 274         u32 hash;
 275         pos_t cur_node;
 276         const u8 *matchptr;
 277         pos_t *pending_lt_ptr, *pending_gt_ptr;
 278         unsigned best_lt_len, best_gt_len;
 279         unsigned len;
 280
 281         if (unlikely(in_end - in_next < LZ_HASH3_REQUIRED_NBYTES + 1))
 282                 return;
 283
 284         hash = *next_hash;
 285         *next_hash = bt_matchfinder_hash_3_bytes(in_next + 1);
 286         cur_node = mf->hash_tab[hash];
 287         mf->hash_tab[hash] = in_next - in_begin;
 288         prefetchw(&mf->hash_tab[*next_hash]);
 289
 290         depth_remaining = max_search_depth;
 291         pending_lt_ptr = bt_left_child(mf, in_next - in_begin);
 292         pending_gt_ptr = bt_right_child(mf, in_next - in_begin);
 293         best_lt_len = 0;
 294         best_gt_len = 0;
 295         len = 0;
 296
 297         if (!matchfinder_node_valid(cur_node)) {
 298                 *pending_lt_ptr = MATCHFINDER_NULL;
 299                 *pending_gt_ptr = MATCHFINDER_NULL;
 300                 return;
 301         }
 302
 303         for (;;) {
 304                 matchptr = &in_begin[cur_node];
 305
 306                 if (matchptr[len] == in_next[len]) {
 307                         len = lz_extend(in_next, matchptr, len + 1, nice_len);
 308                         if (len == nice_len) {
 309                                 *pending_lt_ptr = *bt_left_child(mf, cur_node);
 310                                 *pending_gt_ptr = *bt_right_child(mf, cur_node);
 311                                 return;
 312                         }
 313                 }
 314
 315                 if (matchptr[len] < in_next[len]) {
 316                         *pending_lt_ptr = cur_node;
 317                         pending_lt_ptr = bt_right_child(mf, cur_node);
 318                         cur_node = *pending_lt_ptr;
 319                         best_lt_len = len;
 320                         if (best_gt_len < len)
 321                                 len = best_gt_len;
 322                 } else {
 323                         *pending_gt_ptr = cur_node;
 324                         pending_gt_ptr = bt_left_child(mf, cur_node);
 325                         cur_node = *pending_gt_ptr;
 326                         best_gt_len = len;
 327                         if (best_lt_len < len)
 328                                 len = best_lt_len;
 329                 }
 330
 331                 if (!matchfinder_node_valid(cur_node) || !--depth_remaining) {
 332                         *pending_lt_ptr = MATCHFINDER_NULL;
 333                         *pending_gt_ptr = MATCHFINDER_NULL;
 334                         return;
 335                 }
 336         }
 337 }
 338
 339 #endif /* _BT_MATCHFINDER_H */