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

   1 /*
   2  * bt_matchfinder.h - Lempel-Ziv matchfinding with a hash table of binary trees
   3  *
   4  * Copyright 2022 Eric Biggers
   5  *
   6  * Permission is hereby granted, free of charge, to any person
   7  * obtaining a copy of this software and associated documentation
   8  * files (the "Software"), to deal in the Software without
   9  * restriction, including without limitation the rights to use,
  10  * copy, modify, merge, publish, distribute, sublicense, and/or sell
  11  * copies of the Software, and to permit persons to whom the
  12  * Software is furnished to do so, subject to the following
  13  * conditions:
  14  *
  15  * The above copyright notice and this permission notice shall be
  16  * included in all copies or substantial portions of the Software.
  17  *
  18  * THE SOFTWARE IS PROVIDED "AS IS", WITHOUT WARRANTY OF ANY KIND,
  19  * EXPRESS OR IMPLIED, INCLUDING BUT NOT LIMITED TO THE WARRANTIES
  20  * OF MERCHANTABILITY, FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE AND
  21  * NONINFRINGEMENT. IN NO EVENT SHALL THE AUTHORS OR COPYRIGHT
  22  * HOLDERS BE LIABLE FOR ANY CLAIM, DAMAGES OR OTHER LIABILITY,
  23  * WHETHER IN AN ACTION OF CONTRACT, TORT OR OTHERWISE, ARISING
  24  * FROM, OUT OF OR IN CONNECTION WITH THE SOFTWARE OR THE USE OR
  25  * OTHER DEALINGS IN THE SOFTWARE.
  26  *
  27  * ----------------------------------------------------------------------------
  28  *
  29  * This is a Binary Trees (bt) based matchfinder.
  30  *
  31  * The main data structure is a hash table where each hash bucket contains a
  32  * binary tree of sequences whose first 4 bytes share the same hash code.  Each
  33  * sequence is identified by its starting position in the input buffer.  Each
  34  * binary tree is always sorted such that each left child represents a sequence
  35  * lexicographically lesser than its parent and each right child represents a
  36  * sequence lexicographically greater than its parent.
  37  *
  38  * The algorithm processes the input buffer sequentially.  At each byte
  39  * position, the hash code of the first 4 bytes of the sequence beginning at
  40  * that position (the sequence being matched against) is computed.  This
  41  * identifies the hash bucket to use for that position.  Then, a new binary tree
  42  * node is created to represent the current sequence.  Then, in a single tree
  43  * traversal, the hash bucket's binary tree is searched for matches and is
  44  * re-rooted at the new node.
  45  *
  46  * Compared to the simpler algorithm that uses linked lists instead of binary
  47  * trees (see hc_matchfinder.h), the binary tree version gains more information
  48  * at each node visitation.  Ideally, the binary tree version will examine only
  49  * 'log(n)' nodes to find the same matches that the linked list version will
  50  * find by examining 'n' nodes.  In addition, the binary tree version can
  51  * examine fewer bytes at each node by taking advantage of the common prefixes
  52  * that result from the sort order, whereas the linked list version may have to
  53  * examine up to the full length of the match at each node.
  54  *
  55  * However, it is not always best to use the binary tree version.  It requires
  56  * nearly twice as much memory as the linked list version, and it takes time to
  57  * keep the binary trees sorted, even at positions where the compressor does not
  58  * need matches.  Generally, when doing fast compression on small buffers,
  59  * binary trees are the wrong approach.  They are best suited for thorough
  60  * compression and/or large buffers.
  61  *
  62  * ----------------------------------------------------------------------------
  63  */
  64
  65
  66 #include <string.h>
  67
  68 #include "wimlib/lz_extend.h"
  69 #include "wimlib/lz_hash.h"
  70
  71 #define BT_MATCHFINDER_HASH3_ORDER 15
  72 #define BT_MATCHFINDER_HASH3_WAYS  2
  73 #define BT_MATCHFINDER_HASH4_ORDER 16
  74
  75 /* TEMPLATED functions and structures have MF_SUFFIX appended to their name.  */
  76 #undef TEMPLATED
  77 #define TEMPLATED(name)         CONCAT(name, MF_SUFFIX)
  78
  79 #ifndef _WIMLIB_BT_MATCHFINDER_H
  80 #define _WIMLIB_BT_MATCHFINDER_H
  81
  82 /* Non-templated definitions  */
  83
  84 /* Representation of a match found by the bt_matchfinder  */
  85 struct lz_match {
  86
  87         /* The number of bytes matched.  */
  88         u32 length;
  89
  90         /* The offset back from the current position that was matched.  */
  91         u32 offset;
  92 };
  93
  94 #endif /* _WIMLIB_BT_MATCHFINDER_H */
  95
  96 struct TEMPLATED(bt_matchfinder) {
  97
  98         /* The hash table for finding length 2 matches, if enabled  */
  99 #ifdef BT_MATCHFINDER_HASH2_ORDER
 100         mf_pos_t hash2_tab[1UL << BT_MATCHFINDER_HASH2_ORDER];
 101 #endif
 102
 103         /* The hash table for finding length 3 matches  */
 104         mf_pos_t hash3_tab[1UL << BT_MATCHFINDER_HASH3_ORDER][BT_MATCHFINDER_HASH3_WAYS];
 105
 106         /* The hash table which contains the roots of the binary trees for
 107          * finding length 4+ matches  */
 108         mf_pos_t hash4_tab[1UL << BT_MATCHFINDER_HASH4_ORDER];
 109
 110         /* The child node references for the binary trees.  The left and right
 111          * children of the node for the sequence with position 'pos' are
 112          * 'child_tab[pos * 2]' and 'child_tab[pos * 2 + 1]', respectively.  */
 113         mf_pos_t child_tab[];
 114 };
 115
 116 /* Return the number of bytes that must be allocated for a 'bt_matchfinder' that
 117  * can work with buffers up to the specified size.  */
 118 static forceinline size_t
 119 TEMPLATED(bt_matchfinder_size)(size_t max_bufsize)
 120 {
 121         return sizeof(struct TEMPLATED(bt_matchfinder)) +
 122                 (2 * max_bufsize * sizeof(mf_pos_t));
 123 }
 124
 125 /* Prepare the matchfinder for a new input buffer.  */
 126 static forceinline void
 127 TEMPLATED(bt_matchfinder_init)(struct TEMPLATED(bt_matchfinder) *mf)
 128 {
 129         memset(mf, 0, sizeof(*mf));
 130 }
 131
 132 static forceinline mf_pos_t *
 133 TEMPLATED(bt_left_child)(struct TEMPLATED(bt_matchfinder) *mf, u32 node)
 134 {
 135         return &mf->child_tab[(node << 1) + 0];
 136 }
 137
 138 static forceinline mf_pos_t *
 139 TEMPLATED(bt_right_child)(struct TEMPLATED(bt_matchfinder) *mf, u32 node)
 140 {
 141         return &mf->child_tab[(node << 1) + 1];
 142 }
 143
 144 /* The minimum permissible value of 'max_len' for bt_matchfinder_get_matches()
 145  * and bt_matchfinder_skip_position().  There must be sufficiently many bytes
 146  * remaining to load a 32-bit integer from the *next* position.  */
 147 #define BT_MATCHFINDER_REQUIRED_NBYTES  5
 148
 149 /* Advance the binary tree matchfinder by one byte, optionally recording
 150  * matches.  @record_matches should be a compile-time constant.  */
 151 static forceinline struct lz_match *
 152 TEMPLATED(bt_matchfinder_advance_one_byte)(struct TEMPLATED(bt_matchfinder) * const restrict mf,
 153                                            const u8 * const restrict in_begin,
 154                                            const ptrdiff_t cur_pos,
 155                                            const u32 max_len,
 156                                            const u32 nice_len,
 157                                            const u32 max_search_depth,
 158                                            u32 next_hashes[const restrict static 2],
 159                                            u32 * const restrict best_len_ret,
 160                                            struct lz_match * restrict lz_matchptr,
 161                                            const bool record_matches)
 162 {
 163         const u8 *in_next = in_begin + cur_pos;
 164         u32 depth_remaining = max_search_depth;
 165         u32 next_seq4;
 166         u32 next_seq3;
 167         u32 hash3;
 168         u32 hash4;
 169 #ifdef BT_MATCHFINDER_HASH2_ORDER
 170         u16 seq2;
 171         u32 hash2;
 172 #endif
 173         STATIC_ASSERT(BT_MATCHFINDER_HASH3_WAYS >= 1 &&
 174                       BT_MATCHFINDER_HASH3_WAYS <= 2);
 175         u32 cur_node;
 176 #if BT_MATCHFINDER_HASH3_WAYS >= 2
 177         u32 cur_node_2;
 178 #endif
 179         const u8 *matchptr;
 180         mf_pos_t *pending_lt_ptr, *pending_gt_ptr;
 181         u32 best_lt_len, best_gt_len;
 182         u32 len;
 183         u32 best_len = 3;
 184
 185         next_seq4 = load_u32_unaligned(in_next + 1);
 186         next_seq3 = loaded_u32_to_u24(next_seq4);
 187
 188         hash3 = next_hashes[0];
 189         hash4 = next_hashes[1];
 190
 191         next_hashes[0] = lz_hash(next_seq3, BT_MATCHFINDER_HASH3_ORDER);
 192         next_hashes[1] = lz_hash(next_seq4, BT_MATCHFINDER_HASH4_ORDER);
 193         prefetchw(&mf->hash3_tab[next_hashes[0]]);
 194         prefetchw(&mf->hash4_tab[next_hashes[1]]);
 195
 196 #ifdef BT_MATCHFINDER_HASH2_ORDER
 197         seq2 = load_u16_unaligned(in_next);
 198         hash2 = lz_hash(seq2, BT_MATCHFINDER_HASH2_ORDER);
 199         cur_node = mf->hash2_tab[hash2];
 200         mf->hash2_tab[hash2] = cur_pos;
 201         if (record_matches &&
 202             seq2 == load_u16_unaligned(&in_begin[cur_node]) &&
 203             likely(in_next != in_begin))
 204         {
 205                 lz_matchptr->length = 2;
 206                 lz_matchptr->offset = in_next - &in_begin[cur_node];
 207                 lz_matchptr++;
 208         }
 209 #endif
 210
 211         cur_node = mf->hash3_tab[hash3][0];
 212         mf->hash3_tab[hash3][0] = cur_pos;
 213 #if BT_MATCHFINDER_HASH3_WAYS >= 2
 214         cur_node_2 = mf->hash3_tab[hash3][1];
 215         mf->hash3_tab[hash3][1] = cur_node;
 216 #endif
 217         if (record_matches && likely(in_next != in_begin)) {
 218                 u32 seq3 = load_u24_unaligned(in_next);
 219                 if (seq3 == load_u24_unaligned(&in_begin[cur_node])) {
 220                         lz_matchptr->length = 3;
 221                         lz_matchptr->offset = in_next - &in_begin[cur_node];
 222                         lz_matchptr++;
 223                 }
 224         #if BT_MATCHFINDER_HASH3_WAYS >= 2
 225                 else if (seq3 == load_u24_unaligned(&in_begin[cur_node_2])) {
 226                         lz_matchptr->length = 3;
 227                         lz_matchptr->offset = in_next - &in_begin[cur_node_2];
 228                         lz_matchptr++;
 229                 }
 230         #endif
 231         }
 232
 233         cur_node = mf->hash4_tab[hash4];
 234         mf->hash4_tab[hash4] = cur_pos;
 235
 236         pending_lt_ptr = TEMPLATED(bt_left_child)(mf, cur_pos);
 237         pending_gt_ptr = TEMPLATED(bt_right_child)(mf, cur_pos);
 238
 239         if (!cur_node) {
 240                 *pending_lt_ptr = 0;
 241                 *pending_gt_ptr = 0;
 242                 *best_len_ret = best_len;
 243                 return lz_matchptr;
 244         }
 245
 246         best_lt_len = 0;
 247         best_gt_len = 0;
 248         len = 0;
 249
 250         for (;;) {
 251                 matchptr = &in_begin[cur_node];
 252
 253                 if (matchptr[len] == in_next[len]) {
 254                         len = lz_extend(in_next, matchptr, len + 1, max_len);
 255                         if (!record_matches || len > best_len) {
 256                                 if (record_matches) {
 257                                         best_len = len;
 258                                         lz_matchptr->length = len;
 259                                         lz_matchptr->offset = in_next - matchptr;
 260                                         lz_matchptr++;
 261                                 }
 262                                 if (len >= nice_len) {
 263                                         *pending_lt_ptr = *TEMPLATED(bt_left_child)(mf, cur_node);
 264                                         *pending_gt_ptr = *TEMPLATED(bt_right_child)(mf, cur_node);
 265                                         *best_len_ret = best_len;
 266                                         return lz_matchptr;
 267                                 }
 268                         }
 269                 }
 270
 271                 if (matchptr[len] < in_next[len]) {
 272                         *pending_lt_ptr = cur_node;
 273                         pending_lt_ptr = TEMPLATED(bt_right_child)(mf, cur_node);
 274                         cur_node = *pending_lt_ptr;
 275                         best_lt_len = len;
 276                         if (best_gt_len < len)
 277                                 len = best_gt_len;
 278                 } else {
 279                         *pending_gt_ptr = cur_node;
 280                         pending_gt_ptr = TEMPLATED(bt_left_child)(mf, cur_node);
 281                         cur_node = *pending_gt_ptr;
 282                         best_gt_len = len;
 283                         if (best_lt_len < len)
 284                                 len = best_lt_len;
 285                 }
 286
 287                 if (!cur_node || !--depth_remaining) {
 288                         *pending_lt_ptr = 0;
 289                         *pending_gt_ptr = 0;
 290                         *best_len_ret = best_len;
 291                         return lz_matchptr;
 292                 }
 293         }
 294 }
 295
 296 /*
 297  * Retrieve a list of matches with the current position.
 298  *
 299  * @mf
 300  *      The matchfinder structure.
 301  * @in_begin
 302  *      Pointer to the beginning of the input buffer.
 303  * @cur_pos
 304  *      The current position in the input buffer (the position of the sequence
 305  *      being matched against).
 306  * @max_len
 307  *      The maximum permissible match length at this position.  Must be >=
 308  *      BT_MATCHFINDER_REQUIRED_NBYTES.
 309  * @nice_len
 310  *      Stop searching if a match of at least this length is found.
 311  *      Must be <= @max_len.
 312  * @max_search_depth
 313  *      Limit on the number of potential matches to consider.  Must be >= 1.
 314  * @next_hashes
 315  *      The precomputed hash codes for the sequence beginning at @in_next.
 316  *      These will be used and then updated with the precomputed hashcodes for
 317  *      the sequence beginning at @in_next + 1.
 318  * @best_len_ret
 319  *      If a match of length >= 4 was found, then the length of the longest such
 320  *      match is written here; otherwise 3 is written here.  (Note: this is
 321  *      redundant with the 'struct lz_match' array, but this is easier for the
 322  *      compiler to optimize when inlined and the caller immediately does a
 323  *      check against 'best_len'.)
 324  * @lz_matchptr
 325  *      An array in which this function will record the matches.  The recorded
 326  *      matches will be sorted by strictly increasing length and (non-strictly)
 327  *      increasing offset.  The maximum number of matches that may be found is
 328  *      'nice_len - 1', or one less if length 2 matches are disabled.
 329  *
 330  * The return value is a pointer to the next available slot in the @lz_matchptr
 331  * array.  (If no matches were found, this will be the same as @lz_matchptr.)
 332  */
 333 static forceinline struct lz_match *
 334 TEMPLATED(bt_matchfinder_get_matches)(struct TEMPLATED(bt_matchfinder) *mf,
 335                                       const u8 *in_begin,
 336                                       ptrdiff_t cur_pos,
 337                                       u32 max_len,
 338                                       u32 nice_len,
 339                                       u32 max_search_depth,
 340                                       u32 next_hashes[static 2],
 341                                       u32 *best_len_ret,
 342                                       struct lz_match *lz_matchptr)
 343 {
 344         return TEMPLATED(bt_matchfinder_advance_one_byte)(mf,
 345                                                           in_begin,
 346                                                           cur_pos,
 347                                                           max_len,
 348                                                           nice_len,
 349                                                           max_search_depth,
 350                                                           next_hashes,
 351                                                           best_len_ret,
 352                                                           lz_matchptr,
 353                                                           true);
 354 }
 355
 356 /*
 357  * Advance the matchfinder, but don't record any matches.
 358  *
 359  * This is very similar to bt_matchfinder_get_matches() because both functions
 360  * must do hashing and tree re-rooting.
 361  */
 362 static forceinline void
 363 TEMPLATED(bt_matchfinder_skip_position)(struct TEMPLATED(bt_matchfinder) *mf,
 364                                         const u8 *in_begin,
 365                                         ptrdiff_t cur_pos,
 366                                         u32 nice_len,
 367                                         u32 max_search_depth,
 368                                         u32 next_hashes[static 2])
 369 {
 370         u32 best_len;
 371         TEMPLATED(bt_matchfinder_advance_one_byte)(mf,
 372                                                    in_begin,
 373                                                    cur_pos,
 374                                                    nice_len,
 375                                                    nice_len,
 376                                                    max_search_depth,
 377                                                    next_hashes,
 378                                                    &best_len,
 379                                                    NULL,
 380                                                    false);
 381 }