]> wimlib.net Git - wimlib/blob - include/wimlib/lz_optimal.h
f352ea4738ab9e24cda7bf37e26bc00742c28fd1
[wimlib] / include / wimlib / lz_optimal.h
1 /*
2  * lz_optimal.h
3  *
4  * Near-optimal LZ (Lempel-Ziv) parsing, or "match choosing".
5  * See lz_get_near_optimal_match() for details of the algorithm.
6  *
7  * This code is not concerned with actually *finding* LZ matches, as it relies
8  * on an underlying match-finder implementation that can do so.
9  */
10
11 /*
12  * Copyright (c) 2013 Eric Biggers.  All rights reserved.
13  *
14  * Redistribution and use in source and binary forms, with or without
15  * modification, are permitted provided that the following conditions
16  * are met:
17  *
18  * 1. Redistributions of source code must retain the above copyright
19  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer.
20  *
21  * 2. Redistributions in binary form must reproduce the above copyright
22  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer in the
23  *    documentation and/or other materials provided with the distribution.
24  *
25  * THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE AUTHOR AND CONTRIBUTORS "AS IS" AND
26  * ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, THE
27  * IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR A PARTICULAR
28  * PURPOSE ARE DISCLAIMED. IN NO EVENT SHALL THE AUTHOR OR CONTRIBUTORS BE
29  * LIABLE FOR ANY DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL, SPECIAL, EXEMPLARY, OR
30  * CONSEQUENTIAL DAMAGES (INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, PROCUREMENT OF
31  * SUBSTITUTE GOODS OR SERVICES; LOSS OF USE, DATA, OR PROFITS; OR
32  * BUSINESS INTERRUPTION) HOWEVER CAUSED AND ON ANY THEORY OF LIABILITY,
33  * WHETHER IN CONTRACT, STRICT LIABILITY, OR TORT (INCLUDING NEGLIGENCE OR
34  * OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY OUT OF THE USE OF THIS SOFTWARE, EVEN IF
35  * ADVISED OF THE POSSIBILITY OF SUCH DAMAGE.
36  */
37
38 /* Define the following structures before including this header:
39  *
40  * LZ_COMPRESSOR
41  * LZ_ADAPTIVE_STATE
42  *
43  * Also, the type lz_mc_cost_t can be optionally overridden by providing an
44  * appropriate typedef and defining LZ_MC_COST_T_DEFINED.  */
45
46 #ifndef _LZ_OPTIMAL_H
47 #define _LZ_OPTIMAL_H
48
49 #include "wimlib/lz.h"
50
51 #ifndef LZ_MC_COST_T_DEFINED
52    typedef input_idx_t lz_mc_cost_t;
53 #endif
54
55 #define LZ_MC_INFINITE_COST (~(lz_mc_cost_t)0)
56
57 /*
58  * Match chooser position data:
59  *
60  * An array of these structures is used during the match-choosing algorithm.
61  * They correspond to consecutive positions in the window and are used to keep
62  * track of the cost to reach each position, and the match/literal choices that
63  * need to be chosen to reach that position.
64  */
65 struct lz_mc_pos_data {
66         /* The approximate minimum cost, in bits, to reach this position in the
67          * window which has been found so far.  */
68         lz_mc_cost_t cost;
69
70         /* The union here is just for clarity, since the fields are used in two
71          * slightly different ways.  Initially, the @prev structure is filled in
72          * first, and links go from later in the window to earlier in the
73          * window.  Later, @next structure is filled in and links go from
74          * earlier in the window to later in the window.  */
75         union {
76                 struct {
77                         /* Position of the start of the match or literal that
78                          * was taken to get to this position in the approximate
79                          * minimum-cost parse.  */
80                         input_idx_t link;
81
82                         /* Offset (as in an LZ (length, offset) pair) of the
83                          * match or literal that was taken to get to this
84                          * position in the approximate minimum-cost parse.  */
85                         input_idx_t match_offset;
86                 } prev;
87                 struct {
88                         /* Position at which the match or literal starting at
89                          * this position ends in the minimum-cost parse.  */
90                         input_idx_t link;
91
92                         /* Offset (as in an LZ (length, offset) pair) of the
93                          * match or literal starting at this position in the
94                          * approximate minimum-cost parse.  */
95                         input_idx_t match_offset;
96                 } next;
97         };
98
99         /* Format-dependent adaptive state that exists after an approximate
100          * minimum-cost path to reach this position is taken.  For example, for
101          * LZX this is the list of recently used match offsets.  If the format
102          * does not have any adaptive state that affects match costs,
103          * LZ_ADAPTIVE_STATE could be set to a dummy structure of size 0.  */
104         LZ_ADAPTIVE_STATE state;
105 };
106
107 struct lz_match_chooser {
108         /* Temporary space used for the match-choosing algorithm.  The size of
109          * this array must be at least one more than @nice_len but otherwise is
110          * arbitrary.  More space decreases the frequency at which the algorithm
111          * is forced to terminate early.  4096 spaces seems sufficient for most
112          * real data.  */
113         struct lz_mc_pos_data *optimum;
114         input_idx_t array_space;
115
116         /* When a match with length greater than or equal to this length is
117          * found, choose it immediately without further consideration.  */
118         input_idx_t nice_len;
119
120         /* When matches have been chosen, optimum_cur_idx is set to the position
121          * in the window of the next match/literal to return and optimum_end_idx
122          * is set to the position in the window at the end of the last
123          * match/literal to return.  */
124         input_idx_t optimum_cur_idx;
125         input_idx_t optimum_end_idx;
126 };
127
128 /* Initialize the match-chooser.
129  *
130  * After calling this, multiple data buffers can be scanned with it if each is
131  * preceded with a call to lz_match_chooser_begin().  */
132 static bool
133 lz_match_chooser_init(struct lz_match_chooser *mc,
134                       input_idx_t array_space,
135                       input_idx_t nice_len, input_idx_t max_match_len)
136 {
137         input_idx_t extra_len = min(nice_len, max_match_len);
138
139         LZ_ASSERT(array_space > 0);
140         mc->optimum = MALLOC((array_space + extra_len) * sizeof(mc->optimum[0]));
141         if (mc->optimum == NULL)
142                 return false;
143         mc->array_space = array_space;
144         mc->nice_len = nice_len;
145         return true;
146 }
147
148 /* Free memory allocated in lz_match_chooser_init().  */
149 static void
150 lz_match_chooser_destroy(struct lz_match_chooser *mc)
151 {
152         FREE(mc->optimum);
153 }
154
155 /* Call this before starting to parse each new input string.  */
156 static void
157 lz_match_chooser_begin(struct lz_match_chooser *mc)
158 {
159         mc->optimum_cur_idx = 0;
160         mc->optimum_end_idx = 0;
161 }
162
163 /*
164  * Reverse the linked list of near-optimal matches so that they can be returned
165  * in forwards order.
166  *
167  * Returns the first match in the list.
168  */
169 static _always_inline_attribute struct raw_match
170 lz_match_chooser_reverse_list(struct lz_match_chooser *mc, input_idx_t cur_pos)
171 {
172         unsigned prev_link, saved_prev_link;
173         unsigned prev_match_offset, saved_prev_match_offset;
174
175         mc->optimum_end_idx = cur_pos;
176
177         saved_prev_link = mc->optimum[cur_pos].prev.link;
178         saved_prev_match_offset = mc->optimum[cur_pos].prev.match_offset;
179
180         do {
181                 prev_link = saved_prev_link;
182                 prev_match_offset = saved_prev_match_offset;
183
184                 saved_prev_link = mc->optimum[prev_link].prev.link;
185                 saved_prev_match_offset = mc->optimum[prev_link].prev.match_offset;
186
187                 mc->optimum[prev_link].next.link = cur_pos;
188                 mc->optimum[prev_link].next.match_offset = prev_match_offset;
189
190                 cur_pos = prev_link;
191         } while (cur_pos != 0);
192
193         mc->optimum_cur_idx = mc->optimum[0].next.link;
194
195         return (struct raw_match)
196                 { .len = mc->optimum_cur_idx,
197                   .offset = mc->optimum[0].next.match_offset,
198                 };
199 }
200
201 /* Format-specific functions inlined into lz_get_near_optimal_match().  */
202
203 /* Get the list of possible matches at the next position.  The return value must
204  * be the number of matches found (which may be 0) and a pointer to the returned
205  * matches must be written into @matches_ret.  Matches must be of distinct
206  * lengths and sorted in decreasing order by length.  Furthermore, match lengths
207  * may not exceed the @max_match_len passed to lz_match_chooser_init().  */
208 typedef u32 (*lz_get_matches_t)(LZ_COMPRESSOR *ctx,
209                                 const LZ_ADAPTIVE_STATE *state,
210                                 struct raw_match **matches_ret);
211
212 /* Skip the specified number of bytes (don't search for matches at them).  This
213  * is expected to be faster than simply getting the matches at each position,
214  * but the exact performance difference will be dependent on the match-finder
215  * implementation.  */
216 typedef void (*lz_skip_bytes_t)(LZ_COMPRESSOR *ctx, input_idx_t n);
217
218 /* Get the cost of the literal located at the position at which matches have
219  * most recently been searched.  This can optionally update the @state to take
220  * into account format-dependent state that affects match costs, such as repeat
221  * offsets.  */
222 typedef lz_mc_cost_t (lz_get_prev_literal_cost_t)(LZ_COMPRESSOR *ctx,
223                                                   LZ_ADAPTIVE_STATE *state);
224
225 /* Get the cost of a match.  This can optionally update the @state to take into
226  * account format-dependent state that affects match costs, such as repeat
227  * offsets.  */
228 typedef lz_mc_cost_t (lz_get_match_cost_t)(LZ_COMPRESSOR *ctx,
229                                            LZ_ADAPTIVE_STATE *state,
230                                            input_idx_t length,
231                                            input_idx_t offset);
232
233 /*
234  * lz_get_near_optimal_match() -
235  *
236  * Choose an approximately optimal match or literal to use at the next position
237  * in the string, or "window", being LZ-encoded.
238  *
239  * This is based on the algorithm used in 7-Zip's DEFLATE encoder, written by
240  * Igor Pavlov.  However it also attempts to account for adaptive state, such as
241  * a LRU queue of recent match offsets.
242  *
243  * Unlike a greedy parser that always takes the longest match, or even a "lazy"
244  * parser with one match/literal look-ahead like zlib, the algorithm used here
245  * may look ahead many matches/literals to determine the approximately optimal
246  * match/literal to code next.  The motivation is that the compression ratio is
247  * improved if the compressor can do things like use a shorter-than-possible
248  * match in order to allow a longer match later, and also take into account the
249  * estimated real cost of coding each match/literal based on the underlying
250  * entropy encoding.
251  *
252  * Still, this is not a true optimal parser for several reasons:
253  *
254  * - Very long matches (at least @nice_len) are taken immediately.  This is
255  *   because locations with long matches are likely to have many possible
256  *   alternatives that would cause slow optimal parsing, but also such locations
257  *   are already highly compressible so it is not too harmful to just grab the
258  *   longest match.
259  *
260  * - Not all possible matches at each location are considered.  Users of this
261  *   code are expected to provide a @get_matches() function that returns a list
262  *   of potentially good matches at the current position, but no more than one
263  *   per length.  It therefore must use some sort of heuristic (e.g. smallest or
264  *   repeat offset) to choose a good match to consider for a given length, if
265  *   multiple exist.  Furthermore, the @get_matches() implementation may limit
266  *   the total number of matches returned and/or the number of computational
267  *   steps spent searching for matches at each position.
268  *
269  * - This function relies on the user-provided @get_match_cost() and
270  *   @get_prev_literal_cost() functions to evaluate match and literal costs,
271  *   respectively, but real compression formats use entropy encoding of the
272  *   literal/match sequence, so the real cost of coding each match or literal is
273  *   unknown until the parse is fully determined.  It can be approximated based
274  *   on iterative parses, but the end result is not guaranteed to be globally
275  *   optimal.
276  *
277  * - Although this function allows @get_match_cost() and
278  *   @get_prev_literal_cost() to take into account adaptive state, coding
279  *   decisions made with respect to the adaptive state will be locally optimal
280  *   but will not necessarily be globally optimal.  This is because the
281  *   algorithm only keeps the least-costly path to get to a given location and
282  *   does not take into account that a slightly more costly path could result in
283  *   a different adaptive state that ultimately results in a lower global cost.
284  *
285  * - The array space used by this function is bounded, so in degenerate cases it
286  *   is forced to start returning matches/literals before the algorithm has
287  *   really finished.
288  *
289  * Each call to this function does one of two things:
290  *
291  * 1. Build a sequence of near-optimal matches/literals, up to some point, that
292  *    will be returned by subsequent calls to this function, then return the
293  *    first one.
294  *
295  * OR
296  *
297  * 2. Return the next match/literal previously computed by a call to this
298  *    function.
299  *
300  * The return value is a (length, offset) pair specifying the match or literal
301  * chosen.  For literals, the length is 0 or 1 and the offset is meaningless.
302  *
303  * NOTE: this code has been factored out of the LZX compressor so that it can be
304  * shared by other formats such as LZMS.  It is inlined so there is no loss of
305  * performance, especially with the different implementations of match-finding,
306  * cost evaluation, and adaptive state.
307  */
308 static _always_inline_attribute struct raw_match
309 lz_get_near_optimal_match(struct lz_match_chooser *mc,
310                           lz_get_matches_t get_matches,
311                           lz_skip_bytes_t skip_bytes,
312                           lz_get_prev_literal_cost_t get_prev_literal_cost,
313                           lz_get_match_cost_t get_match_cost,
314                           LZ_COMPRESSOR *ctx,
315                           const LZ_ADAPTIVE_STATE *initial_state)
316 {
317         u32 num_possible_matches;
318         struct raw_match *possible_matches;
319         struct raw_match match;
320         input_idx_t longest_match_len;
321
322         if (mc->optimum_cur_idx != mc->optimum_end_idx) {
323                 /* Case 2: Return the next match/literal already found.  */
324                 match.len = mc->optimum[mc->optimum_cur_idx].next.link -
325                                     mc->optimum_cur_idx;
326                 match.offset = mc->optimum[mc->optimum_cur_idx].next.match_offset;
327
328                 mc->optimum_cur_idx = mc->optimum[mc->optimum_cur_idx].next.link;
329                 return match;
330         }
331
332         /* Case 1:  Compute a new list of matches/literals to return.  */
333
334         mc->optimum_cur_idx = 0;
335         mc->optimum_end_idx = 0;
336
337         /* Get matches at this position.  */
338         num_possible_matches = (*get_matches)(ctx,
339                                               initial_state,
340                                               &possible_matches);
341
342         /* If no matches found, return literal.  */
343         if (num_possible_matches == 0)
344                 return (struct raw_match){ .len = 0 };
345
346         /* The matches that were found are sorted in decreasing order by length.
347          * Get the length of the longest one.  */
348         longest_match_len = possible_matches[0].len;
349
350         /* Greedy heuristic:  if the longest match that was found is greater
351          * than nice_len, return it immediately; don't both doing more work.  */
352         if (longest_match_len >= mc->nice_len) {
353                 (*skip_bytes)(ctx, longest_match_len - 1);
354                 return possible_matches[0];
355         }
356
357         /* Calculate the cost to reach the next position by coding a literal.
358          */
359         mc->optimum[1].state = *initial_state;
360         mc->optimum[1].cost = (*get_prev_literal_cost)(ctx, &mc->optimum[1].state);
361         mc->optimum[1].prev.link = 0;
362
363         /* Calculate the cost to reach any position up to and including that
364          * reached by the longest match.  Use the shortest available match that
365          * reaches each position, assuming that @get_matches() only returned
366          * shorter matches because their estimated costs were less than that of
367          * the longest match.  */
368         for (input_idx_t len = 2, match_idx = num_possible_matches - 1;
369              len <= longest_match_len; len++)
370         {
371
372                 LZ_ASSERT(match_idx < num_possible_matches);
373                 LZ_ASSERT(len <= possible_matches[match_idx].len);
374
375                 mc->optimum[len].state = *initial_state;
376                 mc->optimum[len].prev.link = 0;
377                 mc->optimum[len].prev.match_offset = possible_matches[match_idx].offset;
378                 mc->optimum[len].cost = (*get_match_cost)(ctx,
379                                                           &mc->optimum[len].state,
380                                                           len,
381                                                           possible_matches[match_idx].offset);
382                 if (len == possible_matches[match_idx].len)
383                         match_idx--;
384         }
385
386         /* Step forward, calculating the estimated minimum cost to reach each
387          * position.  The algorithm may find multiple paths to reach each
388          * position; only the lowest-cost path is saved.
389          *
390          * The progress of the parse is tracked in the @mc->optimum array, which
391          * for each position contains the minimum cost to reach that position,
392          * the index of the start of the match/literal taken to reach that
393          * position through the minimum-cost path, the offset of the match taken
394          * (not relevant for literals), and the adaptive state that will exist
395          * at that position after the minimum-cost path is taken.  The @cur_pos
396          * variable stores the position at which the algorithm is currently
397          * considering coding choices, and the @len_end variable stores the
398          * greatest offset at which the costs of coding choices have been saved.
399          * (The algorithm guarantees that all positions before @len_end are
400          * reachable by at least one path and therefore have costs computed.)
401          *
402          * The loop terminates when any one of the following conditions occurs:
403          *
404          * 1. A match greater than @nice_len is found.  When this is found, the
405          *    algorithm chooses this match unconditionally, and consequently the
406          *    near-optimal match/literal sequence up to and including that match
407          *    is fully determined.
408          *
409          * 2. @cur_pos reaches a position not overlapped by a preceding match.
410          *    In such cases, the near-optimal match/literal sequence up to
411          *    @cur_pos is fully determined.
412          *
413          * 3. Failing either of the above in a degenerate case, the loop
414          *    terminates when space in the @mc->optimum array is exhausted.
415          *    This terminates the algorithm and forces it to start returning
416          *    matches/literals even though they may not be globally optimal.
417          *
418          * Upon loop termination, a nonempty list of matches/literals has been
419          * produced and stored in the @optimum array.  They are linked in
420          * reverse order, so the last thing this function does is reverse the
421          * links and return the first match/literal, leaving the rest to be
422          * returned immediately by subsequent calls to this function.
423          */
424         input_idx_t cur_pos = 0;
425         input_idx_t len_end = longest_match_len;
426         for (;;) {
427                 /* Advance to next position.  */
428                 cur_pos++;
429
430                 /* Check termination conditions (2) and (3) noted above.  */
431                 if (cur_pos == len_end || cur_pos == mc->array_space)
432                         return lz_match_chooser_reverse_list(mc, cur_pos);
433
434                 /* Retrieve a (possibly empty) list of potentially useful
435                  * matches available at this position.  */
436                 num_possible_matches = (*get_matches)(ctx,
437                                                       &mc->optimum[cur_pos].state,
438                                                       &possible_matches);
439
440                 if (num_possible_matches == 0)
441                         longest_match_len = 0;
442                 else
443                         longest_match_len = possible_matches[0].len;
444
445                 /* Greedy heuristic and termination condition (1) noted above:
446                  * if we found a match greater than @nice_len, choose it
447                  * unconditionally and begin returning matches/literals.  */
448                 if (longest_match_len >= mc->nice_len) {
449                         /* Build the list of matches to return and get
450                          * the first one.  */
451                         match = lz_match_chooser_reverse_list(mc, cur_pos);
452
453                         /* Append the long match to the end of the list.  */
454                         mc->optimum[cur_pos].next.match_offset =
455                                 possible_matches[0].offset;
456                         mc->optimum[cur_pos].next.link = cur_pos + longest_match_len;
457                         mc->optimum_end_idx = cur_pos + longest_match_len;
458
459                         /* Skip over the remaining bytes of the long match.  */
460                         (*skip_bytes)(ctx, longest_match_len - 1);
461
462                         /* Return first match in the list.  */
463                         return match;
464                 }
465
466                 /* Load minimum cost to reach the current position.  */
467                 input_idx_t cur_cost = mc->optimum[cur_pos].cost;
468
469                 /* Consider proceeding with a literal byte.  */
470                 {
471                         LZ_ADAPTIVE_STATE state;
472                         lz_mc_cost_t cost;
473
474                         state = mc->optimum[cur_pos].state;
475                         cost = cur_cost + (*get_prev_literal_cost)(ctx, &state);
476
477                         if (cost < mc->optimum[cur_pos + 1].cost) {
478                                 mc->optimum[cur_pos + 1].cost = cost;
479                                 mc->optimum[cur_pos + 1].prev.link = cur_pos;
480                                 mc->optimum[cur_pos + 1].state = state;
481                         }
482                 }
483
484                 /* If no matches were found, continue to the next position.
485                  * Otherwise, consider proceeding with a match.  */
486
487                 if (num_possible_matches == 0)
488                         continue;
489
490                 /* Initialize any uninitialized costs up to the length of the
491                  * longest match found.  */
492                 while (len_end < cur_pos + longest_match_len)
493                         mc->optimum[++len_end].cost = LZ_MC_INFINITE_COST;
494
495                 /* Calculate the minimum cost to reach any position up to and
496                  * including that reached by the longest match.  Use the
497                  * shortest available match that reaches each position, assuming
498                  * that @get_matches() only returned shorter matches because
499                  * their estimated costs were less than that of the longest
500                  * match.  */
501                 for (input_idx_t len = 2, match_idx = num_possible_matches - 1;
502                      len <= longest_match_len; len++)
503                 {
504                         LZ_ASSERT(match_idx < num_possible_matches);
505                         LZ_ASSERT(len <= possible_matches[match_idx].len);
506
507                         LZ_ADAPTIVE_STATE state;
508                         lz_mc_cost_t cost;
509
510                         state = mc->optimum[cur_pos].state;
511                         cost = cur_cost + (*get_match_cost)(ctx,
512                                                             &state,
513                                                             len,
514                                                             possible_matches[match_idx].offset);
515
516                         if (cost < mc->optimum[cur_pos + len].cost) {
517                                 mc->optimum[cur_pos + len].cost = cost;
518                                 mc->optimum[cur_pos + len].prev.link = cur_pos;
519                                 mc->optimum[cur_pos + len].prev.match_offset =
520                                                 possible_matches[match_idx].offset;
521                                 mc->optimum[cur_pos + len].state = state;
522                         }
523
524                         if (len == possible_matches[match_idx].len)
525                                 match_idx--;
526                 }
527         }
528 }
529
530 #endif /* _LZ_OPTIMAL_H  */