]> wimlib.net Git - wimlib/blob - include/wimlib/lz_optimal.h
Add wimlib_get_compressor_needed_memory()
[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 static inline u64
149 lz_match_chooser_get_needed_memory(input_idx_t array_space,
150                                    input_idx_t nice_len,
151                                    input_idx_t max_match_len)
152 {
153         input_idx_t extra_len = min(nice_len, max_match_len);
154         return ((u64)(array_space + extra_len) *
155                 sizeof(((struct lz_match_chooser*)0)->optimum[0]));
156 }
157
158 /* Free memory allocated in lz_match_chooser_init().  */
159 static void
160 lz_match_chooser_destroy(struct lz_match_chooser *mc)
161 {
162         FREE(mc->optimum);
163 }
164
165 /* Call this before starting to parse each new input string.  */
166 static void
167 lz_match_chooser_begin(struct lz_match_chooser *mc)
168 {
169         mc->optimum_cur_idx = 0;
170         mc->optimum_end_idx = 0;
171 }
172
173 /*
174  * Reverse the linked list of near-optimal matches so that they can be returned
175  * in forwards order.
176  *
177  * Returns the first match in the list.
178  */
179 static _always_inline_attribute struct raw_match
180 lz_match_chooser_reverse_list(struct lz_match_chooser *mc, input_idx_t cur_pos)
181 {
182         unsigned prev_link, saved_prev_link;
183         unsigned prev_match_offset, saved_prev_match_offset;
184
185         mc->optimum_end_idx = cur_pos;
186
187         saved_prev_link = mc->optimum[cur_pos].prev.link;
188         saved_prev_match_offset = mc->optimum[cur_pos].prev.match_offset;
189
190         do {
191                 prev_link = saved_prev_link;
192                 prev_match_offset = saved_prev_match_offset;
193
194                 saved_prev_link = mc->optimum[prev_link].prev.link;
195                 saved_prev_match_offset = mc->optimum[prev_link].prev.match_offset;
196
197                 mc->optimum[prev_link].next.link = cur_pos;
198                 mc->optimum[prev_link].next.match_offset = prev_match_offset;
199
200                 cur_pos = prev_link;
201         } while (cur_pos != 0);
202
203         mc->optimum_cur_idx = mc->optimum[0].next.link;
204
205         return (struct raw_match)
206                 { .len = mc->optimum_cur_idx,
207                   .offset = mc->optimum[0].next.match_offset,
208                 };
209 }
210
211 /* Format-specific functions inlined into lz_get_near_optimal_match().  */
212
213 /* Get the list of possible matches at the next position.  The return value must
214  * be the number of matches found (which may be 0) and a pointer to the returned
215  * matches must be written into @matches_ret.  Matches must be of distinct
216  * lengths and sorted in decreasing order by length.  Furthermore, match lengths
217  * may not exceed the @max_match_len passed to lz_match_chooser_init(), and all
218  * match lengths must be at least 2.  */
219 typedef u32 (*lz_get_matches_t)(LZ_COMPRESSOR *ctx,
220                                 const LZ_ADAPTIVE_STATE *state,
221                                 struct raw_match **matches_ret);
222
223 /* Skip the specified number of bytes (don't search for matches at them).  This
224  * is expected to be faster than simply getting the matches at each position,
225  * but the exact performance difference will be dependent on the match-finder
226  * implementation.  */
227 typedef void (*lz_skip_bytes_t)(LZ_COMPRESSOR *ctx, input_idx_t n);
228
229 /* Get the cost of the literal located at the position at which matches have
230  * most recently been searched.  This can optionally update the @state to take
231  * into account format-dependent state that affects match costs, such as repeat
232  * offsets.  */
233 typedef lz_mc_cost_t (lz_get_prev_literal_cost_t)(LZ_COMPRESSOR *ctx,
234                                                   LZ_ADAPTIVE_STATE *state);
235
236 /* Get the cost of a match.  This can optionally update the @state to take into
237  * account format-dependent state that affects match costs, such as repeat
238  * offsets.  */
239 typedef lz_mc_cost_t (lz_get_match_cost_t)(LZ_COMPRESSOR *ctx,
240                                            LZ_ADAPTIVE_STATE *state,
241                                            input_idx_t length,
242                                            input_idx_t offset);
243
244 /*
245  * lz_get_near_optimal_match() -
246  *
247  * Choose an approximately optimal match or literal to use at the next position
248  * in the string, or "window", being LZ-encoded.
249  *
250  * This is based on the algorithm used in 7-Zip's DEFLATE encoder, written by
251  * Igor Pavlov.  However it also attempts to account for adaptive state, such as
252  * a LRU queue of recent match offsets.
253  *
254  * Unlike a greedy parser that always takes the longest match, or even a "lazy"
255  * parser with one match/literal look-ahead like zlib, the algorithm used here
256  * may look ahead many matches/literals to determine the approximately optimal
257  * match/literal to code next.  The motivation is that the compression ratio is
258  * improved if the compressor can do things like use a shorter-than-possible
259  * match in order to allow a longer match later, and also take into account the
260  * estimated real cost of coding each match/literal based on the underlying
261  * entropy encoding.
262  *
263  * Still, this is not a true optimal parser for several reasons:
264  *
265  * - Very long matches (at least @nice_len) are taken immediately.  This is
266  *   because locations with long matches are likely to have many possible
267  *   alternatives that would cause slow optimal parsing, but also such locations
268  *   are already highly compressible so it is not too harmful to just grab the
269  *   longest match.
270  *
271  * - Not all possible matches at each location are considered.  Users of this
272  *   code are expected to provide a @get_matches() function that returns a list
273  *   of potentially good matches at the current position, but no more than one
274  *   per length.  It therefore must use some sort of heuristic (e.g. smallest or
275  *   repeat offset) to choose a good match to consider for a given length, if
276  *   multiple exist.  Furthermore, the @get_matches() implementation may limit
277  *   the total number of matches returned and/or the number of computational
278  *   steps spent searching for matches at each position.
279  *
280  * - This function relies on the user-provided @get_match_cost() and
281  *   @get_prev_literal_cost() functions to evaluate match and literal costs,
282  *   respectively, but real compression formats use entropy encoding of the
283  *   literal/match sequence, so the real cost of coding each match or literal is
284  *   unknown until the parse is fully determined.  It can be approximated based
285  *   on iterative parses, but the end result is not guaranteed to be globally
286  *   optimal.
287  *
288  * - Although this function allows @get_match_cost() and
289  *   @get_prev_literal_cost() to take into account adaptive state, coding
290  *   decisions made with respect to the adaptive state will be locally optimal
291  *   but will not necessarily be globally optimal.  This is because the
292  *   algorithm only keeps the least-costly path to get to a given location and
293  *   does not take into account that a slightly more costly path could result in
294  *   a different adaptive state that ultimately results in a lower global cost.
295  *
296  * - The array space used by this function is bounded, so in degenerate cases it
297  *   is forced to start returning matches/literals before the algorithm has
298  *   really finished.
299  *
300  * Each call to this function does one of two things:
301  *
302  * 1. Build a sequence of near-optimal matches/literals, up to some point, that
303  *    will be returned by subsequent calls to this function, then return the
304  *    first one.
305  *
306  * OR
307  *
308  * 2. Return the next match/literal previously computed by a call to this
309  *    function.
310  *
311  * The return value is a (length, offset) pair specifying the match or literal
312  * chosen.  For literals, the length is 0 or 1 and the offset is meaningless.
313  *
314  * NOTE: this code has been factored out of the LZX compressor so that it can be
315  * shared by other formats such as LZMS.  It is inlined so there is no loss of
316  * performance, especially with the different implementations of match-finding,
317  * cost evaluation, and adaptive state.
318  */
319 static _always_inline_attribute struct raw_match
320 lz_get_near_optimal_match(struct lz_match_chooser *mc,
321                           lz_get_matches_t get_matches,
322                           lz_skip_bytes_t skip_bytes,
323                           lz_get_prev_literal_cost_t get_prev_literal_cost,
324                           lz_get_match_cost_t get_match_cost,
325                           LZ_COMPRESSOR *ctx,
326                           const LZ_ADAPTIVE_STATE *initial_state)
327 {
328         u32 num_possible_matches;
329         struct raw_match *possible_matches;
330         struct raw_match match;
331         input_idx_t longest_match_len;
332
333         if (mc->optimum_cur_idx != mc->optimum_end_idx) {
334                 /* Case 2: Return the next match/literal already found.  */
335                 match.len = mc->optimum[mc->optimum_cur_idx].next.link -
336                                     mc->optimum_cur_idx;
337                 match.offset = mc->optimum[mc->optimum_cur_idx].next.match_offset;
338
339                 mc->optimum_cur_idx = mc->optimum[mc->optimum_cur_idx].next.link;
340                 return match;
341         }
342
343         /* Case 1:  Compute a new list of matches/literals to return.  */
344
345         mc->optimum_cur_idx = 0;
346         mc->optimum_end_idx = 0;
347
348         /* Get matches at this position.  */
349         num_possible_matches = (*get_matches)(ctx,
350                                               initial_state,
351                                               &possible_matches);
352
353         /* If no matches found, return literal.  */
354         if (num_possible_matches == 0)
355                 return (struct raw_match){ .len = 0 };
356
357         /* The matches that were found are sorted in decreasing order by length.
358          * Get the length of the longest one.  */
359         longest_match_len = possible_matches[0].len;
360
361         /* Greedy heuristic:  if the longest match that was found is greater
362          * than nice_len, return it immediately; don't both doing more work.  */
363         if (longest_match_len >= mc->nice_len) {
364                 (*skip_bytes)(ctx, longest_match_len - 1);
365                 return possible_matches[0];
366         }
367
368         /* Calculate the cost to reach the next position by coding a literal.
369          */
370         mc->optimum[1].state = *initial_state;
371         mc->optimum[1].cost = (*get_prev_literal_cost)(ctx, &mc->optimum[1].state);
372         mc->optimum[1].prev.link = 0;
373
374         /* Calculate the cost to reach any position up to and including that
375          * reached by the longest match.  Use the shortest available match that
376          * reaches each position, assuming that @get_matches() only returned
377          * shorter matches because their estimated costs were less than that of
378          * the longest match.  */
379         for (input_idx_t len = 2, match_idx = num_possible_matches - 1;
380              len <= longest_match_len; len++)
381         {
382
383                 LZ_ASSERT(match_idx < num_possible_matches);
384                 LZ_ASSERT(len <= possible_matches[match_idx].len);
385
386                 mc->optimum[len].state = *initial_state;
387                 mc->optimum[len].prev.link = 0;
388                 mc->optimum[len].prev.match_offset = possible_matches[match_idx].offset;
389                 mc->optimum[len].cost = (*get_match_cost)(ctx,
390                                                           &mc->optimum[len].state,
391                                                           len,
392                                                           possible_matches[match_idx].offset);
393                 if (len == possible_matches[match_idx].len)
394                         match_idx--;
395         }
396
397         /* Step forward, calculating the estimated minimum cost to reach each
398          * position.  The algorithm may find multiple paths to reach each
399          * position; only the lowest-cost path is saved.
400          *
401          * The progress of the parse is tracked in the @mc->optimum array, which
402          * for each position contains the minimum cost to reach that position,
403          * the index of the start of the match/literal taken to reach that
404          * position through the minimum-cost path, the offset of the match taken
405          * (not relevant for literals), and the adaptive state that will exist
406          * at that position after the minimum-cost path is taken.  The @cur_pos
407          * variable stores the position at which the algorithm is currently
408          * considering coding choices, and the @len_end variable stores the
409          * greatest offset at which the costs of coding choices have been saved.
410          * (The algorithm guarantees that all positions before @len_end are
411          * reachable by at least one path and therefore have costs computed.)
412          *
413          * The loop terminates when any one of the following conditions occurs:
414          *
415          * 1. A match greater than @nice_len is found.  When this is found, the
416          *    algorithm chooses this match unconditionally, and consequently the
417          *    near-optimal match/literal sequence up to and including that match
418          *    is fully determined.
419          *
420          * 2. @cur_pos reaches a position not overlapped by a preceding match.
421          *    In such cases, the near-optimal match/literal sequence up to
422          *    @cur_pos is fully determined.
423          *
424          * 3. Failing either of the above in a degenerate case, the loop
425          *    terminates when space in the @mc->optimum array is exhausted.
426          *    This terminates the algorithm and forces it to start returning
427          *    matches/literals even though they may not be globally optimal.
428          *
429          * Upon loop termination, a nonempty list of matches/literals has been
430          * produced and stored in the @optimum array.  They are linked in
431          * reverse order, so the last thing this function does is reverse the
432          * links and return the first match/literal, leaving the rest to be
433          * returned immediately by subsequent calls to this function.
434          */
435         input_idx_t cur_pos = 0;
436         input_idx_t len_end = longest_match_len;
437         for (;;) {
438                 /* Advance to next position.  */
439                 cur_pos++;
440
441                 /* Check termination conditions (2) and (3) noted above.  */
442                 if (cur_pos == len_end || cur_pos == mc->array_space)
443                         return lz_match_chooser_reverse_list(mc, cur_pos);
444
445                 /* Retrieve a (possibly empty) list of potentially useful
446                  * matches available at this position.  */
447                 num_possible_matches = (*get_matches)(ctx,
448                                                       &mc->optimum[cur_pos].state,
449                                                       &possible_matches);
450
451                 if (num_possible_matches == 0)
452                         longest_match_len = 0;
453                 else
454                         longest_match_len = possible_matches[0].len;
455
456                 /* Greedy heuristic and termination condition (1) noted above:
457                  * if we found a match greater than @nice_len, choose it
458                  * unconditionally and begin returning matches/literals.  */
459                 if (longest_match_len >= mc->nice_len) {
460                         /* Build the list of matches to return and get
461                          * the first one.  */
462                         match = lz_match_chooser_reverse_list(mc, cur_pos);
463
464                         /* Append the long match to the end of the list.  */
465                         mc->optimum[cur_pos].next.match_offset =
466                                 possible_matches[0].offset;
467                         mc->optimum[cur_pos].next.link = cur_pos + longest_match_len;
468                         mc->optimum_end_idx = cur_pos + longest_match_len;
469
470                         /* Skip over the remaining bytes of the long match.  */
471                         (*skip_bytes)(ctx, longest_match_len - 1);
472
473                         /* Return first match in the list.  */
474                         return match;
475                 }
476
477                 /* Load minimum cost to reach the current position.  */
478                 input_idx_t cur_cost = mc->optimum[cur_pos].cost;
479
480                 /* Consider proceeding with a literal byte.  */
481                 {
482                         LZ_ADAPTIVE_STATE state;
483                         lz_mc_cost_t cost;
484
485                         state = mc->optimum[cur_pos].state;
486                         cost = cur_cost + (*get_prev_literal_cost)(ctx, &state);
487
488                         if (cost < mc->optimum[cur_pos + 1].cost) {
489                                 mc->optimum[cur_pos + 1].cost = cost;
490                                 mc->optimum[cur_pos + 1].prev.link = cur_pos;
491                                 mc->optimum[cur_pos + 1].state = state;
492                         }
493                 }
494
495                 /* If no matches were found, continue to the next position.
496                  * Otherwise, consider proceeding with a match.  */
497
498                 if (num_possible_matches == 0)
499                         continue;
500
501                 /* Initialize any uninitialized costs up to the length of the
502                  * longest match found.  */
503                 while (len_end < cur_pos + longest_match_len)
504                         mc->optimum[++len_end].cost = LZ_MC_INFINITE_COST;
505
506                 /* Calculate the minimum cost to reach any position up to and
507                  * including that reached by the longest match.  Use the
508                  * shortest available match that reaches each position, assuming
509                  * that @get_matches() only returned shorter matches because
510                  * their estimated costs were less than that of the longest
511                  * match.  */
512                 for (input_idx_t len = 2, match_idx = num_possible_matches - 1;
513                      len <= longest_match_len; len++)
514                 {
515                         LZ_ASSERT(match_idx < num_possible_matches);
516                         LZ_ASSERT(len <= possible_matches[match_idx].len);
517
518                         LZ_ADAPTIVE_STATE state;
519                         lz_mc_cost_t cost;
520
521                         state = mc->optimum[cur_pos].state;
522                         cost = cur_cost + (*get_match_cost)(ctx,
523                                                             &state,
524                                                             len,
525                                                             possible_matches[match_idx].offset);
526
527                         if (cost < mc->optimum[cur_pos + len].cost) {
528                                 mc->optimum[cur_pos + len].cost = cost;
529                                 mc->optimum[cur_pos + len].prev.link = cur_pos;
530                                 mc->optimum[cur_pos + len].prev.match_offset =
531                                                 possible_matches[match_idx].offset;
532                                 mc->optimum[cur_pos + len].state = state;
533                         }
534
535                         if (len == possible_matches[match_idx].len)
536                                 match_idx--;
537                 }
538         }
539 }
540
541 #endif /* _LZ_OPTIMAL_H  */