]> wimlib.net Git - wimlib/blob - src/decompress_common.c
make_huffman_decode_table() cleanup
[wimlib] / src / decompress_common.c
1 /*
2  * decompress_common.c
3  *
4  * Code for decompression shared among multiple compression formats.
5  *
6  * The following copying information applies to this specific source code file:
7  *
8  * Written in 2012-2016 by Eric Biggers <ebiggers3@gmail.com>
9  *
10  * To the extent possible under law, the author(s) have dedicated all copyright
11  * and related and neighboring rights to this software to the public domain
12  * worldwide via the Creative Commons Zero 1.0 Universal Public Domain
13  * Dedication (the "CC0").
14  *
15  * This software is distributed in the hope that it will be useful, but WITHOUT
16  * ANY WARRANTY; without even the implied warranty of MERCHANTABILITY or FITNESS
17  * FOR A PARTICULAR PURPOSE. See the CC0 for more details.
18  *
19  * You should have received a copy of the CC0 along with this software; if not
20  * see <http://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0/>.
21  */
22
23 #ifdef HAVE_CONFIG_H
24 #  include "config.h"
25 #endif
26
27 #include <string.h>
28
29 #ifdef __SSE2__
30 #  include <emmintrin.h>
31 #endif
32
33 #include "wimlib/decompress_common.h"
34
35 /* Construct a direct mapping entry in the decode table.  */
36 #define MAKE_DIRECT_ENTRY(symbol, length) ((symbol) | ((length) << 11))
37
38 /*
39  * make_huffman_decode_table() -
40  *
41  * Build a decoding table for a canonical prefix code, or "Huffman code".
42  *
43  * This takes as input the length of the codeword for each symbol in the
44  * alphabet and produces as output a table that can be used for fast
45  * decoding of prefix-encoded symbols using read_huffsym().
46  *
47  * Strictly speaking, a canonical prefix code might not be a Huffman
48  * code.  But this algorithm will work either way; and in fact, since
49  * Huffman codes are defined in terms of symbol frequencies, there is no
50  * way for the decompressor to know whether the code is a true Huffman
51  * code or not until all symbols have been decoded.
52  *
53  * Because the prefix code is assumed to be "canonical", it can be
54  * reconstructed directly from the codeword lengths.  A prefix code is
55  * canonical if and only if a longer codeword never lexicographically
56  * precedes a shorter codeword, and the lexicographic ordering of
57  * codewords of the same length is the same as the lexicographic ordering
58  * of the corresponding symbols.  Consequently, we can sort the symbols
59  * primarily by codeword length and secondarily by symbol value, then
60  * reconstruct the prefix code by generating codewords lexicographically
61  * in that order.
62  *
63  * This function does not, however, generate the prefix code explicitly.
64  * Instead, it directly builds a table for decoding symbols using the
65  * code.  The basic idea is this: given the next 'max_codeword_len' bits
66  * in the input, we can look up the decoded symbol by indexing a table
67  * containing 2**max_codeword_len entries.  A codeword with length
68  * 'max_codeword_len' will have exactly one entry in this table, whereas
69  * a codeword shorter than 'max_codeword_len' will have multiple entries
70  * in this table.  Precisely, a codeword of length n will be represented
71  * by 2**(max_codeword_len - n) entries in this table.  The 0-based index
72  * of each such entry will contain the corresponding codeword as a prefix
73  * when zero-padded on the left to 'max_codeword_len' binary digits.
74  *
75  * That's the basic idea, but we implement two optimizations regarding
76  * the format of the decode table itself:
77  *
78  * - For many compression formats, the maximum codeword length is too
79  *   long for it to be efficient to build the full decoding table
80  *   whenever a new prefix code is used.  Instead, we can build the table
81  *   using only 2**table_bits entries, where 'table_bits' is some number
82  *   less than or equal to 'max_codeword_len'.  Then, only codewords of
83  *   length 'table_bits' and shorter can be directly looked up.  For
84  *   longer codewords, the direct lookup instead produces the root of a
85  *   binary tree.  Using this tree, the decoder can do traditional
86  *   bit-by-bit decoding of the remainder of the codeword.  Child nodes
87  *   are allocated in extra entries at the end of the table; leaf nodes
88  *   contain symbols.  Note that the long-codeword case is, in general,
89  *   not performance critical, since in Huffman codes the most frequently
90  *   used symbols are assigned the shortest codeword lengths.
91  *
92  * - When we decode a symbol using a direct lookup of the table, we still
93  *   need to know its length so that the bitstream can be advanced by the
94  *   appropriate number of bits.  The simple solution is to simply retain
95  *   the 'lens' array and use the decoded symbol as an index into it.
96  *   However, this requires two separate array accesses in the fast path.
97  *   The optimization is to store the length directly in the decode
98  *   table.  We use the bottom 11 bits for the symbol and the top 5 bits
99  *   for the length.  In addition, to combine this optimization with the
100  *   previous one, we introduce a special case where the top 2 bits of
101  *   the length are both set if the entry is actually the root of a
102  *   binary tree.
103  *
104  * @decode_table:
105  *      The array in which to create the decoding table.  This must be
106  *      16-byte aligned and must have a length of at least
107  *      ((2**table_bits) + 2 * num_syms) entries.  This is permitted to
108  *      alias @lens, since all information from @lens is consumed before
109 *       anything is written to @decode_table.
110  *
111  * @num_syms:
112  *      The number of symbols in the alphabet; also, the length of the
113  *      'lens' array.  Must be less than or equal to
114  *      DECODE_TABLE_MAX_SYMBOLS.
115  *
116  * @table_bits:
117  *      The order of the decode table size, as explained above.  Must be
118  *      less than or equal to DECODE_TABLE_MAX_TABLE_BITS.
119  *
120  * @lens:
121  *      An array of length @num_syms, indexable by symbol, that gives the
122  *      length of the codeword, in bits, for that symbol.  The length can
123  *      be 0, which means that the symbol does not have a codeword
124  *      assigned.  This is permitted to alias @decode_table, since all
125  *      information from @lens is consumed before anything is written to
126  *      @decode_table.
127  *
128  * @max_codeword_len:
129  *      The longest codeword length allowed in the compression format.
130  *      All entries in 'lens' must be less than or equal to this value.
131  *      This must be less than or equal to DECODE_TABLE_MAX_CODEWORD_LEN.
132  *
133  * Returns 0 on success, or -1 if the lengths do not form a valid prefix
134  * code.
135  */
136 int
137 make_huffman_decode_table(u16 decode_table[const],
138                           const unsigned num_syms,
139                           const unsigned table_bits,
140                           const u8 lens[const],
141                           const unsigned max_codeword_len)
142 {
143         const unsigned table_num_entries = 1 << table_bits;
144         unsigned offsets[max_codeword_len + 1];
145         unsigned len_counts[max_codeword_len + 1];
146         u16 sorted_syms[num_syms];
147         s32 remainder;
148         void *decode_table_ptr;
149         unsigned sym_idx;
150         unsigned codeword_len;
151         unsigned decode_table_pos;
152
153         /* Count how many symbols have each codeword length, including 0.  */
154         for (unsigned len = 0; len <= max_codeword_len; len++)
155                 len_counts[len] = 0;
156         for (unsigned sym = 0; sym < num_syms; sym++)
157                 len_counts[lens[sym]]++;
158
159         /* It is already guaranteed that all lengths are <= max_codeword_len,
160          * but it cannot be assumed they form a complete prefix code.  A
161          * codeword of length n should require a proportion of the codespace
162          * equaling (1/2)^n.  The code is complete if and only if, by this
163          * measure, the codespace is exactly filled by the lengths.  */
164         remainder = 1;
165         for (unsigned len = 1; len <= max_codeword_len; len++) {
166                 remainder <<= 1;
167                 remainder -= len_counts[len];
168                 if (unlikely(remainder < 0)) {
169                         /* The lengths overflow the codespace; that is, the code
170                          * is over-subscribed.  */
171                         return -1;
172                 }
173         }
174
175         if (unlikely(remainder != 0)) {
176                 /* The lengths do not fill the codespace; that is, they form an
177                  * incomplete code.  */
178                 if (remainder == (1 << max_codeword_len)) {
179                         /* The code is completely empty.  This is arguably
180                          * invalid, but in fact it is valid in LZX and XPRESS,
181                          * so we must allow it.  By definition, no symbols can
182                          * be decoded with an empty code.  Consequently, we
183                          * technically don't even need to fill in the decode
184                          * table.  However, to avoid accessing uninitialized
185                          * memory if the algorithm nevertheless attempts to
186                          * decode symbols using such a code, we zero out the
187                          * decode table.  */
188                         memset(decode_table, 0,
189                                table_num_entries * sizeof(decode_table[0]));
190                         return 0;
191                 }
192                 return -1;
193         }
194
195         /* Sort the symbols primarily by increasing codeword length and
196          * secondarily by increasing symbol value. */
197
198         /* Initialize 'offsets' so that 'offsets[len]' is the number of
199          * codewords shorter than 'len' bits, including length 0. */
200         offsets[0] = 0;
201         for (unsigned len = 0; len < max_codeword_len; len++)
202                 offsets[len + 1] = offsets[len] + len_counts[len];
203
204         /* Use the 'offsets' array to sort the symbols. */
205         for (unsigned sym = 0; sym < num_syms; sym++)
206                 sorted_syms[offsets[lens[sym]]++] = sym;
207
208         /*
209          * Fill entries for codewords with length <= table_bits
210          * --- that is, those short enough for a direct mapping.
211          *
212          * The table will start with entries for the shortest codeword(s), which
213          * have the most entries.  From there, the number of entries per
214          * codeword will decrease.  As an optimization, we may begin filling
215          * entries with SSE2 vector accesses (8 entries/store), then change to
216          * 'machine_word_t' accesses (2 or 4 entries/store), then change to
217          * 16-bit accesses (1 entry/store).
218          */
219         decode_table_ptr = decode_table;
220         sym_idx = offsets[0];
221         codeword_len = 1;
222 #ifdef __SSE2__
223         /* Fill entries one 128-bit vector (8 entries) at a time. */
224         for (unsigned stores_per_loop = (1 << (table_bits - codeword_len)) /
225                                     (sizeof(__m128i) / sizeof(decode_table[0]));
226              stores_per_loop != 0; codeword_len++, stores_per_loop >>= 1)
227         {
228                 unsigned end_sym_idx = sym_idx + len_counts[codeword_len];
229                 for (; sym_idx < end_sym_idx; sym_idx++) {
230                         /* Note: unlike in the machine_word_t version below, the
231                          * __m128i type already has __attribute__((may_alias)),
232                          * so using it to access the decode table, which is an
233                          * array of unsigned shorts, will not violate strict
234                          * aliasing.  */
235                         __m128i v = _mm_set1_epi16(
236                                         MAKE_DIRECT_ENTRY(sorted_syms[sym_idx],
237                                                           codeword_len));
238                         unsigned n = stores_per_loop;
239                         do {
240                                 *(__m128i *)decode_table_ptr = v;
241                                 decode_table_ptr += sizeof(__m128i);
242                         } while (--n);
243                 }
244         }
245 #endif /* __SSE2__ */
246
247         /* Fill entries one word (2 or 4 entries) at a time. */
248         for (unsigned stores_per_loop = (1 << (table_bits - codeword_len)) /
249                                         (WORDBYTES / sizeof(decode_table[0]));
250              stores_per_loop != 0; codeword_len++, stores_per_loop >>= 1)
251         {
252                 unsigned end_sym_idx = sym_idx + len_counts[codeword_len];
253                 for (; sym_idx < end_sym_idx; sym_idx++) {
254
255                         /* Accessing the array of u16 as u32 or u64 would
256                          * violate strict aliasing and would require compiling
257                          * the code with -fno-strict-aliasing to guarantee
258                          * correctness.  To work around this problem, use the
259                          * gcc 'may_alias' extension.  */
260                         typedef machine_word_t _may_alias_attribute aliased_word_t;
261
262                         aliased_word_t v;
263                         unsigned n = stores_per_loop;
264
265                         STATIC_ASSERT(WORDBITS == 32 || WORDBITS == 64);
266                         v = MAKE_DIRECT_ENTRY(sorted_syms[sym_idx], codeword_len);
267                         v |= v << 16;
268                         v |= v << (WORDBITS == 64 ? 32 : 0);
269
270                         do {
271                                 *(aliased_word_t *)decode_table_ptr = v;
272                                 decode_table_ptr += sizeof(aliased_word_t);
273                         } while (--n);
274                 }
275         }
276
277         /* Fill entries one at a time. */
278         for (unsigned stores_per_loop = (1 << (table_bits - codeword_len));
279              stores_per_loop != 0; codeword_len++, stores_per_loop >>= 1)
280         {
281                 unsigned end_sym_idx = sym_idx + len_counts[codeword_len];
282                 for (; sym_idx < end_sym_idx; sym_idx++) {
283                         u16 entry = MAKE_DIRECT_ENTRY(sorted_syms[sym_idx],
284                                                       codeword_len);
285                         unsigned n = stores_per_loop;
286                         do {
287                                 *(u16 *)decode_table_ptr = entry;
288                                 decode_table_ptr += sizeof(u16);
289                         } while (--n);
290                 }
291         }
292
293         /* If we've filled in the entire table, we are done.  Otherwise,
294          * there are codewords longer than table_bits for which we must
295          * generate binary trees.  */
296
297         decode_table_pos = (u16 *)decode_table_ptr - decode_table;
298         if (decode_table_pos != table_num_entries) {
299                 unsigned j;
300                 unsigned next_free_tree_slot;
301                 unsigned cur_codeword;
302
303                 /* First, zero out the remaining entries.  This is
304                  * necessary so that these entries appear as
305                  * "unallocated" in the next part.  Each of these entries
306                  * will eventually be filled with the representation of
307                  * the root node of a binary tree.  */
308                 j = decode_table_pos;
309                 do {
310                         decode_table[j] = 0;
311                 } while (++j != table_num_entries);
312
313                 /* We allocate child nodes starting at the end of the
314                  * direct lookup table.  Note that there should be
315                  * 2*num_syms extra entries for this purpose, although
316                  * fewer than this may actually be needed.  */
317                 next_free_tree_slot = table_num_entries;
318
319                 /* Iterate through each codeword with length greater than
320                  * 'table_bits', primarily in order of codeword length
321                  * and secondarily in order of symbol.  */
322                 for (cur_codeword = decode_table_pos << 1;
323                      codeword_len <= max_codeword_len;
324                      codeword_len++, cur_codeword <<= 1)
325                 {
326                         unsigned end_sym_idx = sym_idx + len_counts[codeword_len];
327                         for (; sym_idx < end_sym_idx; sym_idx++, cur_codeword++)
328                         {
329                                 /* 'sym' is the symbol represented by the
330                                  * codeword.  */
331                                 unsigned sym = sorted_syms[sym_idx];
332
333                                 unsigned extra_bits = codeword_len - table_bits;
334
335                                 unsigned node_idx = cur_codeword >> extra_bits;
336
337                                 /* Go through each bit of the current codeword
338                                  * beyond the prefix of length @table_bits and
339                                  * walk the appropriate binary tree, allocating
340                                  * any slots that have not yet been allocated.
341                                  *
342                                  * Note that the 'pointer' entry to the binary
343                                  * tree, which is stored in the direct lookup
344                                  * portion of the table, is represented
345                                  * identically to other internal (non-leaf)
346                                  * nodes of the binary tree; it can be thought
347                                  * of as simply the root of the tree.  The
348                                  * representation of these internal nodes is
349                                  * simply the index of the left child combined
350                                  * with the special bits 0xC000 to distinguish
351                                  * the entry from direct mapping and leaf node
352                                  * entries.  */
353                                 do {
354
355                                         /* At least one bit remains in the
356                                          * codeword, but the current node is an
357                                          * unallocated leaf.  Change it to an
358                                          * internal node.  */
359                                         if (decode_table[node_idx] == 0) {
360                                                 decode_table[node_idx] =
361                                                         next_free_tree_slot | 0xC000;
362                                                 decode_table[next_free_tree_slot++] = 0;
363                                                 decode_table[next_free_tree_slot++] = 0;
364                                         }
365
366                                         /* Go to the left child if the next bit
367                                          * in the codeword is 0; otherwise go to
368                                          * the right child.  */
369                                         node_idx = decode_table[node_idx] & 0x3FFF;
370                                         --extra_bits;
371                                         node_idx += (cur_codeword >> extra_bits) & 1;
372                                 } while (extra_bits != 0);
373
374                                 /* We've traversed the tree using the entire
375                                  * codeword, and we're now at the entry where
376                                  * the actual symbol will be stored.  This is
377                                  * distinguished from internal nodes by not
378                                  * having its high two bits set.  */
379                                 decode_table[node_idx] = sym;
380                         }
381                 }
382         }
383         return 0;
384 }