]> wimlib.net Git - wimlib/blob - src/decompress_common.c
inode.h, inode.c cleanup
[wimlib] / src / decompress_common.c
1 /*
2  * decompress_common.c
3  *
4  * Code for decompression shared among multiple compression formats.
5  *
6  * Author:  Eric Biggers
7  * Year:    2012 - 2014
8  *
9  * The author dedicates this file to the public domain.
10  * You can do whatever you want with this file.
11  */
12
13 #ifdef HAVE_CONFIG_H
14 #  include "config.h"
15 #endif
16
17 #include "wimlib/assert.h"
18 #include "wimlib/decompress_common.h"
19
20 #include <string.h>
21
22 #define USE_WORD_FILL
23
24 #ifdef __GNUC__
25 #  ifdef __SSE2__
26 #    undef USE_WORD_FILL
27 #    define USE_SSE2_FILL
28 #    include <emmintrin.h>
29 #  endif
30 #endif
31
32 /* Construct a direct mapping entry in the lookup table.  */
33 #define MAKE_DIRECT_ENTRY(symbol, length) ((symbol) | ((length) << 11))
34
35 /*
36  * make_huffman_decode_table() -
37  *
38  * Build a decoding table for a canonical prefix code, or "Huffman code".
39  *
40  * This takes as input the length of the codeword for each symbol in the
41  * alphabet and produces as output a table that can be used for fast
42  * decoding of prefix-encoded symbols using read_huffsym().
43  *
44  * Strictly speaking, a canonical prefix code might not be a Huffman
45  * code.  But this algorithm will work either way; and in fact, since
46  * Huffman codes are defined in terms of symbol frequencies, there is no
47  * way for the decompressor to know whether the code is a true Huffman
48  * code or not until all symbols have been decoded.
49  *
50  * Because the prefix code is assumed to be "canonical", it can be
51  * reconstructed directly from the codeword lengths.  A prefix code is
52  * canonical if and only if a longer codeword never lexicographically
53  * precedes a shorter codeword, and the lexicographic ordering of
54  * codewords of the same length is the same as the lexicographic ordering
55  * of the corresponding symbols.  Consequently, we can sort the symbols
56  * primarily by codeword length and secondarily by symbol value, then
57  * reconstruct the prefix code by generating codewords lexicographically
58  * in that order.
59  *
60  * This function does not, however, generate the prefix code explicitly.
61  * Instead, it directly builds a table for decoding symbols using the
62  * code.  The basic idea is this: given the next 'max_codeword_len' bits
63  * in the input, we can look up the decoded symbol by indexing a table
64  * containing 2**max_codeword_len entries.  A codeword with length
65  * 'max_codeword_len' will have exactly one entry in this table, whereas
66  * a codeword shorter than 'max_codeword_len' will have multiple entries
67  * in this table.  Precisely, a codeword of length n will be represented
68  * by 2**(max_codeword_len - n) entries in this table.  The 0-based index
69  * of each such entry will contain the corresponding codeword as a prefix
70  * when zero-padded on the left to 'max_codeword_len' binary digits.
71  *
72  * That's the basic idea, but we implement two optimizations regarding
73  * the format of the decode table itself:
74  *
75  * - For many compression formats, the maximum codeword length is too
76  *   long for it to be efficient to build the full decoding table
77  *   whenever a new prefix code is used.  Instead, we can build the table
78  *   using only 2**table_bits entries, where 'table_bits' is some number
79  *   less than or equal to 'max_codeword_len'.  Then, only codewords of
80  *   length 'table_bits' and shorter can be directly looked up.  For
81  *   longer codewords, the direct lookup instead produces the root of a
82  *   binary tree.  Using this tree, the decoder can do traditional
83  *   bit-by-bit decoding of the remainder of the codeword.  Child nodes
84  *   are allocated in extra entries at the end of the table; leaf nodes
85  *   contain symbols.  Note that the long-codeword case is, in general,
86  *   not performance critical, since in Huffman codes the most frequently
87  *   used symbols are assigned the shortest codeword lengths.
88  *
89  * - When we decode a symbol using a direct lookup of the table, we still
90  *   need to know its length so that the bitstream can be advanced by the
91  *   appropriate number of bits.  The simple solution is to simply retain
92  *   the 'lens' array and use the decoded symbol as an index into it.
93  *   However, this requires two separate array accesses in the fast path.
94  *   The optimization is to store the length directly in the decode
95  *   table.  We use the bottom 11 bits for the symbol and the top 5 bits
96  *   for the length.  In addition, to combine this optimization with the
97  *   previous one, we introduce a special case where the top 2 bits of
98  *   the length are both set if the entry is actually the root of a
99  *   binary tree.
100  *
101  * @decode_table:
102  *      The array in which to create the decoding table.
103  *      This must be 16-byte aligned and must have a length of at least
104  *      ((2**table_bits) + 2 * num_syms) entries.
105  *
106  * @num_syms:
107  *      The number of symbols in the alphabet; also, the length of the
108  *      'lens' array.  Must be less than or equal to
109  *      DECODE_TABLE_MAX_SYMBOLS.
110  *
111  * @table_bits:
112  *      The order of the decode table size, as explained above.  Must be
113  *      less than or equal to DECODE_TABLE_MAX_TABLE_BITS.
114  *
115  * @lens:
116  *      An array of length @num_syms, indexable by symbol, that gives the
117  *      length of the codeword, in bits, for that symbol.  The length can
118  *      be 0, which means that the symbol does not have a codeword
119  *      assigned.
120  *
121  * @max_codeword_len:
122  *      The longest codeword length allowed in the compression format.
123  *      All entries in 'lens' must be less than or equal to this value.
124  *      This must be less than or equal to DECODE_TABLE_MAX_CODEWORD_LEN.
125  *
126  * Returns 0 on success, or -1 if the lengths do not form a valid prefix
127  * code.
128  */
129 int
130 make_huffman_decode_table(u16 decode_table[const restrict],
131                           const unsigned num_syms,
132                           const unsigned table_bits,
133                           const u8 lens[const restrict],
134                           const unsigned max_codeword_len)
135 {
136         const unsigned table_num_entries = 1 << table_bits;
137         unsigned len_counts[max_codeword_len + 1];
138         u16 sorted_syms[num_syms];
139         int left;
140         void *decode_table_ptr;
141         unsigned sym_idx;
142         unsigned codeword_len;
143         unsigned stores_per_loop;
144         unsigned decode_table_pos;
145
146 #ifdef USE_WORD_FILL
147         const unsigned entries_per_word = WORDSIZE / sizeof(decode_table[0]);
148 #endif
149
150 #ifdef USE_SSE2_FILL
151         const unsigned entries_per_xmm = sizeof(__m128i) / sizeof(decode_table[0]);
152 #endif
153
154         /* Check parameters if assertions are enabled.  */
155         wimlib_assert2((uintptr_t)decode_table % DECODE_TABLE_ALIGNMENT == 0);
156         wimlib_assert2(num_syms <= DECODE_TABLE_MAX_SYMBOLS);
157         wimlib_assert2(table_bits <= DECODE_TABLE_MAX_TABLE_BITS);
158         wimlib_assert2(max_codeword_len <= DECODE_TABLE_MAX_CODEWORD_LEN);
159         for (unsigned sym = 0; sym < num_syms; sym++)
160                 wimlib_assert2(lens[sym] <= max_codeword_len);
161
162         /* Count how many symbols have each possible codeword length.
163          * Note that a length of 0 indicates the corresponding symbol is not
164          * used in the code and therefore does not have a codeword.  */
165         for (unsigned len = 0; len <= max_codeword_len; len++)
166                 len_counts[len] = 0;
167         for (unsigned sym = 0; sym < num_syms; sym++)
168                 len_counts[lens[sym]]++;
169
170         /* We can assume all lengths are <= max_codeword_len, but we
171          * cannot assume they form a valid prefix code.  A codeword of
172          * length n should require a proportion of the codespace equaling
173          * (1/2)^n.  The code is valid if and only if the codespace is
174          * exactly filled by the lengths, by this measure.  */
175         left = 1;
176         for (unsigned len = 1; len <= max_codeword_len; len++) {
177                 left <<= 1;
178                 left -= len_counts[len];
179                 if (unlikely(left < 0)) {
180                         /* The lengths overflow the codespace; that is, the code
181                          * is over-subscribed.  */
182                         return -1;
183                 }
184         }
185
186         if (unlikely(left != 0)) {
187                 /* The lengths do not fill the codespace; that is, they form an
188                  * incomplete set.  */
189                 if (left == (1 << max_codeword_len)) {
190                         /* The code is completely empty.  This is arguably
191                          * invalid, but in fact it is valid in LZX and XPRESS,
192                          * so we must allow it.  By definition, no symbols can
193                          * be decoded with an empty code.  Consequently, we
194                          * technically don't even need to fill in the decode
195                          * table.  However, to avoid accessing uninitialized
196                          * memory if the algorithm nevertheless attempts to
197                          * decode symbols using such a code, we zero out the
198                          * decode table.  */
199                         memset(decode_table, 0,
200                                table_num_entries * sizeof(decode_table[0]));
201                         return 0;
202                 }
203                 return -1;
204         }
205
206         /* Sort the symbols primarily by length and secondarily by symbol order.
207          */
208         {
209                 unsigned offsets[max_codeword_len + 1];
210
211                 /* Initialize 'offsets' so that offsets[len] for 1 <= len <=
212                  * max_codeword_len is the number of codewords shorter than
213                  * 'len' bits.  */
214                 offsets[1] = 0;
215                 for (unsigned len = 1; len < max_codeword_len; len++)
216                         offsets[len + 1] = offsets[len] + len_counts[len];
217
218                 /* Use the 'offsets' array to sort the symbols.
219                  * Note that we do not include symbols that are not used in the
220                  * code.  Consequently, fewer than 'num_syms' entries in
221                  * 'sorted_syms' may be filled.  */
222                 for (unsigned sym = 0; sym < num_syms; sym++)
223                         if (lens[sym] != 0)
224                                 sorted_syms[offsets[lens[sym]]++] = sym;
225         }
226
227         /* Fill entries for codewords with length <= table_bits
228          * --- that is, those short enough for a direct mapping.
229          *
230          * The table will start with entries for the shortest codeword(s), which
231          * have the most entries.  From there, the number of entries per
232          * codeword will decrease.  As an optimization, we may begin filling
233          * entries with SSE2 vector accesses (8 entries/store), then change to
234          * 'machine_word_t' accesses (2 or 4 entries/store), then change to
235          * 16-bit accesses (1 entry/store).  */
236         decode_table_ptr = decode_table;
237         sym_idx = 0;
238         codeword_len = 1;
239 #ifdef USE_SSE2_FILL
240         /* Fill the entries one 128-bit vector at a time.
241          * This is 8 entries per store.  */
242         stores_per_loop = (1 << (table_bits - codeword_len)) / entries_per_xmm;
243         for (; stores_per_loop != 0; codeword_len++, stores_per_loop >>= 1) {
244                 unsigned end_sym_idx = sym_idx + len_counts[codeword_len];
245                 for (; sym_idx < end_sym_idx; sym_idx++) {
246                         /* Note: unlike in the machine_word_t version below, the
247                          * __m128i type already has __attribute__((may_alias)),
248                          * so using it to access the decode table, which is an
249                          * array of unsigned shorts, will not violate strict
250                          * aliasing.  */
251                         u16 entry;
252                         __m128i v;
253                         __m128i *p;
254                         unsigned n;
255
256                         entry = MAKE_DIRECT_ENTRY(sorted_syms[sym_idx], codeword_len);
257
258                         v = _mm_set1_epi16(entry);
259                         p = (__m128i*)decode_table_ptr;
260                         n = stores_per_loop;
261                         do {
262                                 *p++ = v;
263                         } while (--n);
264                         decode_table_ptr = p;
265                 }
266         }
267 #endif /* USE_SSE2_FILL */
268
269 #ifdef USE_WORD_FILL
270         /* Fill the entries one machine word at a time.
271          * On 32-bit systems this is 2 entries per store, while on 64-bit
272          * systems this is 4 entries per store.  */
273         stores_per_loop = (1 << (table_bits - codeword_len)) / entries_per_word;
274         for (; stores_per_loop != 0; codeword_len++, stores_per_loop >>= 1) {
275                 unsigned end_sym_idx = sym_idx + len_counts[codeword_len];
276                 for (; sym_idx < end_sym_idx; sym_idx++) {
277
278                         /* Accessing the array of u16 as u32 or u64 would
279                          * violate strict aliasing and would require compiling
280                          * the code with -fno-strict-aliasing to guarantee
281                          * correctness.  To work around this problem, use the
282                          * gcc 'may_alias' extension.  */
283                         typedef machine_word_t _may_alias_attribute aliased_word_t;
284
285                         machine_word_t v;
286                         aliased_word_t *p;
287                         unsigned n;
288
289                         BUILD_BUG_ON(WORDSIZE != 4 && WORDSIZE != 8);
290
291                         v = MAKE_DIRECT_ENTRY(sorted_syms[sym_idx], codeword_len);
292                         v |= v << 16;
293                         v |= v << (WORDSIZE == 8 ? 32 : 0);
294
295                         p = (aliased_word_t *)decode_table_ptr;
296                         n = stores_per_loop;
297
298                         do {
299                                 *p++ = v;
300                         } while (--n);
301                         decode_table_ptr = p;
302                 }
303         }
304 #endif /* USE_WORD_FILL */
305
306         /* Fill the entries one 16-bit integer at a time.  */
307         stores_per_loop = (1 << (table_bits - codeword_len));
308         for (; stores_per_loop != 0; codeword_len++, stores_per_loop >>= 1) {
309                 unsigned end_sym_idx = sym_idx + len_counts[codeword_len];
310                 for (; sym_idx < end_sym_idx; sym_idx++) {
311                         u16 entry;
312                         u16 *p;
313                         unsigned n;
314
315                         entry = MAKE_DIRECT_ENTRY(sorted_syms[sym_idx], codeword_len);
316
317                         p = (u16*)decode_table_ptr;
318                         n = stores_per_loop;
319
320                         do {
321                                 *p++ = entry;
322                         } while (--n);
323
324                         decode_table_ptr = p;
325                 }
326         }
327
328         /* If we've filled in the entire table, we are done.  Otherwise,
329          * there are codewords longer than table_bits for which we must
330          * generate binary trees.  */
331
332         decode_table_pos = (u16*)decode_table_ptr - decode_table;
333         if (decode_table_pos != table_num_entries) {
334                 unsigned j;
335                 unsigned next_free_tree_slot;
336                 unsigned cur_codeword;
337
338                 /* First, zero out the remaining entries.  This is
339                  * necessary so that these entries appear as
340                  * "unallocated" in the next part.  Each of these entries
341                  * will eventually be filled with the representation of
342                  * the root node of a binary tree.  */
343                 j = decode_table_pos;
344                 do {
345                         decode_table[j] = 0;
346                 } while (++j != table_num_entries);
347
348                 /* We allocate child nodes starting at the end of the
349                  * direct lookup table.  Note that there should be
350                  * 2*num_syms extra entries for this purpose, although
351                  * fewer than this may actually be needed.  */
352                 next_free_tree_slot = table_num_entries;
353
354                 /* Iterate through each codeword with length greater than
355                  * 'table_bits', primarily in order of codeword length
356                  * and secondarily in order of symbol.  */
357                 for (cur_codeword = decode_table_pos << 1;
358                      codeword_len <= max_codeword_len;
359                      codeword_len++, cur_codeword <<= 1)
360                 {
361                         unsigned end_sym_idx = sym_idx + len_counts[codeword_len];
362                         for (; sym_idx < end_sym_idx; sym_idx++, cur_codeword++)
363                         {
364                                 /* 'sym' is the symbol represented by the
365                                  * codeword.  */
366                                 unsigned sym = sorted_syms[sym_idx];
367
368                                 unsigned extra_bits = codeword_len - table_bits;
369
370                                 unsigned node_idx = cur_codeword >> extra_bits;
371
372                                 /* Go through each bit of the current codeword
373                                  * beyond the prefix of length @table_bits and
374                                  * walk the appropriate binary tree, allocating
375                                  * any slots that have not yet been allocated.
376                                  *
377                                  * Note that the 'pointer' entry to the binary
378                                  * tree, which is stored in the direct lookup
379                                  * portion of the table, is represented
380                                  * identically to other internal (non-leaf)
381                                  * nodes of the binary tree; it can be thought
382                                  * of as simply the root of the tree.  The
383                                  * representation of these internal nodes is
384                                  * simply the index of the left child combined
385                                  * with the special bits 0xC000 to distingush
386                                  * the entry from direct mapping and leaf node
387                                  * entries.  */
388                                 do {
389
390                                         /* At least one bit remains in the
391                                          * codeword, but the current node is an
392                                          * unallocated leaf.  Change it to an
393                                          * internal node.  */
394                                         if (decode_table[node_idx] == 0) {
395                                                 decode_table[node_idx] =
396                                                         next_free_tree_slot | 0xC000;
397                                                 decode_table[next_free_tree_slot++] = 0;
398                                                 decode_table[next_free_tree_slot++] = 0;
399                                         }
400
401                                         /* Go to the left child if the next bit
402                                          * in the codeword is 0; otherwise go to
403                                          * the right child.  */
404                                         node_idx = decode_table[node_idx] & 0x3FFF;
405                                         --extra_bits;
406                                         node_idx += (cur_codeword >> extra_bits) & 1;
407                                 } while (extra_bits != 0);
408
409                                 /* We've traversed the tree using the entire
410                                  * codeword, and we're now at the entry where
411                                  * the actual symbol will be stored.  This is
412                                  * distinguished from internal nodes by not
413                                  * having its high two bits set.  */
414                                 decode_table[node_idx] = sym;
415                         }
416                 }
417         }
418         return 0;
419 }