]> wimlib.net Git - wimlib/blob - src/lz_sarray.c
Use libdivsufsort-lite, not the full libdivsufsort
[wimlib] / src / lz_sarray.c
1 /*
2  * lz_sarray.c
3  *
4  * Suffix array match-finder for Lempel-Ziv compression.
5  */
6
7 /*
8  * Copyright (c) 2013, 2014 Eric Biggers.  All rights reserved.
9  *
10  * Redistribution and use in source and binary forms, with or without
11  * modification, are permitted provided that the following conditions
12  * are met:
13  *
14  * 1. Redistributions of source code must retain the above copyright
15  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer.
16  *
17  * 2. Redistributions in binary form must reproduce the above copyright
18  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer in the
19  *    documentation and/or other materials provided with the distribution.
20  *
21  * THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE AUTHOR AND CONTRIBUTORS "AS IS" AND
22  * ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, THE
23  * IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR A PARTICULAR
24  * PURPOSE ARE DISCLAIMED. IN NO EVENT SHALL THE AUTHOR OR CONTRIBUTORS BE
25  * LIABLE FOR ANY DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL, SPECIAL, EXEMPLARY, OR
26  * CONSEQUENTIAL DAMAGES (INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, PROCUREMENT OF
27  * SUBSTITUTE GOODS OR SERVICES; LOSS OF USE, DATA, OR PROFITS; OR
28  * BUSINESS INTERRUPTION) HOWEVER CAUSED AND ON ANY THEORY OF LIABILITY,
29  * WHETHER IN CONTRACT, STRICT LIABILITY, OR TORT (INCLUDING NEGLIGENCE OR
30  * OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY OUT OF THE USE OF THIS SOFTWARE, EVEN IF
31  * ADVISED OF THE POSSIBILITY OF SUCH DAMAGE.
32  */
33
34 #ifdef HAVE_CONFIG_H
35 #  include "config.h"
36 #endif
37
38 #include "wimlib/divsufsort.h"
39 #include "wimlib/lz_sarray.h"
40 #include "wimlib/util.h"
41 #include <string.h>
42
43 /* If ENABLE_LZ_DEBUG is defined, verify that the suffix array satisfies its
44  * definition.
45  *
46  * @SA          The constructed suffix array.
47  * @T           The original data.
48  * @found       Temporary 'bool' array of length @n.
49  * @n           Length of the data (length of @SA, @T, and @found arrays).
50  *
51  * WARNING: this is for debug use only as it does not necessarily run in linear
52  * time!!!  */
53 static void
54 verify_suffix_array(const lz_sarray_pos_t SA[restrict],
55                     const u8 T[restrict],
56                     bool found[restrict],
57                     lz_sarray_pos_t n)
58 {
59 #ifdef ENABLE_LZ_DEBUG
60         /* Ensure the SA contains exactly one of each i in [0, n - 1].  */
61         for (lz_sarray_pos_t i = 0; i < n; i++)
62                 found[i] = false;
63         for (lz_sarray_pos_t r = 0; r < n; r++) {
64                 lz_sarray_pos_t i = SA[r];
65                 LZ_ASSERT(i < n);
66                 LZ_ASSERT(!found[i]);
67                 found[i] = true;
68         }
69
70         /* Ensure the suffix with rank r is lexicographically lesser than the
71          * suffix with rank (r + 1) for all r in [0, n - 2].  */
72         for (lz_sarray_pos_t r = 0; r < n - 1; r++) {
73
74                 lz_sarray_pos_t i1 = SA[r];
75                 lz_sarray_pos_t i2 = SA[r + 1];
76
77                 lz_sarray_pos_t n1 = n - i1;
78                 lz_sarray_pos_t n2 = n - i2;
79
80                 int res = memcmp(&T[i1], &T[i2], min(n1, n2));
81                 LZ_ASSERT(res < 0 || (res == 0 && n1 < n2));
82         }
83 #endif /* ENABLE_LZ_DEBUG  */
84 }
85
86 /* Compute the inverse suffix array @ISA from the suffix array @SA in linear
87  * time.
88  *
89  * Whereas the suffix array is a mapping from suffix rank to suffix position,
90  * the inverse suffix array is a mapping from suffix position to suffix rank.
91  */
92 static void
93 compute_inverse_suffix_array(lz_sarray_pos_t ISA[restrict],
94                              const lz_sarray_pos_t SA[restrict],
95                              lz_sarray_pos_t n)
96 {
97         lz_sarray_pos_t r;
98
99         for (r = 0; r < n; r++)
100                 ISA[SA[r]] = r;
101 }
102
103
104 /* Compute the LCP (Longest Common Prefix) array in linear time.
105  *
106  * LCP[r] will be the length of the longest common prefix between the suffixes
107  * with positions SA[r - 1] and  SA[r].  LCP[0] will be undefined.
108  *
109  * Algorithm adapted from Kasai et al. 2001: "Linear-Time Longest-Common-Prefix
110  * Computation in Suffix Arrays and Its Applications".  Modified slightly to
111  * take into account that with bytes in the real world, there is no unique
112  * symbol at the end of the string.  */
113 static void
114 compute_lcp_array(lz_sarray_pos_t LCP[restrict],
115                   const lz_sarray_pos_t SA[restrict],
116                   const lz_sarray_pos_t ISA[restrict],
117                   const u8 T[restrict],
118                   lz_sarray_pos_t n)
119 {
120         lz_sarray_pos_t h, i, r, j, lim;
121
122         h = 0;
123         for (i = 0; i < n; i++) {
124                 r = ISA[i];
125                 if (r > 0) {
126                         j = SA[r - 1];
127                         lim = min(n - i, n - j);
128
129                         while (h < lim && T[i + h] == T[j + h])
130                                 h++;
131                         LCP[r] = h;
132                         if (h > 0)
133                                 h--;
134                 }
135         }
136 }
137
138 /* If ENABLE_LZ_DEBUG is defined, verify that the LCP (Longest Common Prefix)
139  * array satisfies its definition.
140  *
141  * WARNING: this is for debug use only as it does not necessarily run in linear
142  * time!!!  */
143 static void
144 verify_lcp_array(lz_sarray_pos_t LCP[restrict],
145                  const lz_sarray_pos_t SA[restrict],
146                  const u8 T[restrict],
147                  lz_sarray_pos_t n)
148 {
149 #ifdef ENABLE_LZ_DEBUG
150         for (lz_sarray_pos_t r = 0; r < n - 1; r++) {
151                 lz_sarray_pos_t i1 = SA[r];
152                 lz_sarray_pos_t i2 = SA[r + 1];
153                 lz_sarray_pos_t lcp = LCP[r + 1];
154
155                 lz_sarray_pos_t n1 = n - i1;
156                 lz_sarray_pos_t n2 = n - i2;
157
158                 LZ_ASSERT(lcp <= min(n1, n2));
159
160                 LZ_ASSERT(memcmp(&T[i1], &T[i2], lcp) == 0);
161                 if (lcp < min(n1, n2))
162                         LZ_ASSERT(T[i1 + lcp] != T[i2 + lcp]);
163         }
164 #endif /* ENABLE_LZ_DEBUG */
165 }
166
167 /* Initialize the SA link array in linear time.
168  *
169  * This is similar to computing the LPF (Longest Previous Factor) array, which
170  * is addressed in several papers.  In particular the algorithms below are based
171  * on Crochemore et al. 2009: "LPF computation revisited".  However, this
172  * match-finder does not actually compute or use the LPF array per se.  Rather,
173  * this function sets up some information necessary to compute the LPF array,
174  * but later lz_sarray_get_matches() actually uses this information to search
175  * the suffix array directly and can keep searching beyond the first (longest)
176  * match whose length would be placed in the LPF array.  This difference from
177  * the theoretical work is necessary because in many real compression formats
178  * matches take variable numbers of bits to encode, so a decent parser needs to
179  * consider more than just the longest match with unspecified offset.
180  *
181  * Note: We cap the lcpprev and lcpnext values to the maximum match length so
182  * that the match-finder need not worry about it later, in the inner loop.
183  *
184  * Note: the LCP array is one of the inputs to this function, but it is used as
185  * temporary space and therefore will be invalidated.
186  */
187 static void
188 init_salink(struct salink link[restrict],
189             lz_sarray_pos_t LCP[restrict],
190             const lz_sarray_pos_t SA[restrict],
191             const u8 T[restrict],
192             lz_sarray_pos_t n,
193             lz_sarray_len_t min_match_len,
194             lz_sarray_len_t max_match_len)
195 {
196         /* Calculate salink.dist_to_next and salink.lcpnext.
197          *
198          * Pass 1 calculates, for each suffix rank, the corresponding
199          * "next_initial" value which is the smallest larger rank that
200          * corresponds to a suffix starting earlier in the string.  It also
201          * calculates "lcpnext_initial", which is the longest common prefix with
202          * that suffix, although to eliminate checks in lz_sarray_get_matches(),
203          * "lcpnext_initial" is set to 0 if it's less than the minimum match
204          * length or set to the maximum match length if it's greater than the
205          * maximum match length.
206          *
207          * Pass 2 translates each absolute "next_initial", a 4-byte value, into
208          * a relative "dist_to_next", a 1-byte value.  This is done to save
209          * memory.  In the case that the exact relative distance cannot be
210          * encoded in 1 byte, it is capped to 255.  This is valid as long as
211          * lz_sarray_get_matches() validates each position before using it.
212          * Note that "lcpnext" need not be updated in this case because it will
213          * not be used until the actual next rank has been found anyway.
214          */
215         link[n - 1].next_initial = LZ_SARRAY_POS_MAX;
216         link[n - 1].lcpnext_initial = 0;
217         for (lz_sarray_pos_t r = n - 2; r != LZ_SARRAY_POS_MAX; r--) {
218                 lz_sarray_pos_t t = r + 1;
219                 lz_sarray_pos_t l = LCP[t];
220                 while (t != LZ_SARRAY_POS_MAX && SA[t] > SA[r]) {
221                         l = min(l, link[t].lcpnext_initial);
222                         t = link[t].next_initial;
223                 }
224                 link[r].next_initial = t;
225
226                 if (l < min_match_len)
227                         l = 0;
228                 else if (l > max_match_len)
229                         l = max_match_len;
230                 link[r].lcpnext_initial = l;
231         }
232         for (lz_sarray_pos_t r = 0; r < n; r++) {
233                 lz_sarray_pos_t next;
234                 lz_sarray_len_t l;
235                 lz_sarray_delta_t dist_to_next;
236
237                 next = link[r].next_initial;
238                 l = link[r].lcpnext_initial;
239
240                 if (next == LZ_SARRAY_POS_MAX)
241                         dist_to_next = 0;
242                 else if (next - r <= LZ_SARRAY_DELTA_MAX)
243                         dist_to_next = next - r;
244                 else
245                         dist_to_next = LZ_SARRAY_DELTA_MAX;
246
247                 link[r].lcpnext = l;
248                 link[r].dist_to_next = dist_to_next;
249         }
250
251         /* Calculate salink.dist_to_prev and salink.lcpprev.
252          *
253          * This is analgous to dist_to_next and lcpnext as described above, but
254          * in the other direction.  That is, here we're interested in, for each
255          * rank, the largest smaller rank that corresponds to a suffix starting
256          * earlier in the string.
257          *
258          * To save memory we don't have a "prev_initial" field, but rather store
259          * those values in the LCP array.  */
260         LCP[0] = LZ_SARRAY_POS_MAX;
261         link[0].lcpprev = 0;
262         for (lz_sarray_pos_t r = 1; r < n; r++) {
263                 lz_sarray_pos_t t = r - 1;
264                 lz_sarray_pos_t l = LCP[r];
265                 while (t != LZ_SARRAY_POS_MAX && SA[t] > SA[r]) {
266                         l = min(l, link[t].lcpprev);
267                         t = LCP[t];
268                 }
269                 LCP[r] = t;
270
271                 if (l < min_match_len)
272                         l = 0;
273                 else if (l > max_match_len)
274                         l = max_match_len;
275
276                 link[r].lcpprev = l;
277         }
278         for (lz_sarray_pos_t r = 0; r < n; r++) {
279
280                 lz_sarray_pos_t prev = LCP[r];
281
282                 if (prev == LZ_SARRAY_POS_MAX)
283                         link[r].dist_to_prev = 0;
284                 else if (r - prev <= LZ_SARRAY_DELTA_MAX)
285                         link[r].dist_to_prev = r - prev;
286                 else
287                         link[r].dist_to_prev = LZ_SARRAY_DELTA_MAX;
288         }
289 }
290
291 /* If ENABLE_LZ_DEBUG is defined, verify the values computed by init_salink().
292  *
293  * WARNING: this is for debug use only as it does not necessarily run in linear
294  * time!!!  */
295 static void
296 verify_salink(const struct salink link[],
297               const lz_sarray_pos_t SA[],
298               const u8 T[],
299               lz_sarray_pos_t n,
300               lz_sarray_len_t min_match_len,
301               lz_sarray_len_t max_match_len)
302 {
303 #ifdef ENABLE_LZ_DEBUG
304         for (lz_sarray_pos_t r = 0; r < n; r++) {
305                 for (lz_sarray_pos_t prev = r; ; ) {
306                         if (prev == 0) {
307                                 LZ_ASSERT(link[r].dist_to_prev == 0);
308                                 LZ_ASSERT(link[r].lcpprev == 0);
309                                 break;
310                         }
311
312                         prev--;
313
314                         if (SA[prev] < SA[r]) {
315                                 LZ_ASSERT(link[r].dist_to_prev == min(r - prev, LZ_SARRAY_DELTA_MAX));
316
317                                 lz_sarray_pos_t lcpprev;
318                                 for (lcpprev = 0;
319                                      lcpprev < min(n - SA[prev], n - SA[r]) &&
320                                              T[SA[prev] + lcpprev] == T[SA[r] + lcpprev];
321                                      lcpprev++)
322                                         ;
323                                 if (lcpprev < min_match_len)
324                                         lcpprev = 0;
325                                 else if (lcpprev > max_match_len)
326                                         lcpprev = max_match_len;
327
328                                 LZ_ASSERT(lcpprev == link[r].lcpprev);
329                                 break;
330                         }
331                 }
332
333                 for (lz_sarray_pos_t next = r; ; ) {
334                         if (next == n - 1) {
335                                 LZ_ASSERT(link[r].dist_to_next == 0);
336                                 LZ_ASSERT(link[r].lcpnext == 0);
337                                 break;
338                         }
339
340                         next++;
341
342                         if (SA[next] < SA[r]) {
343                                 LZ_ASSERT(link[r].dist_to_next == min(next - r, LZ_SARRAY_DELTA_MAX));
344
345                                 lz_sarray_pos_t lcpnext;
346                                 for (lcpnext = 0;
347                                      lcpnext < min(n - SA[next], n - SA[r]) &&
348                                              T[SA[next] + lcpnext] == T[SA[r] + lcpnext];
349                                      lcpnext++)
350                                         ;
351                                 if (lcpnext < min_match_len)
352                                         lcpnext = 0;
353                                 else if (lcpnext > max_match_len)
354                                         lcpnext = max_match_len;
355
356                                 LZ_ASSERT(lcpnext == link[r].lcpnext);
357                                 break;
358                         }
359                 }
360         }
361 #endif
362 }
363
364 /*
365  * Initialize the suffix array match-finder.
366  *
367  * @mf
368  *      The suffix array match-finder structure to initialize.  This structure
369  *      is expected to be zeroed before this function is called.  In the case
370  *      that this function fails, lz_sarray_destroy() should be called to free
371  *      any memory that may have been allocated.
372  *
373  * @max_window_size
374  *      The maximum window size to support.  This must be greater than 0.
375  *
376  *      The amount of needed memory will depend on this value; see
377  *      lz_sarray_get_needed_memory() for details.
378  *
379  * @min_match_len
380  *      The minimum length of each match to be found.  Must be greater than 0.
381  *
382  * @max_match_len
383  *      The maximum length of each match to be found.  Must be greater than or
384  *      equal to @min_match_len.
385  *
386  * @max_matches_to_consider
387  *      The maximum number of matches to consider at each position.  This should
388  *      be greater than @max_matches_to_return because @max_matches_to_consider
389  *      counts all the returned matches as well as matches of equal length to
390  *      returned matches that were not returned.  This parameter bounds the
391  *      amount of work the match-finder does at any one position.  This could be
392  *      anywhere from 1 to 100+ depending on the compression ratio and
393  *      performance desired.
394  *
395  * @max_matches_to_return
396  *      Maximum number of matches to return at each position.  Because of the
397  *      suffix array search algorithm, the order in which matches are returned
398  *      will be from longest to shortest, so cut-offs due to this parameter will
399  *      only result in shorter matches being discarded.  This parameter could be
400  *      anywhere from 1 to (@max_match_len - @min_match_len + 1) depending on
401  *      the compression performance desired.  However, making it even moderately
402  *      large (say, greater than 3) may not be very helpful due to the property
403  *      that the matches are returned from longest to shortest.  But the main
404  *      thing to keep in mind is that if the compressor decides to output a
405  *      shorter-than-possible match, ideally it would be best to choose the best
406  *      match of the desired length rather than truncate a longer match to that
407  *      length.
408  *
409  * After initialization, the suffix-array match-finder can be used for any
410  * number of input strings (windows) of length less than or equal to
411  * @max_window_size by successive calls to lz_sarray_load_window().
412  *
413  * Returns %true on success, or %false if sufficient memory could not be
414  * allocated.  See the note for @max_window_size above regarding the needed
415  * memory size.
416  */
417 bool
418 lz_sarray_init(struct lz_sarray *mf,
419                lz_sarray_pos_t max_window_size,
420                lz_sarray_len_t min_match_len,
421                lz_sarray_len_t max_match_len,
422                u32 max_matches_to_consider,
423                u32 max_matches_to_return)
424 {
425         LZ_ASSERT(min_match_len > 0);
426         LZ_ASSERT(max_window_size > 0);
427         LZ_ASSERT(max_match_len >= min_match_len);
428
429         mf->max_window_size = max_window_size;
430         mf->min_match_len = min_match_len;
431         mf->max_match_len = max_match_len;
432         mf->max_matches_to_consider = max_matches_to_consider;
433         mf->max_matches_to_return = max_matches_to_return;
434
435         /* SA and ISA will share the same storage block.  */
436         if ((u64)2 * max_window_size * sizeof(mf->SA[0]) !=
437                  2 * max_window_size * sizeof(mf->SA[0]))
438                 return false;
439         mf->SA = MALLOC(max_window_size * sizeof(mf->SA[0]) +
440                         max(DIVSUFSORT_TMP1_SIZE,
441                             max_window_size * sizeof(mf->SA[0])));
442         if (mf->SA == NULL)
443                 return false;
444
445         if ((u64)max_window_size * sizeof(mf->salink[0]) !=
446                  max_window_size * sizeof(mf->salink[0]))
447                 return false;
448         mf->salink = MALLOC(max(DIVSUFSORT_TMP2_SIZE,
449                                 max_window_size * sizeof(mf->salink[0])));
450         if (mf->salink == NULL)
451                 return false;
452
453         return true;
454 }
455
456 /*
457  * Return the number of bytes of memory that lz_sarray_init() would allocate for
458  * the specified maximum window size.
459  *
460  * This should be (14 * @max_window_size) unless the type definitions have been
461  * changed.
462  */
463 u64
464 lz_sarray_get_needed_memory(lz_sarray_pos_t max_window_size)
465 {
466         u64 size = 0;
467
468         /* SA and ISA: 8 bytes per position  */
469         size += (u64)max_window_size * sizeof(((struct lz_sarray*)0)->SA[0]) +
470                 max(DIVSUFSORT_TMP1_SIZE,
471                     (u64)max_window_size * sizeof(((struct lz_sarray*)0)->SA[0]));
472
473         /* salink: 6 bytes per position  */
474         size += max(DIVSUFSORT_TMP2_SIZE,
475                     (u64)max_window_size * sizeof(((struct lz_sarray*)0)->salink[0]));
476
477         return size;
478 }
479
480 /*
481  * Prepare the suffix array match-finder to scan the specified window for
482  * matches.
483  *
484  * @mf  Suffix array match-finder previously initialized with lz_sarray_init().
485  *
486  * @T   Window, or "block", in which to find matches.
487  *
488  * @n   Size of window in bytes.  This must be positive and less than or equal
489  *      to the @max_window_size passed to lz_sarray_init().
490  *
491  * This function runs in linear time (relative to @n).
492  */
493 void
494 lz_sarray_load_window(struct lz_sarray *mf, const u8 T[], lz_sarray_pos_t n)
495 {
496         lz_sarray_pos_t *ISA, *LCP;
497
498         LZ_ASSERT(n > 0 && n <= mf->max_window_size);
499
500         /* Compute SA (Suffix Array).
501          *
502          * divsufsort() needs temporary space --- one array with 256 spaces and
503          * one array with 65536 spaces.  The implementation of divsufsort() has
504          * been modified from the original to use the provided temporary space
505          * instead of allocating its own.
506          *
507          * We also check at build-time that divsufsort() uses the same integer
508          * size expected by this code.  Unfortunately, divsufsort breaks if
509          * 'sa_idx_t' is defined to be a 16-bit integer; however, that would
510          * limit blocks to only 65536 bytes anyway.  */
511         BUILD_BUG_ON(sizeof(lz_sarray_pos_t) != sizeof(saidx_t));
512
513         divsufsort(T, mf->SA, n, (saidx_t*)&mf->SA[n], (saidx_t*)mf->salink);
514
515         BUILD_BUG_ON(sizeof(bool) > sizeof(mf->salink[0]));
516         verify_suffix_array(mf->SA, T, (bool*)mf->salink, n);
517
518         /* Compute ISA (Inverse Suffix Array) in a preliminary position.
519          *
520          * This is just a trick to save memory.  Since LCP is unneeded after
521          * this function, it can be computed in any available space.  The
522          * storage for the ISA is the best choice because the ISA can be built
523          * quickly in salink for now, then re-built in its real location at the
524          * end.  This is probably worth it because computing the ISA from the SA
525          * is very fast, and since this match-finder is memory-hungry we'd like
526          * to save as much memory as possible.  */
527         BUILD_BUG_ON(sizeof(mf->salink[0]) < sizeof(mf->ISA[0]));
528         ISA = (lz_sarray_pos_t*)mf->salink;
529         compute_inverse_suffix_array(ISA, mf->SA, n);
530
531         /* Compute LCP (Longest Common Prefix) array.  */
532         LCP = mf->SA + n;
533         compute_lcp_array(LCP, mf->SA, ISA, T, n);
534         verify_lcp_array(LCP, mf->SA, T, n);
535
536         /* Initialize suffix array links.  */
537         init_salink(mf->salink, LCP, mf->SA, T, n,
538                     mf->min_match_len, mf->max_match_len);
539         verify_salink(mf->salink, mf->SA, T, n,
540                       mf->min_match_len, mf->max_match_len);
541
542         /* Compute ISA (Inverse Suffix Array) in its final position.  */
543         ISA = mf->SA + n;
544         compute_inverse_suffix_array(ISA, mf->SA, n);
545
546         /* Save new variables and return.  */
547         mf->ISA = ISA;
548         mf->cur_pos = 0;
549         mf->window_size = n;
550 }
551
552 /* Free memory allocated for the suffix array match-finder.  */
553 void
554 lz_sarray_destroy(struct lz_sarray *mf)
555 {
556         FREE(mf->SA);
557         FREE(mf->salink);
558 }