]> wimlib.net Git - wimlib/blob - src/lzx_compress.c
e8c0ba7f282aaf443c5e75b2109d6bca9adfeb87
[wimlib] / src / lzx_compress.c
1 /*
2  * lzx_compress.c
3  *
4  * A compressor for the LZX compression format, as used in WIM files.
5  */
6
7 /*
8  * Copyright (C) 2012-2016 Eric Biggers
9  *
10  * This file is free software; you can redistribute it and/or modify it under
11  * the terms of the GNU Lesser General Public License as published by the Free
12  * Software Foundation; either version 3 of the License, or (at your option) any
13  * later version.
14  *
15  * This file 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 GNU Lesser General Public License for more
18  * details.
19  *
20  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public License
21  * along with this file; if not, see http://www.gnu.org/licenses/.
22  */
23
24
25 /*
26  * This file contains a compressor for the LZX ("Lempel-Ziv eXtended")
27  * compression format, as used in the WIM (Windows IMaging) file format.
28  *
29  * Two different parsing algorithms are implemented: "near-optimal" and "lazy".
30  * "Near-optimal" is significantly slower than "lazy", but results in a better
31  * compression ratio.  The "near-optimal" algorithm is used at the default
32  * compression level.
33  *
34  * This file may need some slight modifications to be used outside of the WIM
35  * format.  In particular, in other situations the LZX block header might be
36  * slightly different, and sliding window support might be required.
37  *
38  * Note: LZX is a compression format derived from DEFLATE, the format used by
39  * zlib and gzip.  Both LZX and DEFLATE use LZ77 matching and Huffman coding.
40  * Certain details are quite similar, such as the method for storing Huffman
41  * codes.  However, the main differences are:
42  *
43  * - LZX preprocesses the data to attempt to make x86 machine code slightly more
44  *   compressible before attempting to compress it further.
45  *
46  * - LZX uses a "main" alphabet which combines literals and matches, with the
47  *   match symbols containing a "length header" (giving all or part of the match
48  *   length) and an "offset slot" (giving, roughly speaking, the order of
49  *   magnitude of the match offset).
50  *
51  * - LZX does not have static Huffman blocks (that is, the kind with preset
52  *   Huffman codes); however it does have two types of dynamic Huffman blocks
53  *   ("verbatim" and "aligned").
54  *
55  * - LZX has a minimum match length of 2 rather than 3.  Length 2 matches can be
56  *   useful, but generally only if the parser is smart about choosing them.
57  *
58  * - In LZX, offset slots 0 through 2 actually represent entries in an LRU queue
59  *   of match offsets.  This is very useful for certain types of files, such as
60  *   binary files that have repeating records.
61  */
62
63 #ifdef HAVE_CONFIG_H
64 #  include "config.h"
65 #endif
66
67 /*
68  * The compressor always chooses a block of at least MIN_BLOCK_SIZE bytes,
69  * except if the last block has to be shorter.
70  */
71 #define MIN_BLOCK_SIZE          6500
72
73 /*
74  * The compressor attempts to end blocks after SOFT_MAX_BLOCK_SIZE bytes, but
75  * the final size might be larger due to matches extending beyond the end of the
76  * block.  Specifically:
77  *
78  *  - The greedy parser may choose an arbitrarily long match starting at the
79  *    SOFT_MAX_BLOCK_SIZE'th byte.
80  *
81  *  - The lazy parser may choose a sequence of literals starting at the
82  *    SOFT_MAX_BLOCK_SIZE'th byte when it sees a sequence of increasing good
83  *    matches.  The final match may be of arbitrary length.  The length of the
84  *    literal sequence is approximately limited by the "nice match length"
85  *    parameter.
86  */
87 #define SOFT_MAX_BLOCK_SIZE     100000
88
89 /*
90  * LZX_CACHE_LENGTH is the number of lz_match structures in the match cache,
91  * excluding the extra "overflow" entries.  This value should be high enough so
92  * that nearly the time, all matches found in a given block can fit in the match
93  * cache.  However, fallback behavior (immediately terminating the block) on
94  * cache overflow is still required.
95  */
96 #define LZX_CACHE_LENGTH        (SOFT_MAX_BLOCK_SIZE * 5)
97
98 /*
99  * LZX_MAX_MATCHES_PER_POS is an upper bound on the number of matches that can
100  * ever be saved in the match cache for a single position.  Since each match we
101  * save for a single position has a distinct length, we can use the number of
102  * possible match lengths in LZX as this bound.  This bound is guaranteed to be
103  * valid in all cases, although if 'nice_match_length < LZX_MAX_MATCH_LEN', then
104  * it will never actually be reached.
105  */
106 #define LZX_MAX_MATCHES_PER_POS LZX_NUM_LENS
107
108 /*
109  * LZX_BIT_COST is a scaling factor that represents the cost to output one bit.
110  * This makes it possible to consider fractional bit costs.
111  *
112  * Note: this is only useful as a statistical trick for when the true costs are
113  * unknown.  In reality, each token in LZX requires a whole number of bits to
114  * output.
115  */
116 #define LZX_BIT_COST            16
117
118 /*
119  * Should the compressor take into account the costs of aligned offset symbols?
120  */
121 #define LZX_CONSIDER_ALIGNED_COSTS      1
122
123 /*
124  * LZX_MAX_FAST_LEVEL is the maximum compression level at which we use the
125  * faster algorithm.
126  */
127 #define LZX_MAX_FAST_LEVEL      34
128
129 /*
130  * BT_MATCHFINDER_HASH2_ORDER is the log base 2 of the number of entries in the
131  * hash table for finding length 2 matches.  This could be as high as 16, but
132  * using a smaller hash table speeds up compression due to reduced cache
133  * pressure.
134  */
135 #define BT_MATCHFINDER_HASH2_ORDER      12
136
137 /*
138  * These are the compressor-side limits on the codeword lengths for each Huffman
139  * code.  To make outputting bits slightly faster, some of these limits are
140  * lower than the limits defined by the LZX format.  This does not significantly
141  * affect the compression ratio, at least for the block sizes we use.
142  */
143 #define MAIN_CODEWORD_LIMIT     16
144 #define LENGTH_CODEWORD_LIMIT   12
145 #define ALIGNED_CODEWORD_LIMIT  7
146 #define PRE_CODEWORD_LIMIT      7
147
148 #include "wimlib/compress_common.h"
149 #include "wimlib/compressor_ops.h"
150 #include "wimlib/error.h"
151 #include "wimlib/lz_extend.h"
152 #include "wimlib/lzx_common.h"
153 #include "wimlib/unaligned.h"
154 #include "wimlib/util.h"
155
156 /* Matchfinders with 16-bit positions  */
157 #define mf_pos_t        u16
158 #define MF_SUFFIX       _16
159 #include "wimlib/bt_matchfinder.h"
160 #include "wimlib/hc_matchfinder.h"
161
162 /* Matchfinders with 32-bit positions  */
163 #undef mf_pos_t
164 #undef MF_SUFFIX
165 #define mf_pos_t        u32
166 #define MF_SUFFIX       _32
167 #include "wimlib/bt_matchfinder.h"
168 #include "wimlib/hc_matchfinder.h"
169
170 struct lzx_output_bitstream;
171
172 /* Codewords for the LZX Huffman codes.  */
173 struct lzx_codewords {
174         u32 main[LZX_MAINCODE_MAX_NUM_SYMBOLS];
175         u32 len[LZX_LENCODE_NUM_SYMBOLS];
176         u32 aligned[LZX_ALIGNEDCODE_NUM_SYMBOLS];
177 };
178
179 /* Codeword lengths (in bits) for the LZX Huffman codes.
180  * A zero length means the corresponding codeword has zero frequency.  */
181 struct lzx_lens {
182         u8 main[LZX_MAINCODE_MAX_NUM_SYMBOLS + 1];
183         u8 len[LZX_LENCODE_NUM_SYMBOLS + 1];
184         u8 aligned[LZX_ALIGNEDCODE_NUM_SYMBOLS];
185 };
186
187 /* Cost model for near-optimal parsing  */
188 struct lzx_costs {
189
190         /* 'match_cost[offset_slot][len - LZX_MIN_MATCH_LEN]' is the cost for a
191          * length 'len' match that has an offset belonging to 'offset_slot'.  */
192         u32 match_cost[LZX_MAX_OFFSET_SLOTS][LZX_NUM_LENS];
193
194         /* Cost for each symbol in the main code  */
195         u32 main[LZX_MAINCODE_MAX_NUM_SYMBOLS];
196
197         /* Cost for each symbol in the length code  */
198         u32 len[LZX_LENCODE_NUM_SYMBOLS];
199
200 #if LZX_CONSIDER_ALIGNED_COSTS
201         /* Cost for each symbol in the aligned code  */
202         u32 aligned[LZX_ALIGNEDCODE_NUM_SYMBOLS];
203 #endif
204 };
205
206 /* Codewords and lengths for the LZX Huffman codes.  */
207 struct lzx_codes {
208         struct lzx_codewords codewords;
209         struct lzx_lens lens;
210 };
211
212 /* Symbol frequency counters for the LZX Huffman codes.  */
213 struct lzx_freqs {
214         u32 main[LZX_MAINCODE_MAX_NUM_SYMBOLS];
215         u32 len[LZX_LENCODE_NUM_SYMBOLS];
216         u32 aligned[LZX_ALIGNEDCODE_NUM_SYMBOLS];
217 };
218
219 /* Block split statistics.  See "Block splitting algorithm" below. */
220 #define NUM_LITERAL_OBSERVATION_TYPES 8
221 #define NUM_MATCH_OBSERVATION_TYPES 2
222 #define NUM_OBSERVATION_TYPES (NUM_LITERAL_OBSERVATION_TYPES + NUM_MATCH_OBSERVATION_TYPES)
223 struct block_split_stats {
224         u32 new_observations[NUM_OBSERVATION_TYPES];
225         u32 observations[NUM_OBSERVATION_TYPES];
226         u32 num_new_observations;
227         u32 num_observations;
228 };
229
230 /*
231  * Represents a run of literals followed by a match or end-of-block.  This
232  * struct is needed to temporarily store items chosen by the parser, since items
233  * cannot be written until all items for the block have been chosen and the
234  * block's Huffman codes have been computed.
235  */
236 struct lzx_sequence {
237
238         /* The number of literals in the run.  This may be 0.  The literals are
239          * not stored explicitly in this structure; instead, they are read
240          * directly from the uncompressed data.  */
241         u16 litrunlen;
242
243         /* If the next field doesn't indicate end-of-block, then this is the
244          * match length minus LZX_MIN_MATCH_LEN.  */
245         u16 adjusted_length;
246
247         /* If bit 31 is clear, then this field contains the match header in bits
248          * 0-8, and either the match offset plus LZX_OFFSET_ADJUSTMENT or a
249          * recent offset code in bits 9-30.  Otherwise (if bit 31 is set), this
250          * sequence's literal run was the last literal run in the block, so
251          * there is no match that follows it.  */
252         u32 adjusted_offset_and_match_hdr;
253 };
254
255 /*
256  * This structure represents a byte position in the input buffer and a node in
257  * the graph of possible match/literal choices.
258  *
259  * Logically, each incoming edge to this node is labeled with a literal or a
260  * match that can be taken to reach this position from an earlier position; and
261  * each outgoing edge from this node is labeled with a literal or a match that
262  * can be taken to advance from this position to a later position.
263  */
264 struct lzx_optimum_node {
265
266         /* The cost, in bits, of the lowest-cost path that has been found to
267          * reach this position.  This can change as progressively lower cost
268          * paths are found to reach this position.  */
269         u32 cost;
270
271         /*
272          * The match or literal that was taken to reach this position.  This can
273          * change as progressively lower cost paths are found to reach this
274          * position.
275          *
276          * This variable is divided into two bitfields.
277          *
278          * Literals:
279          *      Low bits are 0, high bits are the literal.
280          *
281          * Explicit offset matches:
282          *      Low bits are the match length, high bits are the offset plus 2.
283          *
284          * Repeat offset matches:
285          *      Low bits are the match length, high bits are the queue index.
286          */
287         u32 item;
288 #define OPTIMUM_OFFSET_SHIFT 9
289 #define OPTIMUM_LEN_MASK ((1 << OPTIMUM_OFFSET_SHIFT) - 1)
290 } _aligned_attribute(8);
291
292 /*
293  * Least-recently-used queue for match offsets.
294  *
295  * This is represented as a 64-bit integer for efficiency.  There are three
296  * offsets of 21 bits each.  Bit 64 is garbage.
297  */
298 struct lzx_lru_queue {
299         u64 R;
300 };
301
302 #define LZX_QUEUE64_OFFSET_SHIFT 21
303 #define LZX_QUEUE64_OFFSET_MASK (((u64)1 << LZX_QUEUE64_OFFSET_SHIFT) - 1)
304
305 #define LZX_QUEUE64_R0_SHIFT (0 * LZX_QUEUE64_OFFSET_SHIFT)
306 #define LZX_QUEUE64_R1_SHIFT (1 * LZX_QUEUE64_OFFSET_SHIFT)
307 #define LZX_QUEUE64_R2_SHIFT (2 * LZX_QUEUE64_OFFSET_SHIFT)
308
309 #define LZX_QUEUE64_R0_MASK (LZX_QUEUE64_OFFSET_MASK << LZX_QUEUE64_R0_SHIFT)
310 #define LZX_QUEUE64_R1_MASK (LZX_QUEUE64_OFFSET_MASK << LZX_QUEUE64_R1_SHIFT)
311 #define LZX_QUEUE64_R2_MASK (LZX_QUEUE64_OFFSET_MASK << LZX_QUEUE64_R2_SHIFT)
312
313 static inline void
314 lzx_lru_queue_init(struct lzx_lru_queue *queue)
315 {
316         queue->R = ((u64)1 << LZX_QUEUE64_R0_SHIFT) |
317                    ((u64)1 << LZX_QUEUE64_R1_SHIFT) |
318                    ((u64)1 << LZX_QUEUE64_R2_SHIFT);
319 }
320
321 static inline u64
322 lzx_lru_queue_R0(struct lzx_lru_queue queue)
323 {
324         return (queue.R >> LZX_QUEUE64_R0_SHIFT) & LZX_QUEUE64_OFFSET_MASK;
325 }
326
327 static inline u64
328 lzx_lru_queue_R1(struct lzx_lru_queue queue)
329 {
330         return (queue.R >> LZX_QUEUE64_R1_SHIFT) & LZX_QUEUE64_OFFSET_MASK;
331 }
332
333 static inline u64
334 lzx_lru_queue_R2(struct lzx_lru_queue queue)
335 {
336         return (queue.R >> LZX_QUEUE64_R2_SHIFT) & LZX_QUEUE64_OFFSET_MASK;
337 }
338
339 /* Push a match offset onto the front (most recently used) end of the queue.  */
340 static inline struct lzx_lru_queue
341 lzx_lru_queue_push(struct lzx_lru_queue queue, u32 offset)
342 {
343         return (struct lzx_lru_queue) {
344                 .R = (queue.R << LZX_QUEUE64_OFFSET_SHIFT) | offset,
345         };
346 }
347
348 /* Swap a match offset to the front of the queue.  */
349 static inline struct lzx_lru_queue
350 lzx_lru_queue_swap(struct lzx_lru_queue queue, unsigned idx)
351 {
352         if (idx == 0)
353                 return queue;
354
355         if (idx == 1)
356                 return (struct lzx_lru_queue) {
357                         .R = (lzx_lru_queue_R1(queue) << LZX_QUEUE64_R0_SHIFT) |
358                              (lzx_lru_queue_R0(queue) << LZX_QUEUE64_R1_SHIFT) |
359                              (queue.R & LZX_QUEUE64_R2_MASK),
360                 };
361
362         return (struct lzx_lru_queue) {
363                 .R = (lzx_lru_queue_R2(queue) << LZX_QUEUE64_R0_SHIFT) |
364                      (queue.R & LZX_QUEUE64_R1_MASK) |
365                      (lzx_lru_queue_R0(queue) << LZX_QUEUE64_R2_SHIFT),
366         };
367 }
368
369 /* The main LZX compressor structure  */
370 struct lzx_compressor {
371
372         /* The "nice" match length: if a match of this length is found, then
373          * choose it immediately without further consideration.  */
374         unsigned nice_match_length;
375
376         /* The maximum search depth: consider at most this many potential
377          * matches at each position.  */
378         unsigned max_search_depth;
379
380         /* The log base 2 of the LZX window size for LZ match offset encoding
381          * purposes.  This will be >= LZX_MIN_WINDOW_ORDER and <=
382          * LZX_MAX_WINDOW_ORDER.  */
383         unsigned window_order;
384
385         /* The number of symbols in the main alphabet.  This depends on
386          * @window_order, since @window_order determines the maximum possible
387          * offset.  */
388         unsigned num_main_syms;
389
390         /* Number of optimization passes per block  */
391         unsigned num_optim_passes;
392
393         /* The preprocessed buffer of data being compressed  */
394         u8 *in_buffer;
395
396         /* The number of bytes of data to be compressed, which is the number of
397          * bytes of data in @in_buffer that are actually valid.  */
398         size_t in_nbytes;
399
400         /* Pointer to the compress() implementation chosen at allocation time */
401         void (*impl)(struct lzx_compressor *, struct lzx_output_bitstream *);
402
403         /* If true, the compressor need not preserve the input buffer if it
404          * compresses the data successfully.  */
405         bool destructive;
406
407         /* The Huffman symbol frequency counters for the current block.  */
408         struct lzx_freqs freqs;
409
410         /* Block split statistics.  */
411         struct block_split_stats split_stats;
412
413         /* The Huffman codes for the current and previous blocks.  The one with
414          * index 'codes_index' is for the current block, and the other one is
415          * for the previous block.  */
416         struct lzx_codes codes[2];
417         unsigned codes_index;
418
419         /* The matches and literals that the parser has chosen for the current
420          * block.  The required length of this array is limited by the maximum
421          * number of matches that can ever be chosen for a single block, plus
422          * one for the special entry at the end.  */
423         struct lzx_sequence chosen_sequences[
424                        DIV_ROUND_UP(SOFT_MAX_BLOCK_SIZE, LZX_MIN_MATCH_LEN) + 1];
425
426         /* Tables for mapping adjusted offsets to offset slots  */
427
428         /* offset slots [0, 29]  */
429         u8 offset_slot_tab_1[32768];
430
431         /* offset slots [30, 49]  */
432         u8 offset_slot_tab_2[128];
433
434         union {
435                 /* Data for greedy or lazy parsing  */
436                 struct {
437                         /* Hash chains matchfinder (MUST BE LAST!!!)  */
438                         union {
439                                 struct hc_matchfinder_16 hc_mf_16;
440                                 struct hc_matchfinder_32 hc_mf_32;
441                         };
442                 };
443
444                 /* Data for near-optimal parsing  */
445                 struct {
446                         /*
447                          * Array of nodes, one per position, for running the
448                          * minimum-cost path algorithm.
449                          *
450                          * This array must be large enough to accommodate the
451                          * worst-case number of nodes, which occurs if we find a
452                          * match of length LZX_MAX_MATCH_LEN at position
453                          * SOFT_MAX_BLOCK_SIZE - 1, producing a block of length
454                          * SOFT_MAX_BLOCK_SIZE - 1 + LZX_MAX_MATCH_LEN.  Add one
455                          * for the end-of-block node.
456                          */
457                         struct lzx_optimum_node optimum_nodes[SOFT_MAX_BLOCK_SIZE - 1 +
458                                                               LZX_MAX_MATCH_LEN + 1];
459
460                         /* The cost model for the current block  */
461                         struct lzx_costs costs;
462
463                         /*
464                          * Cached matches for the current block.  This array
465                          * contains the matches that were found at each position
466                          * in the block.  Specifically, for each position, there
467                          * is a special 'struct lz_match' whose 'length' field
468                          * contains the number of matches that were found at
469                          * that position; this is followed by the matches
470                          * themselves, if any, sorted by strictly increasing
471                          * length.
472                          *
473                          * Note: in rare cases, there will be a very high number
474                          * of matches in the block and this array will overflow.
475                          * If this happens, we force the end of the current
476                          * block.  LZX_CACHE_LENGTH is the length at which we
477                          * actually check for overflow.  The extra slots beyond
478                          * this are enough to absorb the worst case overflow,
479                          * which occurs if starting at
480                          * &match_cache[LZX_CACHE_LENGTH - 1], we write the
481                          * match count header, then write
482                          * LZX_MAX_MATCHES_PER_POS matches, then skip searching
483                          * for matches at 'LZX_MAX_MATCH_LEN - 1' positions and
484                          * write the match count header for each.
485                          */
486                         struct lz_match match_cache[LZX_CACHE_LENGTH +
487                                                     LZX_MAX_MATCHES_PER_POS +
488                                                     LZX_MAX_MATCH_LEN - 1];
489
490                         /* Binary trees matchfinder (MUST BE LAST!!!)  */
491                         union {
492                                 struct bt_matchfinder_16 bt_mf_16;
493                                 struct bt_matchfinder_32 bt_mf_32;
494                         };
495                 };
496         };
497 };
498
499 /*
500  * Will a matchfinder using 16-bit positions be sufficient for compressing
501  * buffers of up to the specified size?  The limit could be 65536 bytes, but we
502  * also want to optimize out the use of offset_slot_tab_2 in the 16-bit case.
503  * This requires that the limit be no more than the length of offset_slot_tab_1
504  * (currently 32768).
505  */
506 static inline bool
507 lzx_is_16_bit(size_t max_bufsize)
508 {
509         STATIC_ASSERT(ARRAY_LEN(((struct lzx_compressor *)0)->offset_slot_tab_1) == 32768);
510         return max_bufsize <= 32768;
511 }
512
513 /*
514  * The following macros call either the 16-bit or the 32-bit version of a
515  * matchfinder function based on the value of 'is_16_bit', which will be known
516  * at compilation time.
517  */
518
519 #define CALL_HC_MF(is_16_bit, c, funcname, ...)                               \
520         ((is_16_bit) ? CONCAT(funcname, _16)(&(c)->hc_mf_16, ##__VA_ARGS__) : \
521                        CONCAT(funcname, _32)(&(c)->hc_mf_32, ##__VA_ARGS__));
522
523 #define CALL_BT_MF(is_16_bit, c, funcname, ...)                               \
524         ((is_16_bit) ? CONCAT(funcname, _16)(&(c)->bt_mf_16, ##__VA_ARGS__) : \
525                        CONCAT(funcname, _32)(&(c)->bt_mf_32, ##__VA_ARGS__));
526
527 /*
528  * Structure to keep track of the current state of sending bits to the
529  * compressed output buffer.
530  *
531  * The LZX bitstream is encoded as a sequence of 16-bit coding units.
532  */
533 struct lzx_output_bitstream {
534
535         /* Bits that haven't yet been written to the output buffer.  */
536         machine_word_t bitbuf;
537
538         /* Number of bits currently held in @bitbuf.  */
539         u32 bitcount;
540
541         /* Pointer to the start of the output buffer.  */
542         u8 *start;
543
544         /* Pointer to the position in the output buffer at which the next coding
545          * unit should be written.  */
546         u8 *next;
547
548         /* Pointer just past the end of the output buffer, rounded down to a
549          * 2-byte boundary.  */
550         u8 *end;
551 };
552
553 /* Can the specified number of bits always be added to 'bitbuf' after any
554  * pending 16-bit coding units have been flushed?  */
555 #define CAN_BUFFER(n)   ((n) <= (8 * sizeof(machine_word_t)) - 15)
556
557 /*
558  * Initialize the output bitstream.
559  *
560  * @os
561  *      The output bitstream structure to initialize.
562  * @buffer
563  *      The buffer being written to.
564  * @size
565  *      Size of @buffer, in bytes.
566  */
567 static void
568 lzx_init_output(struct lzx_output_bitstream *os, void *buffer, size_t size)
569 {
570         os->bitbuf = 0;
571         os->bitcount = 0;
572         os->start = buffer;
573         os->next = os->start;
574         os->end = os->start + (size & ~1);
575 }
576
577 /* Add some bits to the bitbuffer variable of the output bitstream.  The caller
578  * must make sure there is enough room.  */
579 static inline void
580 lzx_add_bits(struct lzx_output_bitstream *os, u32 bits, unsigned num_bits)
581 {
582         os->bitbuf = (os->bitbuf << num_bits) | bits;
583         os->bitcount += num_bits;
584 }
585
586 /* Flush bits from the bitbuffer variable to the output buffer.  'max_num_bits'
587  * specifies the maximum number of bits that may have been added since the last
588  * flush.  */
589 static inline void
590 lzx_flush_bits(struct lzx_output_bitstream *os, unsigned max_num_bits)
591 {
592         /* Masking the number of bits to shift is only needed to avoid undefined
593          * behavior; we don't actually care about the results of bad shifts.  On
594          * x86, the explicit masking generates no extra code.  */
595         const u32 shift_mask = 8 * sizeof(os->bitbuf) - 1;
596
597         if (os->end - os->next < 6)
598                 return;
599         put_unaligned_le16(os->bitbuf >> ((os->bitcount - 16) &
600                                             shift_mask), os->next + 0);
601         if (max_num_bits > 16)
602                 put_unaligned_le16(os->bitbuf >> ((os->bitcount - 32) &
603                                                 shift_mask), os->next + 2);
604         if (max_num_bits > 32)
605                 put_unaligned_le16(os->bitbuf >> ((os->bitcount - 48) &
606                                                 shift_mask), os->next + 4);
607         os->next += (os->bitcount >> 4) << 1;
608         os->bitcount &= 15;
609 }
610
611 /* Add at most 16 bits to the bitbuffer and flush it.  */
612 static inline void
613 lzx_write_bits(struct lzx_output_bitstream *os, u32 bits, unsigned num_bits)
614 {
615         lzx_add_bits(os, bits, num_bits);
616         lzx_flush_bits(os, 16);
617 }
618
619 /*
620  * Flush the last coding unit to the output buffer if needed.  Return the total
621  * number of bytes written to the output buffer, or 0 if an overflow occurred.
622  */
623 static u32
624 lzx_flush_output(struct lzx_output_bitstream *os)
625 {
626         if (os->end - os->next < 6)
627                 return 0;
628
629         if (os->bitcount != 0) {
630                 put_unaligned_le16(os->bitbuf << (16 - os->bitcount), os->next);
631                 os->next += 2;
632         }
633
634         return os->next - os->start;
635 }
636
637 /* Build the main, length, and aligned offset Huffman codes used in LZX.
638  *
639  * This takes as input the frequency tables for each code and produces as output
640  * a set of tables that map symbols to codewords and codeword lengths.  */
641 static void
642 lzx_make_huffman_codes(struct lzx_compressor *c)
643 {
644         const struct lzx_freqs *freqs = &c->freqs;
645         struct lzx_codes *codes = &c->codes[c->codes_index];
646
647         STATIC_ASSERT(MAIN_CODEWORD_LIMIT >= 9 &&
648                       MAIN_CODEWORD_LIMIT <= LZX_MAX_MAIN_CODEWORD_LEN);
649         STATIC_ASSERT(LENGTH_CODEWORD_LIMIT >= 8 &&
650                       LENGTH_CODEWORD_LIMIT <= LZX_MAX_LEN_CODEWORD_LEN);
651         STATIC_ASSERT(ALIGNED_CODEWORD_LIMIT >= LZX_NUM_ALIGNED_OFFSET_BITS &&
652                       ALIGNED_CODEWORD_LIMIT <= LZX_MAX_ALIGNED_CODEWORD_LEN);
653
654         make_canonical_huffman_code(c->num_main_syms,
655                                     MAIN_CODEWORD_LIMIT,
656                                     freqs->main,
657                                     codes->lens.main,
658                                     codes->codewords.main);
659
660         make_canonical_huffman_code(LZX_LENCODE_NUM_SYMBOLS,
661                                     LENGTH_CODEWORD_LIMIT,
662                                     freqs->len,
663                                     codes->lens.len,
664                                     codes->codewords.len);
665
666         make_canonical_huffman_code(LZX_ALIGNEDCODE_NUM_SYMBOLS,
667                                     ALIGNED_CODEWORD_LIMIT,
668                                     freqs->aligned,
669                                     codes->lens.aligned,
670                                     codes->codewords.aligned);
671 }
672
673 /* Reset the symbol frequencies for the LZX Huffman codes.  */
674 static void
675 lzx_reset_symbol_frequencies(struct lzx_compressor *c)
676 {
677         memset(&c->freqs, 0, sizeof(c->freqs));
678 }
679
680 static unsigned
681 lzx_compute_precode_items(const u8 lens[restrict],
682                           const u8 prev_lens[restrict],
683                           u32 precode_freqs[restrict],
684                           unsigned precode_items[restrict])
685 {
686         unsigned *itemptr;
687         unsigned run_start;
688         unsigned run_end;
689         unsigned extra_bits;
690         int delta;
691         u8 len;
692
693         itemptr = precode_items;
694         run_start = 0;
695
696         while (!((len = lens[run_start]) & 0x80)) {
697
698                 /* len = the length being repeated  */
699
700                 /* Find the next run of codeword lengths.  */
701
702                 run_end = run_start + 1;
703
704                 /* Fast case for a single length.  */
705                 if (likely(len != lens[run_end])) {
706                         delta = prev_lens[run_start] - len;
707                         if (delta < 0)
708                                 delta += 17;
709                         precode_freqs[delta]++;
710                         *itemptr++ = delta;
711                         run_start++;
712                         continue;
713                 }
714
715                 /* Extend the run.  */
716                 do {
717                         run_end++;
718                 } while (len == lens[run_end]);
719
720                 if (len == 0) {
721                         /* Run of zeroes.  */
722
723                         /* Symbol 18: RLE 20 to 51 zeroes at a time.  */
724                         while ((run_end - run_start) >= 20) {
725                                 extra_bits = min((run_end - run_start) - 20, 0x1f);
726                                 precode_freqs[18]++;
727                                 *itemptr++ = 18 | (extra_bits << 5);
728                                 run_start += 20 + extra_bits;
729                         }
730
731                         /* Symbol 17: RLE 4 to 19 zeroes at a time.  */
732                         if ((run_end - run_start) >= 4) {
733                                 extra_bits = min((run_end - run_start) - 4, 0xf);
734                                 precode_freqs[17]++;
735                                 *itemptr++ = 17 | (extra_bits << 5);
736                                 run_start += 4 + extra_bits;
737                         }
738                 } else {
739
740                         /* A run of nonzero lengths. */
741
742                         /* Symbol 19: RLE 4 to 5 of any length at a time.  */
743                         while ((run_end - run_start) >= 4) {
744                                 extra_bits = (run_end - run_start) > 4;
745                                 delta = prev_lens[run_start] - len;
746                                 if (delta < 0)
747                                         delta += 17;
748                                 precode_freqs[19]++;
749                                 precode_freqs[delta]++;
750                                 *itemptr++ = 19 | (extra_bits << 5) | (delta << 6);
751                                 run_start += 4 + extra_bits;
752                         }
753                 }
754
755                 /* Output any remaining lengths without RLE.  */
756                 while (run_start != run_end) {
757                         delta = prev_lens[run_start] - len;
758                         if (delta < 0)
759                                 delta += 17;
760                         precode_freqs[delta]++;
761                         *itemptr++ = delta;
762                         run_start++;
763                 }
764         }
765
766         return itemptr - precode_items;
767 }
768
769 /*
770  * Output a Huffman code in the compressed form used in LZX.
771  *
772  * The Huffman code is represented in the output as a logical series of codeword
773  * lengths from which the Huffman code, which must be in canonical form, can be
774  * reconstructed.
775  *
776  * The codeword lengths are themselves compressed using a separate Huffman code,
777  * the "precode", which contains a symbol for each possible codeword length in
778  * the larger code as well as several special symbols to represent repeated
779  * codeword lengths (a form of run-length encoding).  The precode is itself
780  * constructed in canonical form, and its codeword lengths are represented
781  * literally in 20 4-bit fields that immediately precede the compressed codeword
782  * lengths of the larger code.
783  *
784  * Furthermore, the codeword lengths of the larger code are actually represented
785  * as deltas from the codeword lengths of the corresponding code in the previous
786  * block.
787  *
788  * @os:
789  *      Bitstream to which to write the compressed Huffman code.
790  * @lens:
791  *      The codeword lengths, indexed by symbol, in the Huffman code.
792  * @prev_lens:
793  *      The codeword lengths, indexed by symbol, in the corresponding Huffman
794  *      code in the previous block, or all zeroes if this is the first block.
795  * @num_lens:
796  *      The number of symbols in the Huffman code.
797  */
798 static void
799 lzx_write_compressed_code(struct lzx_output_bitstream *os,
800                           const u8 lens[restrict],
801                           const u8 prev_lens[restrict],
802                           unsigned num_lens)
803 {
804         u32 precode_freqs[LZX_PRECODE_NUM_SYMBOLS];
805         u8 precode_lens[LZX_PRECODE_NUM_SYMBOLS];
806         u32 precode_codewords[LZX_PRECODE_NUM_SYMBOLS];
807         unsigned precode_items[num_lens];
808         unsigned num_precode_items;
809         unsigned precode_item;
810         unsigned precode_sym;
811         unsigned i;
812         u8 saved = lens[num_lens];
813         *(u8 *)(lens + num_lens) = 0x80;
814
815         for (i = 0; i < LZX_PRECODE_NUM_SYMBOLS; i++)
816                 precode_freqs[i] = 0;
817
818         /* Compute the "items" (RLE / literal tokens and extra bits) with which
819          * the codeword lengths in the larger code will be output.  */
820         num_precode_items = lzx_compute_precode_items(lens,
821                                                       prev_lens,
822                                                       precode_freqs,
823                                                       precode_items);
824
825         /* Build the precode.  */
826         STATIC_ASSERT(PRE_CODEWORD_LIMIT >= 5 &&
827                       PRE_CODEWORD_LIMIT <= LZX_MAX_PRE_CODEWORD_LEN);
828         make_canonical_huffman_code(LZX_PRECODE_NUM_SYMBOLS,
829                                     PRE_CODEWORD_LIMIT,
830                                     precode_freqs, precode_lens,
831                                     precode_codewords);
832
833         /* Output the lengths of the codewords in the precode.  */
834         for (i = 0; i < LZX_PRECODE_NUM_SYMBOLS; i++)
835                 lzx_write_bits(os, precode_lens[i], LZX_PRECODE_ELEMENT_SIZE);
836
837         /* Output the encoded lengths of the codewords in the larger code.  */
838         for (i = 0; i < num_precode_items; i++) {
839                 precode_item = precode_items[i];
840                 precode_sym = precode_item & 0x1F;
841                 lzx_add_bits(os, precode_codewords[precode_sym],
842                              precode_lens[precode_sym]);
843                 if (precode_sym >= 17) {
844                         if (precode_sym == 17) {
845                                 lzx_add_bits(os, precode_item >> 5, 4);
846                         } else if (precode_sym == 18) {
847                                 lzx_add_bits(os, precode_item >> 5, 5);
848                         } else {
849                                 lzx_add_bits(os, (precode_item >> 5) & 1, 1);
850                                 precode_sym = precode_item >> 6;
851                                 lzx_add_bits(os, precode_codewords[precode_sym],
852                                              precode_lens[precode_sym]);
853                         }
854                 }
855                 STATIC_ASSERT(CAN_BUFFER(2 * PRE_CODEWORD_LIMIT + 1));
856                 lzx_flush_bits(os, 2 * PRE_CODEWORD_LIMIT + 1);
857         }
858
859         *(u8 *)(lens + num_lens) = saved;
860 }
861
862 /*
863  * Write all matches and literal bytes (which were precomputed) in an LZX
864  * compressed block to the output bitstream in the final compressed
865  * representation.
866  *
867  * @os
868  *      The output bitstream.
869  * @block_type
870  *      The chosen type of the LZX compressed block (LZX_BLOCKTYPE_ALIGNED or
871  *      LZX_BLOCKTYPE_VERBATIM).
872  * @block_data
873  *      The uncompressed data of the block.
874  * @sequences
875  *      The matches and literals to output, given as a series of sequences.
876  * @codes
877  *      The main, length, and aligned offset Huffman codes for the current
878  *      LZX compressed block.
879  */
880 static void
881 lzx_write_sequences(struct lzx_output_bitstream *os, int block_type,
882                     const u8 *block_data, const struct lzx_sequence sequences[],
883                     const struct lzx_codes *codes)
884 {
885         const struct lzx_sequence *seq = sequences;
886         u32 ones_if_aligned = 0 - (block_type == LZX_BLOCKTYPE_ALIGNED);
887
888         for (;;) {
889                 /* Output the next sequence.  */
890
891                 unsigned litrunlen = seq->litrunlen;
892                 unsigned match_hdr;
893                 unsigned main_symbol;
894                 unsigned adjusted_length;
895                 u32 adjusted_offset;
896                 unsigned offset_slot;
897                 unsigned num_extra_bits;
898                 u32 extra_bits;
899
900                 /* Output the literal run of the sequence.  */
901
902                 if (litrunlen) {  /* Is the literal run nonempty?  */
903
904                         /* Verify optimization is enabled on 64-bit  */
905                         STATIC_ASSERT(sizeof(machine_word_t) < 8 ||
906                                       CAN_BUFFER(3 * MAIN_CODEWORD_LIMIT));
907
908                         if (CAN_BUFFER(3 * MAIN_CODEWORD_LIMIT)) {
909
910                                 /* 64-bit: write 3 literals at a time.  */
911                                 while (litrunlen >= 3) {
912                                         unsigned lit0 = block_data[0];
913                                         unsigned lit1 = block_data[1];
914                                         unsigned lit2 = block_data[2];
915                                         lzx_add_bits(os, codes->codewords.main[lit0],
916                                                      codes->lens.main[lit0]);
917                                         lzx_add_bits(os, codes->codewords.main[lit1],
918                                                      codes->lens.main[lit1]);
919                                         lzx_add_bits(os, codes->codewords.main[lit2],
920                                                      codes->lens.main[lit2]);
921                                         lzx_flush_bits(os, 3 * MAIN_CODEWORD_LIMIT);
922                                         block_data += 3;
923                                         litrunlen -= 3;
924                                 }
925                                 if (litrunlen--) {
926                                         unsigned lit = *block_data++;
927                                         lzx_add_bits(os, codes->codewords.main[lit],
928                                                      codes->lens.main[lit]);
929                                         if (litrunlen--) {
930                                                 unsigned lit = *block_data++;
931                                                 lzx_add_bits(os, codes->codewords.main[lit],
932                                                              codes->lens.main[lit]);
933                                                 lzx_flush_bits(os, 2 * MAIN_CODEWORD_LIMIT);
934                                         } else {
935                                                 lzx_flush_bits(os, 1 * MAIN_CODEWORD_LIMIT);
936                                         }
937                                 }
938                         } else {
939                                 /* 32-bit: write 1 literal at a time.  */
940                                 do {
941                                         unsigned lit = *block_data++;
942                                         lzx_add_bits(os, codes->codewords.main[lit],
943                                                      codes->lens.main[lit]);
944                                         lzx_flush_bits(os, MAIN_CODEWORD_LIMIT);
945                                 } while (--litrunlen);
946                         }
947                 }
948
949                 /* Was this the last literal run?  */
950                 if (seq->adjusted_offset_and_match_hdr & 0x80000000)
951                         return;
952
953                 /* Nope; output the match.  */
954
955                 match_hdr = seq->adjusted_offset_and_match_hdr & 0x1FF;
956                 main_symbol = LZX_NUM_CHARS + match_hdr;
957                 adjusted_length = seq->adjusted_length;
958
959                 block_data += adjusted_length + LZX_MIN_MATCH_LEN;
960
961                 offset_slot = match_hdr / LZX_NUM_LEN_HEADERS;
962                 adjusted_offset = seq->adjusted_offset_and_match_hdr >> 9;
963
964                 num_extra_bits = lzx_extra_offset_bits[offset_slot];
965                 extra_bits = adjusted_offset - lzx_offset_slot_base[offset_slot];
966
967         #define MAX_MATCH_BITS  (MAIN_CODEWORD_LIMIT + LENGTH_CODEWORD_LIMIT + \
968                                  14 + ALIGNED_CODEWORD_LIMIT)
969
970                 /* Verify optimization is enabled on 64-bit  */
971                 STATIC_ASSERT(sizeof(machine_word_t) < 8 || CAN_BUFFER(MAX_MATCH_BITS));
972
973                 /* Output the main symbol for the match.  */
974
975                 lzx_add_bits(os, codes->codewords.main[main_symbol],
976                              codes->lens.main[main_symbol]);
977                 if (!CAN_BUFFER(MAX_MATCH_BITS))
978                         lzx_flush_bits(os, MAIN_CODEWORD_LIMIT);
979
980                 /* If needed, output the length symbol for the match.  */
981
982                 if (adjusted_length >= LZX_NUM_PRIMARY_LENS) {
983                         lzx_add_bits(os, codes->codewords.len[adjusted_length -
984                                                               LZX_NUM_PRIMARY_LENS],
985                                      codes->lens.len[adjusted_length -
986                                                      LZX_NUM_PRIMARY_LENS]);
987                         if (!CAN_BUFFER(MAX_MATCH_BITS))
988                                 lzx_flush_bits(os, LENGTH_CODEWORD_LIMIT);
989                 }
990
991                 /* Output the extra offset bits for the match.  In aligned
992                  * offset blocks, the lowest 3 bits of the adjusted offset are
993                  * Huffman-encoded using the aligned offset code, provided that
994                  * there are at least extra 3 offset bits required.  All other
995                  * extra offset bits are output verbatim.  */
996
997                 if ((adjusted_offset & ones_if_aligned) >= 16) {
998
999                         lzx_add_bits(os, extra_bits >> LZX_NUM_ALIGNED_OFFSET_BITS,
1000                                      num_extra_bits - LZX_NUM_ALIGNED_OFFSET_BITS);
1001                         if (!CAN_BUFFER(MAX_MATCH_BITS))
1002                                 lzx_flush_bits(os, 14);
1003
1004                         lzx_add_bits(os, codes->codewords.aligned[adjusted_offset &
1005                                                                   LZX_ALIGNED_OFFSET_BITMASK],
1006                                      codes->lens.aligned[adjusted_offset &
1007                                                          LZX_ALIGNED_OFFSET_BITMASK]);
1008                         if (!CAN_BUFFER(MAX_MATCH_BITS))
1009                                 lzx_flush_bits(os, ALIGNED_CODEWORD_LIMIT);
1010                 } else {
1011                         STATIC_ASSERT(CAN_BUFFER(17));
1012
1013                         lzx_add_bits(os, extra_bits, num_extra_bits);
1014                         if (!CAN_BUFFER(MAX_MATCH_BITS))
1015                                 lzx_flush_bits(os, 17);
1016                 }
1017
1018                 if (CAN_BUFFER(MAX_MATCH_BITS))
1019                         lzx_flush_bits(os, MAX_MATCH_BITS);
1020
1021                 /* Advance to the next sequence.  */
1022                 seq++;
1023         }
1024 }
1025
1026 static void
1027 lzx_write_compressed_block(const u8 *block_begin,
1028                            int block_type,
1029                            u32 block_size,
1030                            unsigned window_order,
1031                            unsigned num_main_syms,
1032                            const struct lzx_sequence sequences[],
1033                            const struct lzx_codes * codes,
1034                            const struct lzx_lens * prev_lens,
1035                            struct lzx_output_bitstream * os)
1036 {
1037         /* The first three bits indicate the type of block and are one of the
1038          * LZX_BLOCKTYPE_* constants.  */
1039         lzx_write_bits(os, block_type, 3);
1040
1041         /* Output the block size.
1042          *
1043          * The original LZX format seemed to always encode the block size in 3
1044          * bytes.  However, the implementation in WIMGAPI, as used in WIM files,
1045          * uses the first bit to indicate whether the block is the default size
1046          * (32768) or a different size given explicitly by the next 16 bits.
1047          *
1048          * By default, this compressor uses a window size of 32768 and therefore
1049          * follows the WIMGAPI behavior.  However, this compressor also supports
1050          * window sizes greater than 32768 bytes, which do not appear to be
1051          * supported by WIMGAPI.  In such cases, we retain the default size bit
1052          * to mean a size of 32768 bytes but output non-default block size in 24
1053          * bits rather than 16.  The compatibility of this behavior is unknown
1054          * because WIMs created with chunk size greater than 32768 can seemingly
1055          * only be opened by wimlib anyway.  */
1056         if (block_size == LZX_DEFAULT_BLOCK_SIZE) {
1057                 lzx_write_bits(os, 1, 1);
1058         } else {
1059                 lzx_write_bits(os, 0, 1);
1060
1061                 if (window_order >= 16)
1062                         lzx_write_bits(os, block_size >> 16, 8);
1063
1064                 lzx_write_bits(os, block_size & 0xFFFF, 16);
1065         }
1066
1067         /* If it's an aligned offset block, output the aligned offset code.  */
1068         if (block_type == LZX_BLOCKTYPE_ALIGNED) {
1069                 for (int i = 0; i < LZX_ALIGNEDCODE_NUM_SYMBOLS; i++) {
1070                         lzx_write_bits(os, codes->lens.aligned[i],
1071                                        LZX_ALIGNEDCODE_ELEMENT_SIZE);
1072                 }
1073         }
1074
1075         /* Output the main code (two parts).  */
1076         lzx_write_compressed_code(os, codes->lens.main,
1077                                   prev_lens->main,
1078                                   LZX_NUM_CHARS);
1079         lzx_write_compressed_code(os, codes->lens.main + LZX_NUM_CHARS,
1080                                   prev_lens->main + LZX_NUM_CHARS,
1081                                   num_main_syms - LZX_NUM_CHARS);
1082
1083         /* Output the length code.  */
1084         lzx_write_compressed_code(os, codes->lens.len,
1085                                   prev_lens->len,
1086                                   LZX_LENCODE_NUM_SYMBOLS);
1087
1088         /* Output the compressed matches and literals.  */
1089         lzx_write_sequences(os, block_type, block_begin, sequences, codes);
1090 }
1091
1092 /* Given the frequencies of symbols in an LZX-compressed block and the
1093  * corresponding Huffman codes, return LZX_BLOCKTYPE_ALIGNED or
1094  * LZX_BLOCKTYPE_VERBATIM if an aligned offset or verbatim block, respectively,
1095  * will take fewer bits to output.  */
1096 static int
1097 lzx_choose_verbatim_or_aligned(const struct lzx_freqs * freqs,
1098                                const struct lzx_codes * codes)
1099 {
1100         u32 aligned_cost = 0;
1101         u32 verbatim_cost = 0;
1102
1103         /* A verbatim block requires 3 bits in each place that an aligned symbol
1104          * would be used in an aligned offset block.  */
1105         for (unsigned i = 0; i < LZX_ALIGNEDCODE_NUM_SYMBOLS; i++) {
1106                 verbatim_cost += LZX_NUM_ALIGNED_OFFSET_BITS * freqs->aligned[i];
1107                 aligned_cost += codes->lens.aligned[i] * freqs->aligned[i];
1108         }
1109
1110         /* Account for output of the aligned offset code.  */
1111         aligned_cost += LZX_ALIGNEDCODE_ELEMENT_SIZE * LZX_ALIGNEDCODE_NUM_SYMBOLS;
1112
1113         if (aligned_cost < verbatim_cost)
1114                 return LZX_BLOCKTYPE_ALIGNED;
1115         else
1116                 return LZX_BLOCKTYPE_VERBATIM;
1117 }
1118
1119 /*
1120  * Return the offset slot for the specified adjusted match offset, using the
1121  * compressor's acceleration tables to speed up the mapping.
1122  */
1123 static inline unsigned
1124 lzx_comp_get_offset_slot(struct lzx_compressor *c, u32 adjusted_offset,
1125                          bool is_16_bit)
1126 {
1127         if (is_16_bit || adjusted_offset < ARRAY_LEN(c->offset_slot_tab_1))
1128                 return c->offset_slot_tab_1[adjusted_offset];
1129         return c->offset_slot_tab_2[adjusted_offset >> 14];
1130 }
1131
1132 /*
1133  * Finish an LZX block:
1134  *
1135  * - build the Huffman codes
1136  * - decide whether to output the block as VERBATIM or ALIGNED
1137  * - output the block
1138  * - swap the indices of the current and previous Huffman codes
1139  */
1140 static void
1141 lzx_finish_block(struct lzx_compressor *c, struct lzx_output_bitstream *os,
1142                  const u8 *block_begin, u32 block_size, u32 seq_idx)
1143 {
1144         int block_type;
1145
1146         lzx_make_huffman_codes(c);
1147
1148         block_type = lzx_choose_verbatim_or_aligned(&c->freqs,
1149                                                     &c->codes[c->codes_index]);
1150         lzx_write_compressed_block(block_begin,
1151                                    block_type,
1152                                    block_size,
1153                                    c->window_order,
1154                                    c->num_main_syms,
1155                                    &c->chosen_sequences[seq_idx],
1156                                    &c->codes[c->codes_index],
1157                                    &c->codes[c->codes_index ^ 1].lens,
1158                                    os);
1159         c->codes_index ^= 1;
1160 }
1161
1162 /* Tally the Huffman symbol for a literal and increment the literal run length.
1163  */
1164 static inline void
1165 lzx_record_literal(struct lzx_compressor *c, unsigned literal, u32 *litrunlen_p)
1166 {
1167         c->freqs.main[literal]++;
1168         ++*litrunlen_p;
1169 }
1170
1171 /* Tally the Huffman symbol for a match, save the match data and the length of
1172  * the preceding literal run in the next lzx_sequence, and update the recent
1173  * offsets queue.  */
1174 static inline void
1175 lzx_record_match(struct lzx_compressor *c, unsigned length, u32 offset_data,
1176                  u32 recent_offsets[LZX_NUM_RECENT_OFFSETS], bool is_16_bit,
1177                  u32 *litrunlen_p, struct lzx_sequence **next_seq_p)
1178 {
1179         u32 litrunlen = *litrunlen_p;
1180         struct lzx_sequence *next_seq = *next_seq_p;
1181         unsigned offset_slot;
1182         unsigned v;
1183
1184         v = length - LZX_MIN_MATCH_LEN;
1185
1186         /* Save the literal run length and adjusted length.  */
1187         next_seq->litrunlen = litrunlen;
1188         next_seq->adjusted_length = v;
1189
1190         /* Compute the length header and tally the length symbol if needed  */
1191         if (v >= LZX_NUM_PRIMARY_LENS) {
1192                 c->freqs.len[v - LZX_NUM_PRIMARY_LENS]++;
1193                 v = LZX_NUM_PRIMARY_LENS;
1194         }
1195
1196         /* Compute the offset slot  */
1197         offset_slot = lzx_comp_get_offset_slot(c, offset_data, is_16_bit);
1198
1199         /* Compute the match header.  */
1200         v += offset_slot * LZX_NUM_LEN_HEADERS;
1201
1202         /* Save the adjusted offset and match header.  */
1203         next_seq->adjusted_offset_and_match_hdr = (offset_data << 9) | v;
1204
1205         /* Tally the main symbol.  */
1206         c->freqs.main[LZX_NUM_CHARS + v]++;
1207
1208         /* Update the recent offsets queue.  */
1209         if (offset_data < LZX_NUM_RECENT_OFFSETS) {
1210                 /* Repeat offset match  */
1211                 swap(recent_offsets[0], recent_offsets[offset_data]);
1212         } else {
1213                 /* Explicit offset match  */
1214
1215                 /* Tally the aligned offset symbol if needed  */
1216                 if (offset_data >= 16)
1217                         c->freqs.aligned[offset_data & LZX_ALIGNED_OFFSET_BITMASK]++;
1218
1219                 recent_offsets[2] = recent_offsets[1];
1220                 recent_offsets[1] = recent_offsets[0];
1221                 recent_offsets[0] = offset_data - LZX_OFFSET_ADJUSTMENT;
1222         }
1223
1224         /* Reset the literal run length and advance to the next sequence.  */
1225         *next_seq_p = next_seq + 1;
1226         *litrunlen_p = 0;
1227 }
1228
1229 /* Finish the last lzx_sequence.  The last lzx_sequence is just a literal run;
1230  * there is no match.  This literal run may be empty.  */
1231 static inline void
1232 lzx_finish_sequence(struct lzx_sequence *last_seq, u32 litrunlen)
1233 {
1234         last_seq->litrunlen = litrunlen;
1235
1236         /* Special value to mark last sequence  */
1237         last_seq->adjusted_offset_and_match_hdr = 0x80000000;
1238 }
1239
1240 /******************************************************************************/
1241
1242 /*
1243  * Block splitting algorithm.  The problem is to decide when it is worthwhile to
1244  * start a new block with new entropy codes.  There is a theoretically optimal
1245  * solution: recursively consider every possible block split, considering the
1246  * exact cost of each block, and choose the minimum cost approach.  But this is
1247  * far too slow.  Instead, as an approximation, we can count symbols and after
1248  * every N symbols, compare the expected distribution of symbols based on the
1249  * previous data with the actual distribution.  If they differ "by enough", then
1250  * start a new block.
1251  *
1252  * As an optimization and heuristic, we don't distinguish between every symbol
1253  * but rather we combine many symbols into a single "observation type".  For
1254  * literals we only look at the high bits and low bits, and for matches we only
1255  * look at whether the match is long or not.  The assumption is that for typical
1256  * "real" data, places that are good block boundaries will tend to be noticable
1257  * based only on changes in these aggregate frequencies, without looking for
1258  * subtle differences in individual symbols.  For example, a change from ASCII
1259  * bytes to non-ASCII bytes, or from few matches (generally less compressible)
1260  * to many matches (generally more compressible), would be easily noticed based
1261  * on the aggregates.
1262  *
1263  * For determining whether the frequency distributions are "different enough" to
1264  * start a new block, the simply heuristic of splitting when the sum of absolute
1265  * differences exceeds a constant seems to be good enough.  We also add a number
1266  * proportional to the block size so that the algorithm is more likely to end
1267  * large blocks than small blocks.  This reflects the general expectation that
1268  * it will become increasingly beneficial to start a new block as the current
1269  * blocks grows larger.
1270  *
1271  * Finally, for an approximation, it is not strictly necessary that the exact
1272  * symbols being used are considered.  With "near-optimal parsing", for example,
1273  * the actual symbols that will be used are unknown until after the block
1274  * boundary is chosen and the block has been optimized.  Since the final choices
1275  * cannot be used, we can use preliminary "greedy" choices instead.
1276  */
1277
1278 /* Initialize the block split statistics when starting a new block. */
1279 static void
1280 init_block_split_stats(struct block_split_stats *stats)
1281 {
1282         for (int i = 0; i < NUM_OBSERVATION_TYPES; i++) {
1283                 stats->new_observations[i] = 0;
1284                 stats->observations[i] = 0;
1285         }
1286         stats->num_new_observations = 0;
1287         stats->num_observations = 0;
1288 }
1289
1290 /* Literal observation.  Heuristic: use the top 2 bits and low 1 bits of the
1291  * literal, for 8 possible literal observation types.  */
1292 static inline void
1293 observe_literal(struct block_split_stats *stats, u8 lit)
1294 {
1295         stats->new_observations[((lit >> 5) & 0x6) | (lit & 1)]++;
1296         stats->num_new_observations++;
1297 }
1298
1299 /* Match observation.  Heuristic: use one observation type for "short match" and
1300  * one observation type for "long match".  */
1301 static inline void
1302 observe_match(struct block_split_stats *stats, unsigned length)
1303 {
1304         stats->new_observations[NUM_LITERAL_OBSERVATION_TYPES + (length >= 5)]++;
1305         stats->num_new_observations++;
1306 }
1307
1308 static bool
1309 do_end_block_check(struct block_split_stats *stats, u32 block_size)
1310 {
1311         if (stats->num_observations > 0) {
1312
1313                 /* Note: to avoid slow divisions, we do not divide by
1314                  * 'num_observations', but rather do all math with the numbers
1315                  * multiplied by 'num_observations'.  */
1316                 u32 total_delta = 0;
1317                 for (int i = 0; i < NUM_OBSERVATION_TYPES; i++) {
1318                         u32 expected = stats->observations[i] * stats->num_new_observations;
1319                         u32 actual = stats->new_observations[i] * stats->num_observations;
1320                         u32 delta = (actual > expected) ? actual - expected :
1321                                                           expected - actual;
1322                         total_delta += delta;
1323                 }
1324
1325                 /* Ready to end the block? */
1326                 if (total_delta + (block_size >> 10) * stats->num_observations >=
1327                     200 * stats->num_observations)
1328                         return true;
1329         }
1330
1331         for (int i = 0; i < NUM_OBSERVATION_TYPES; i++) {
1332                 stats->num_observations += stats->new_observations[i];
1333                 stats->observations[i] += stats->new_observations[i];
1334                 stats->new_observations[i] = 0;
1335         }
1336         stats->num_new_observations = 0;
1337         return false;
1338 }
1339
1340 static inline bool
1341 should_end_block(struct block_split_stats *stats,
1342                  const u8 *in_block_begin, const u8 *in_next, const u8 *in_end)
1343 {
1344         /* Ready to check block split statistics? */
1345         if (stats->num_new_observations < 250 ||
1346             in_next - in_block_begin < MIN_BLOCK_SIZE ||
1347             in_end - in_next < MIN_BLOCK_SIZE)
1348                 return false;
1349
1350         return do_end_block_check(stats, in_next - in_block_begin);
1351 }
1352
1353 /******************************************************************************/
1354
1355 /*
1356  * Given the minimum-cost path computed through the item graph for the current
1357  * block, walk the path and count how many of each symbol in each Huffman-coded
1358  * alphabet would be required to output the items (matches and literals) along
1359  * the path.
1360  *
1361  * Note that the path will be walked backwards (from the end of the block to the
1362  * beginning of the block), but this doesn't matter because this function only
1363  * computes frequencies.
1364  */
1365 static inline void
1366 lzx_tally_item_list(struct lzx_compressor *c, u32 block_size, bool is_16_bit)
1367 {
1368         u32 node_idx = block_size;
1369         for (;;) {
1370                 u32 len;
1371                 u32 offset_data;
1372                 unsigned v;
1373                 unsigned offset_slot;
1374
1375                 /* Tally literals until either a match or the beginning of the
1376                  * block is reached.  */
1377                 for (;;) {
1378                         u32 item = c->optimum_nodes[node_idx].item;
1379
1380                         len = item & OPTIMUM_LEN_MASK;
1381                         offset_data = item >> OPTIMUM_OFFSET_SHIFT;
1382
1383                         if (len != 0)  /* Not a literal?  */
1384                                 break;
1385
1386                         /* Tally the main symbol for the literal.  */
1387                         c->freqs.main[offset_data]++;
1388
1389                         if (--node_idx == 0) /* Beginning of block was reached?  */
1390                                 return;
1391                 }
1392
1393                 node_idx -= len;
1394
1395                 /* Tally a match.  */
1396
1397                 /* Tally the aligned offset symbol if needed.  */
1398                 if (offset_data >= 16)
1399                         c->freqs.aligned[offset_data & LZX_ALIGNED_OFFSET_BITMASK]++;
1400
1401                 /* Tally the length symbol if needed.  */
1402                 v = len - LZX_MIN_MATCH_LEN;;
1403                 if (v >= LZX_NUM_PRIMARY_LENS) {
1404                         c->freqs.len[v - LZX_NUM_PRIMARY_LENS]++;
1405                         v = LZX_NUM_PRIMARY_LENS;
1406                 }
1407
1408                 /* Tally the main symbol.  */
1409                 offset_slot = lzx_comp_get_offset_slot(c, offset_data, is_16_bit);
1410                 v += offset_slot * LZX_NUM_LEN_HEADERS;
1411                 c->freqs.main[LZX_NUM_CHARS + v]++;
1412
1413                 if (node_idx == 0) /* Beginning of block was reached?  */
1414                         return;
1415         }
1416 }
1417
1418 /*
1419  * Like lzx_tally_item_list(), but this function also generates the list of
1420  * lzx_sequences for the minimum-cost path and writes it to c->chosen_sequences,
1421  * ready to be output to the bitstream after the Huffman codes are computed.
1422  * The lzx_sequences will be written to decreasing memory addresses as the path
1423  * is walked backwards, which means they will end up in the expected
1424  * first-to-last order.  The return value is the index in c->chosen_sequences at
1425  * which the lzx_sequences begin.
1426  */
1427 static inline u32
1428 lzx_record_item_list(struct lzx_compressor *c, u32 block_size, bool is_16_bit)
1429 {
1430         u32 node_idx = block_size;
1431         u32 seq_idx = ARRAY_LEN(c->chosen_sequences) - 1;
1432         u32 lit_start_node;
1433
1434         /* Special value to mark last sequence  */
1435         c->chosen_sequences[seq_idx].adjusted_offset_and_match_hdr = 0x80000000;
1436
1437         lit_start_node = node_idx;
1438         for (;;) {
1439                 u32 len;
1440                 u32 offset_data;
1441                 unsigned v;
1442                 unsigned offset_slot;
1443
1444                 /* Record literals until either a match or the beginning of the
1445                  * block is reached.  */
1446                 for (;;) {
1447                         u32 item = c->optimum_nodes[node_idx].item;
1448
1449                         len = item & OPTIMUM_LEN_MASK;
1450                         offset_data = item >> OPTIMUM_OFFSET_SHIFT;
1451
1452                         if (len != 0) /* Not a literal?  */
1453                                 break;
1454
1455                         /* Tally the main symbol for the literal.  */
1456                         c->freqs.main[offset_data]++;
1457
1458                         if (--node_idx == 0) /* Beginning of block was reached?  */
1459                                 goto out;
1460                 }
1461
1462                 /* Save the literal run length for the next sequence (the
1463                  * "previous sequence" when walking backwards).  */
1464                 c->chosen_sequences[seq_idx--].litrunlen = lit_start_node - node_idx;
1465                 node_idx -= len;
1466                 lit_start_node = node_idx;
1467
1468                 /* Record a match.  */
1469
1470                 /* Tally the aligned offset symbol if needed.  */
1471                 if (offset_data >= 16)
1472                         c->freqs.aligned[offset_data & LZX_ALIGNED_OFFSET_BITMASK]++;
1473
1474                 /* Save the adjusted length.  */
1475                 v = len - LZX_MIN_MATCH_LEN;
1476                 c->chosen_sequences[seq_idx].adjusted_length = v;
1477
1478                 /* Tally the length symbol if needed.  */
1479                 if (v >= LZX_NUM_PRIMARY_LENS) {
1480                         c->freqs.len[v - LZX_NUM_PRIMARY_LENS]++;
1481                         v = LZX_NUM_PRIMARY_LENS;
1482                 }
1483
1484                 /* Tally the main symbol.  */
1485                 offset_slot = lzx_comp_get_offset_slot(c, offset_data, is_16_bit);
1486                 v += offset_slot * LZX_NUM_LEN_HEADERS;
1487                 c->freqs.main[LZX_NUM_CHARS + v]++;
1488
1489                 /* Save the adjusted offset and match header.  */
1490                 c->chosen_sequences[seq_idx].adjusted_offset_and_match_hdr =
1491                                 (offset_data << 9) | v;
1492
1493                 if (node_idx == 0) /* Beginning of block was reached?  */
1494                         goto out;
1495         }
1496
1497 out:
1498         /* Save the literal run length for the first sequence.  */
1499         c->chosen_sequences[seq_idx].litrunlen = lit_start_node - node_idx;
1500
1501         /* Return the index in c->chosen_sequences at which the lzx_sequences
1502          * begin.  */
1503         return seq_idx;
1504 }
1505
1506 /*
1507  * Find an inexpensive path through the graph of possible match/literal choices
1508  * for the current block.  The nodes of the graph are
1509  * c->optimum_nodes[0...block_size].  They correspond directly to the bytes in
1510  * the current block, plus one extra node for end-of-block.  The edges of the
1511  * graph are matches and literals.  The goal is to find the minimum cost path
1512  * from 'c->optimum_nodes[0]' to 'c->optimum_nodes[block_size]'.
1513  *
1514  * The algorithm works forwards, starting at 'c->optimum_nodes[0]' and
1515  * proceeding forwards one node at a time.  At each node, a selection of matches
1516  * (len >= 2), as well as the literal byte (len = 1), is considered.  An item of
1517  * length 'len' provides a new path to reach the node 'len' bytes later.  If
1518  * such a path is the lowest cost found so far to reach that later node, then
1519  * that later node is updated with the new path.
1520  *
1521  * Note that although this algorithm is based on minimum cost path search, due
1522  * to various simplifying assumptions the result is not guaranteed to be the
1523  * true minimum cost, or "optimal", path over the graph of all valid LZX
1524  * representations of this block.
1525  *
1526  * Also, note that because of the presence of the recent offsets queue (which is
1527  * a type of adaptive state), the algorithm cannot work backwards and compute
1528  * "cost to end" instead of "cost to beginning".  Furthermore, the way the
1529  * algorithm handles this adaptive state in the "minimum cost" parse is actually
1530  * only an approximation.  It's possible for the globally optimal, minimum cost
1531  * path to contain a prefix, ending at a position, where that path prefix is
1532  * *not* the minimum cost path to that position.  This can happen if such a path
1533  * prefix results in a different adaptive state which results in lower costs
1534  * later.  The algorithm does not solve this problem; it only considers the
1535  * lowest cost to reach each individual position.
1536  */
1537 static inline struct lzx_lru_queue
1538 lzx_find_min_cost_path(struct lzx_compressor * const restrict c,
1539                        const u8 * const restrict block_begin,
1540                        const u32 block_size,
1541                        const struct lzx_lru_queue initial_queue,
1542                        bool is_16_bit)
1543 {
1544         struct lzx_optimum_node *cur_node = c->optimum_nodes;
1545         struct lzx_optimum_node * const end_node = &c->optimum_nodes[block_size];
1546         struct lz_match *cache_ptr = c->match_cache;
1547         const u8 *in_next = block_begin;
1548         const u8 * const block_end = block_begin + block_size;
1549
1550         /* Instead of storing the match offset LRU queues in the
1551          * 'lzx_optimum_node' structures, we save memory (and cache lines) by
1552          * storing them in a smaller array.  This works because the algorithm
1553          * only requires a limited history of the adaptive state.  Once a given
1554          * state is more than LZX_MAX_MATCH_LEN bytes behind the current node,
1555          * it is no longer needed.  */
1556         struct lzx_lru_queue queues[512];
1557
1558         STATIC_ASSERT(ARRAY_LEN(queues) >= LZX_MAX_MATCH_LEN + 1);
1559 #define QUEUE(in) (queues[(uintptr_t)(in) % ARRAY_LEN(queues)])
1560
1561         /* Initially, the cost to reach each node is "infinity".  */
1562         memset(c->optimum_nodes, 0xFF,
1563                (block_size + 1) * sizeof(c->optimum_nodes[0]));
1564
1565         QUEUE(block_begin) = initial_queue;
1566
1567         /* The following loop runs 'block_size' iterations, one per node.  */
1568         do {
1569                 unsigned num_matches;
1570                 unsigned literal;
1571                 u32 cost;
1572
1573                 /*
1574                  * A selection of matches for the block was already saved in
1575                  * memory so that we don't have to run the uncompressed data
1576                  * through the matchfinder on every optimization pass.  However,
1577                  * we still search for repeat offset matches during each
1578                  * optimization pass because we cannot predict the state of the
1579                  * recent offsets queue.  But as a heuristic, we don't bother
1580                  * searching for repeat offset matches if the general-purpose
1581                  * matchfinder failed to find any matches.
1582                  *
1583                  * Note that a match of length n at some offset implies there is
1584                  * also a match of length l for LZX_MIN_MATCH_LEN <= l <= n at
1585                  * that same offset.  In other words, we don't necessarily need
1586                  * to use the full length of a match.  The key heuristic that
1587                  * saves a significicant amount of time is that for each
1588                  * distinct length, we only consider the smallest offset for
1589                  * which that length is available.  This heuristic also applies
1590                  * to repeat offsets, which we order specially: R0 < R1 < R2 <
1591                  * any explicit offset.  Of course, this heuristic may be
1592                  * produce suboptimal results because offset slots in LZX are
1593                  * subject to entropy encoding, but in practice this is a useful
1594                  * heuristic.
1595                  */
1596
1597                 num_matches = cache_ptr->length;
1598                 cache_ptr++;
1599
1600                 if (num_matches) {
1601                         struct lz_match *end_matches = cache_ptr + num_matches;
1602                         unsigned next_len = LZX_MIN_MATCH_LEN;
1603                         unsigned max_len = min(block_end - in_next, LZX_MAX_MATCH_LEN);
1604                         const u8 *matchptr;
1605
1606                         /* Consider R0 match  */
1607                         matchptr = in_next - lzx_lru_queue_R0(QUEUE(in_next));
1608                         if (load_u16_unaligned(matchptr) != load_u16_unaligned(in_next))
1609                                 goto R0_done;
1610                         STATIC_ASSERT(LZX_MIN_MATCH_LEN == 2);
1611                         do {
1612                                 u32 cost = cur_node->cost +
1613                                            c->costs.match_cost[0][
1614                                                         next_len - LZX_MIN_MATCH_LEN];
1615                                 if (cost <= (cur_node + next_len)->cost) {
1616                                         (cur_node + next_len)->cost = cost;
1617                                         (cur_node + next_len)->item =
1618                                                 (0 << OPTIMUM_OFFSET_SHIFT) | next_len;
1619                                 }
1620                                 if (unlikely(++next_len > max_len)) {
1621                                         cache_ptr = end_matches;
1622                                         goto done_matches;
1623                                 }
1624                         } while (in_next[next_len - 1] == matchptr[next_len - 1]);
1625
1626                 R0_done:
1627
1628                         /* Consider R1 match  */
1629                         matchptr = in_next - lzx_lru_queue_R1(QUEUE(in_next));
1630                         if (load_u16_unaligned(matchptr) != load_u16_unaligned(in_next))
1631                                 goto R1_done;
1632                         if (matchptr[next_len - 1] != in_next[next_len - 1])
1633                                 goto R1_done;
1634                         for (unsigned len = 2; len < next_len - 1; len++)
1635                                 if (matchptr[len] != in_next[len])
1636                                         goto R1_done;
1637                         do {
1638                                 u32 cost = cur_node->cost +
1639                                            c->costs.match_cost[1][
1640                                                         next_len - LZX_MIN_MATCH_LEN];
1641                                 if (cost <= (cur_node + next_len)->cost) {
1642                                         (cur_node + next_len)->cost = cost;
1643                                         (cur_node + next_len)->item =
1644                                                 (1 << OPTIMUM_OFFSET_SHIFT) | next_len;
1645                                 }
1646                                 if (unlikely(++next_len > max_len)) {
1647                                         cache_ptr = end_matches;
1648                                         goto done_matches;
1649                                 }
1650                         } while (in_next[next_len - 1] == matchptr[next_len - 1]);
1651
1652                 R1_done:
1653
1654                         /* Consider R2 match  */
1655                         matchptr = in_next - lzx_lru_queue_R2(QUEUE(in_next));
1656                         if (load_u16_unaligned(matchptr) != load_u16_unaligned(in_next))
1657                                 goto R2_done;
1658                         if (matchptr[next_len - 1] != in_next[next_len - 1])
1659                                 goto R2_done;
1660                         for (unsigned len = 2; len < next_len - 1; len++)
1661                                 if (matchptr[len] != in_next[len])
1662                                         goto R2_done;
1663                         do {
1664                                 u32 cost = cur_node->cost +
1665                                            c->costs.match_cost[2][
1666                                                         next_len - LZX_MIN_MATCH_LEN];
1667                                 if (cost <= (cur_node + next_len)->cost) {
1668                                         (cur_node + next_len)->cost = cost;
1669                                         (cur_node + next_len)->item =
1670                                                 (2 << OPTIMUM_OFFSET_SHIFT) | next_len;
1671                                 }
1672                                 if (unlikely(++next_len > max_len)) {
1673                                         cache_ptr = end_matches;
1674                                         goto done_matches;
1675                                 }
1676                         } while (in_next[next_len - 1] == matchptr[next_len - 1]);
1677
1678                 R2_done:
1679
1680                         while (next_len > cache_ptr->length)
1681                                 if (++cache_ptr == end_matches)
1682                                         goto done_matches;
1683
1684                         /* Consider explicit offset matches  */
1685                         do {
1686                                 u32 offset = cache_ptr->offset;
1687                                 u32 offset_data = offset + LZX_OFFSET_ADJUSTMENT;
1688                                 unsigned offset_slot = lzx_comp_get_offset_slot(c, offset_data,
1689                                                                                 is_16_bit);
1690                                 u32 base_cost = cur_node->cost;
1691
1692                         #if LZX_CONSIDER_ALIGNED_COSTS
1693                                 if (offset_data >= 16)
1694                                         base_cost += c->costs.aligned[offset_data &
1695                                                                       LZX_ALIGNED_OFFSET_BITMASK];
1696                         #endif
1697
1698                                 do {
1699                                         u32 cost = base_cost +
1700                                                    c->costs.match_cost[offset_slot][
1701                                                                 next_len - LZX_MIN_MATCH_LEN];
1702                                         if (cost < (cur_node + next_len)->cost) {
1703                                                 (cur_node + next_len)->cost = cost;
1704                                                 (cur_node + next_len)->item =
1705                                                         (offset_data << OPTIMUM_OFFSET_SHIFT) | next_len;
1706                                         }
1707                                 } while (++next_len <= cache_ptr->length);
1708                         } while (++cache_ptr != end_matches);
1709                 }
1710
1711         done_matches:
1712
1713                 /* Consider coding a literal.
1714
1715                  * To avoid an extra branch, actually checking the preferability
1716                  * of coding the literal is integrated into the queue update
1717                  * code below.  */
1718                 literal = *in_next++;
1719                 cost = cur_node->cost + c->costs.main[literal];
1720
1721                 /* Advance to the next position.  */
1722                 cur_node++;
1723
1724                 /* The lowest-cost path to the current position is now known.
1725                  * Finalize the recent offsets queue that results from taking
1726                  * this lowest-cost path.  */
1727
1728                 if (cost <= cur_node->cost) {
1729                         /* Literal: queue remains unchanged.  */
1730                         cur_node->cost = cost;
1731                         cur_node->item = (u32)literal << OPTIMUM_OFFSET_SHIFT;
1732                         QUEUE(in_next) = QUEUE(in_next - 1);
1733                 } else {
1734                         /* Match: queue update is needed.  */
1735                         unsigned len = cur_node->item & OPTIMUM_LEN_MASK;
1736                         u32 offset_data = cur_node->item >> OPTIMUM_OFFSET_SHIFT;
1737                         if (offset_data >= LZX_NUM_RECENT_OFFSETS) {
1738                                 /* Explicit offset match: insert offset at front  */
1739                                 QUEUE(in_next) =
1740                                         lzx_lru_queue_push(QUEUE(in_next - len),
1741                                                            offset_data - LZX_OFFSET_ADJUSTMENT);
1742                         } else {
1743                                 /* Repeat offset match: swap offset to front  */
1744                                 QUEUE(in_next) =
1745                                         lzx_lru_queue_swap(QUEUE(in_next - len),
1746                                                            offset_data);
1747                         }
1748                 }
1749         } while (cur_node != end_node);
1750
1751         /* Return the match offset queue at the end of the minimum cost path. */
1752         return QUEUE(block_end);
1753 }
1754
1755 /* Given the costs for the main and length codewords, compute 'match_costs'.  */
1756 static void
1757 lzx_compute_match_costs(struct lzx_compressor *c)
1758 {
1759         unsigned num_offset_slots = (c->num_main_syms - LZX_NUM_CHARS) /
1760                                         LZX_NUM_LEN_HEADERS;
1761         struct lzx_costs *costs = &c->costs;
1762
1763         for (unsigned offset_slot = 0; offset_slot < num_offset_slots; offset_slot++) {
1764
1765                 u32 extra_cost = (u32)lzx_extra_offset_bits[offset_slot] * LZX_BIT_COST;
1766                 unsigned main_symbol = LZX_NUM_CHARS + (offset_slot *
1767                                                         LZX_NUM_LEN_HEADERS);
1768                 unsigned i;
1769
1770         #if LZX_CONSIDER_ALIGNED_COSTS
1771                 if (offset_slot >= 8)
1772                         extra_cost -= LZX_NUM_ALIGNED_OFFSET_BITS * LZX_BIT_COST;
1773         #endif
1774
1775                 for (i = 0; i < LZX_NUM_PRIMARY_LENS; i++)
1776                         costs->match_cost[offset_slot][i] =
1777                                 costs->main[main_symbol++] + extra_cost;
1778
1779                 extra_cost += costs->main[main_symbol];
1780
1781                 for (; i < LZX_NUM_LENS; i++)
1782                         costs->match_cost[offset_slot][i] =
1783                                 costs->len[i - LZX_NUM_PRIMARY_LENS] + extra_cost;
1784         }
1785 }
1786
1787 /* Set default LZX Huffman symbol costs to bootstrap the iterative optimization
1788  * algorithm.  */
1789 static void
1790 lzx_set_default_costs(struct lzx_compressor *c, const u8 *block, u32 block_size)
1791 {
1792         u32 i;
1793         bool have_byte[256];
1794         unsigned num_used_bytes;
1795
1796         /* The costs below are hard coded to use a scaling factor of 16.  */
1797         STATIC_ASSERT(LZX_BIT_COST == 16);
1798
1799         /*
1800          * Heuristics:
1801          *
1802          * - Use smaller initial costs for literal symbols when the input buffer
1803          *   contains fewer distinct bytes.
1804          *
1805          * - Assume that match symbols are more costly than literal symbols.
1806          *
1807          * - Assume that length symbols for shorter lengths are less costly than
1808          *   length symbols for longer lengths.
1809          */
1810
1811         for (i = 0; i < 256; i++)
1812                 have_byte[i] = false;
1813
1814         for (i = 0; i < block_size; i++)
1815                 have_byte[block[i]] = true;
1816
1817         num_used_bytes = 0;
1818         for (i = 0; i < 256; i++)
1819                 num_used_bytes += have_byte[i];
1820
1821         for (i = 0; i < 256; i++)
1822                 c->costs.main[i] = 140 - (256 - num_used_bytes) / 4;
1823
1824         for (; i < c->num_main_syms; i++)
1825                 c->costs.main[i] = 170;
1826
1827         for (i = 0; i < LZX_LENCODE_NUM_SYMBOLS; i++)
1828                 c->costs.len[i] = 103 + (i / 4);
1829
1830 #if LZX_CONSIDER_ALIGNED_COSTS
1831         for (i = 0; i < LZX_ALIGNEDCODE_NUM_SYMBOLS; i++)
1832                 c->costs.aligned[i] = LZX_NUM_ALIGNED_OFFSET_BITS * LZX_BIT_COST;
1833 #endif
1834
1835         lzx_compute_match_costs(c);
1836 }
1837
1838 /* Update the current cost model to reflect the computed Huffman codes.  */
1839 static void
1840 lzx_update_costs(struct lzx_compressor *c)
1841 {
1842         unsigned i;
1843         const struct lzx_lens *lens = &c->codes[c->codes_index].lens;
1844
1845         for (i = 0; i < c->num_main_syms; i++) {
1846                 c->costs.main[i] = (lens->main[i] ? lens->main[i] :
1847                                     MAIN_CODEWORD_LIMIT) * LZX_BIT_COST;
1848         }
1849
1850         for (i = 0; i < LZX_LENCODE_NUM_SYMBOLS; i++) {
1851                 c->costs.len[i] = (lens->len[i] ? lens->len[i] :
1852                                    LENGTH_CODEWORD_LIMIT) * LZX_BIT_COST;
1853         }
1854
1855 #if LZX_CONSIDER_ALIGNED_COSTS
1856         for (i = 0; i < LZX_ALIGNEDCODE_NUM_SYMBOLS; i++) {
1857                 c->costs.aligned[i] = (lens->aligned[i] ? lens->aligned[i] :
1858                                        ALIGNED_CODEWORD_LIMIT) * LZX_BIT_COST;
1859         }
1860 #endif
1861
1862         lzx_compute_match_costs(c);
1863 }
1864
1865 static inline struct lzx_lru_queue
1866 lzx_optimize_and_write_block(struct lzx_compressor * const restrict c,
1867                              struct lzx_output_bitstream * const restrict os,
1868                              const u8 * const restrict block_begin,
1869                              const u32 block_size,
1870                              const struct lzx_lru_queue initial_queue,
1871                              bool is_16_bit)
1872 {
1873         unsigned num_passes_remaining = c->num_optim_passes;
1874         struct lzx_lru_queue new_queue;
1875         u32 seq_idx;
1876
1877         /* The first optimization pass uses a default cost model.  Each
1878          * additional optimization pass uses a cost model derived from the
1879          * Huffman code computed in the previous pass.  */
1880
1881         lzx_set_default_costs(c, block_begin, block_size);
1882         lzx_reset_symbol_frequencies(c);
1883         do {
1884                 new_queue = lzx_find_min_cost_path(c, block_begin, block_size,
1885                                                    initial_queue, is_16_bit);
1886                 if (num_passes_remaining > 1) {
1887                         lzx_tally_item_list(c, block_size, is_16_bit);
1888                         lzx_make_huffman_codes(c);
1889                         lzx_update_costs(c);
1890                         lzx_reset_symbol_frequencies(c);
1891                 }
1892         } while (--num_passes_remaining);
1893
1894         seq_idx = lzx_record_item_list(c, block_size, is_16_bit);
1895         lzx_finish_block(c, os, block_begin, block_size, seq_idx);
1896         return new_queue;
1897 }
1898
1899 /*
1900  * This is the "near-optimal" LZX compressor.
1901  *
1902  * For each block, it performs a relatively thorough graph search to find an
1903  * inexpensive (in terms of compressed size) way to output that block.
1904  *
1905  * Note: there are actually many things this algorithm leaves on the table in
1906  * terms of compression ratio.  So although it may be "near-optimal", it is
1907  * certainly not "optimal".  The goal is not to produce the optimal compression
1908  * ratio, which for LZX is probably impossible within any practical amount of
1909  * time, but rather to produce a compression ratio significantly better than a
1910  * simpler "greedy" or "lazy" parse while still being relatively fast.
1911  */
1912 static inline void
1913 lzx_compress_near_optimal(struct lzx_compressor *c,
1914                           struct lzx_output_bitstream *os,
1915                           bool is_16_bit)
1916 {
1917         const u8 * const in_begin = c->in_buffer;
1918         const u8 *       in_next = in_begin;
1919         const u8 * const in_end  = in_begin + c->in_nbytes;
1920         u32 max_len = LZX_MAX_MATCH_LEN;
1921         u32 nice_len = min(c->nice_match_length, max_len);
1922         u32 next_hashes[2] = {};
1923         struct lzx_lru_queue queue;
1924
1925         CALL_BT_MF(is_16_bit, c, bt_matchfinder_init);
1926         lzx_lru_queue_init(&queue);
1927
1928         do {
1929                 /* Starting a new block  */
1930                 const u8 * const in_block_begin = in_next;
1931                 const u8 * const in_max_block_end =
1932                         in_next + min(SOFT_MAX_BLOCK_SIZE, in_end - in_next);
1933                 const u8 *next_observation = in_next;
1934
1935                 init_block_split_stats(&c->split_stats);
1936
1937                 /* Run the block through the matchfinder and cache the matches. */
1938                 struct lz_match *cache_ptr = c->match_cache;
1939                 do {
1940                         struct lz_match *lz_matchptr;
1941                         u32 best_len;
1942
1943                         /* If approaching the end of the input buffer, adjust
1944                          * 'max_len' and 'nice_len' accordingly.  */
1945                         if (unlikely(max_len > in_end - in_next)) {
1946                                 max_len = in_end - in_next;
1947                                 nice_len = min(max_len, nice_len);
1948                                 if (unlikely(max_len <
1949                                              BT_MATCHFINDER_REQUIRED_NBYTES))
1950                                 {
1951                                         in_next++;
1952                                         cache_ptr->length = 0;
1953                                         cache_ptr++;
1954                                         continue;
1955                                 }
1956                         }
1957
1958                         /* Check for matches.  */
1959                         lz_matchptr = CALL_BT_MF(is_16_bit, c,
1960                                                  bt_matchfinder_get_matches,
1961                                                  in_begin,
1962                                                  in_next - in_begin,
1963                                                  max_len,
1964                                                  nice_len,
1965                                                  c->max_search_depth,
1966                                                  next_hashes,
1967                                                  &best_len,
1968                                                  cache_ptr + 1);
1969
1970                         if (in_next >= next_observation) {
1971                                 best_len = 0;
1972                                 if (lz_matchptr > cache_ptr + 1)
1973                                         best_len = (lz_matchptr - 1)->length;
1974                                 if (best_len >= 2) {
1975                                         observe_match(&c->split_stats, best_len);
1976                                         next_observation = in_next + best_len;
1977                                 } else {
1978                                         observe_literal(&c->split_stats, *in_next);
1979                                         next_observation = in_next + 1;
1980                                 }
1981                         }
1982
1983                         in_next++;
1984                         cache_ptr->length = lz_matchptr - (cache_ptr + 1);
1985                         cache_ptr = lz_matchptr;
1986
1987                         /*
1988                          * If there was a very long match found, then don't
1989                          * cache any matches for the bytes covered by that
1990                          * match.  This avoids degenerate behavior when
1991                          * compressing highly redundant data, where the number
1992                          * of matches can be very large.
1993                          *
1994                          * This heuristic doesn't actually hurt the compression
1995                          * ratio very much.  If there's a long match, then the
1996                          * data must be highly compressible, so it doesn't
1997                          * matter as much what we do.
1998                          */
1999                         if (best_len >= nice_len) {
2000                                 --best_len;
2001                                 do {
2002                                         if (unlikely(max_len > in_end - in_next)) {
2003                                                 max_len = in_end - in_next;
2004                                                 nice_len = min(max_len, nice_len);
2005                                                 if (unlikely(max_len <
2006                                                              BT_MATCHFINDER_REQUIRED_NBYTES))
2007                                                 {
2008                                                         in_next++;
2009                                                         cache_ptr->length = 0;
2010                                                         cache_ptr++;
2011                                                         continue;
2012                                                 }
2013                                         }
2014                                         CALL_BT_MF(is_16_bit, c,
2015                                                    bt_matchfinder_skip_position,
2016                                                    in_begin,
2017                                                    in_next - in_begin,
2018                                                    max_len,
2019                                                    nice_len,
2020                                                    c->max_search_depth,
2021                                                    next_hashes);
2022                                         in_next++;
2023                                         cache_ptr->length = 0;
2024                                         cache_ptr++;
2025                                 } while (--best_len);
2026                         }
2027                 } while (in_next < in_max_block_end &&
2028                          likely(cache_ptr < &c->match_cache[LZX_CACHE_LENGTH]) &&
2029                          !should_end_block(&c->split_stats, in_block_begin, in_next, in_end));
2030
2031                 /* We've finished running the block through the matchfinder.
2032                  * Now choose a match/literal sequence and write the block.  */
2033
2034                 queue = lzx_optimize_and_write_block(c, os, in_block_begin,
2035                                                      in_next - in_block_begin,
2036                                                      queue, is_16_bit);
2037         } while (in_next != in_end);
2038 }
2039
2040 static void
2041 lzx_compress_near_optimal_16(struct lzx_compressor *c,
2042                              struct lzx_output_bitstream *os)
2043 {
2044         lzx_compress_near_optimal(c, os, true);
2045 }
2046
2047 static void
2048 lzx_compress_near_optimal_32(struct lzx_compressor *c,
2049                              struct lzx_output_bitstream *os)
2050 {
2051         lzx_compress_near_optimal(c, os, false);
2052 }
2053
2054 /*
2055  * Given a pointer to the current byte sequence and the current list of recent
2056  * match offsets, find the longest repeat offset match.
2057  *
2058  * If no match of at least 2 bytes is found, then return 0.
2059  *
2060  * If a match of at least 2 bytes is found, then return its length and set
2061  * *rep_max_idx_ret to the index of its offset in @queue.
2062 */
2063 static unsigned
2064 lzx_find_longest_repeat_offset_match(const u8 * const in_next,
2065                                      const u32 bytes_remaining,
2066                                      const u32 recent_offsets[LZX_NUM_RECENT_OFFSETS],
2067                                      unsigned *rep_max_idx_ret)
2068 {
2069         STATIC_ASSERT(LZX_NUM_RECENT_OFFSETS == 3);
2070
2071         const unsigned max_len = min(bytes_remaining, LZX_MAX_MATCH_LEN);
2072         const u16 next_2_bytes = load_u16_unaligned(in_next);
2073         const u8 *matchptr;
2074         unsigned rep_max_len;
2075         unsigned rep_max_idx;
2076         unsigned rep_len;
2077
2078         matchptr = in_next - recent_offsets[0];
2079         if (load_u16_unaligned(matchptr) == next_2_bytes)
2080                 rep_max_len = lz_extend(in_next, matchptr, 2, max_len);
2081         else
2082                 rep_max_len = 0;
2083         rep_max_idx = 0;
2084
2085         matchptr = in_next - recent_offsets[1];
2086         if (load_u16_unaligned(matchptr) == next_2_bytes) {
2087                 rep_len = lz_extend(in_next, matchptr, 2, max_len);
2088                 if (rep_len > rep_max_len) {
2089                         rep_max_len = rep_len;
2090                         rep_max_idx = 1;
2091                 }
2092         }
2093
2094         matchptr = in_next - recent_offsets[2];
2095         if (load_u16_unaligned(matchptr) == next_2_bytes) {
2096                 rep_len = lz_extend(in_next, matchptr, 2, max_len);
2097                 if (rep_len > rep_max_len) {
2098                         rep_max_len = rep_len;
2099                         rep_max_idx = 2;
2100                 }
2101         }
2102
2103         *rep_max_idx_ret = rep_max_idx;
2104         return rep_max_len;
2105 }
2106
2107 /* Fast heuristic scoring for lazy parsing: how "good" is this match?  */
2108 static inline unsigned
2109 lzx_explicit_offset_match_score(unsigned len, u32 adjusted_offset)
2110 {
2111         unsigned score = len;
2112
2113         if (adjusted_offset < 4096)
2114                 score++;
2115
2116         if (adjusted_offset < 256)
2117                 score++;
2118
2119         return score;
2120 }
2121
2122 static inline unsigned
2123 lzx_repeat_offset_match_score(unsigned rep_len, unsigned rep_idx)
2124 {
2125         return rep_len + 3;
2126 }
2127
2128 /* This is the "lazy" LZX compressor.  */
2129 static inline void
2130 lzx_compress_lazy(struct lzx_compressor *c, struct lzx_output_bitstream *os,
2131                   bool is_16_bit)
2132 {
2133         const u8 * const in_begin = c->in_buffer;
2134         const u8 *       in_next = in_begin;
2135         const u8 * const in_end  = in_begin + c->in_nbytes;
2136         unsigned max_len = LZX_MAX_MATCH_LEN;
2137         unsigned nice_len = min(c->nice_match_length, max_len);
2138         STATIC_ASSERT(LZX_NUM_RECENT_OFFSETS == 3);
2139         u32 recent_offsets[3] = {1, 1, 1};
2140         u32 next_hashes[2] = {};
2141
2142         CALL_HC_MF(is_16_bit, c, hc_matchfinder_init);
2143
2144         do {
2145                 /* Starting a new block  */
2146
2147                 const u8 * const in_block_begin = in_next;
2148                 const u8 * const in_max_block_end =
2149                         in_next + min(SOFT_MAX_BLOCK_SIZE, in_end - in_next);
2150                 struct lzx_sequence *next_seq = c->chosen_sequences;
2151                 unsigned cur_len;
2152                 u32 cur_offset;
2153                 u32 cur_offset_data;
2154                 unsigned cur_score;
2155                 unsigned next_len;
2156                 u32 next_offset;
2157                 u32 next_offset_data;
2158                 unsigned next_score;
2159                 unsigned rep_max_len;
2160                 unsigned rep_max_idx;
2161                 unsigned rep_score;
2162                 unsigned skip_len;
2163                 u32 litrunlen = 0;
2164
2165                 lzx_reset_symbol_frequencies(c);
2166                 init_block_split_stats(&c->split_stats);
2167
2168                 do {
2169                         if (unlikely(max_len > in_end - in_next)) {
2170                                 max_len = in_end - in_next;
2171                                 nice_len = min(max_len, nice_len);
2172                         }
2173
2174                         /* Find the longest match at the current position.  */
2175
2176                         cur_len = CALL_HC_MF(is_16_bit, c,
2177                                              hc_matchfinder_longest_match,
2178                                              in_begin,
2179                                              in_next - in_begin,
2180                                              2,
2181                                              max_len,
2182                                              nice_len,
2183                                              c->max_search_depth,
2184                                              next_hashes,
2185                                              &cur_offset);
2186                         if (cur_len < 3 ||
2187                             (cur_len == 3 &&
2188                              cur_offset >= 8192 - LZX_OFFSET_ADJUSTMENT &&
2189                              cur_offset != recent_offsets[0] &&
2190                              cur_offset != recent_offsets[1] &&
2191                              cur_offset != recent_offsets[2]))
2192                         {
2193                                 /* There was no match found, or the only match found
2194                                  * was a distant length 3 match.  Output a literal.  */
2195                                 lzx_record_literal(c, *in_next, &litrunlen);
2196                                 observe_literal(&c->split_stats, *in_next);
2197                                 in_next++;
2198                                 continue;
2199                         }
2200
2201                         observe_match(&c->split_stats, cur_len);
2202
2203                         if (cur_offset == recent_offsets[0]) {
2204                                 in_next++;
2205                                 cur_offset_data = 0;
2206                                 skip_len = cur_len - 1;
2207                                 goto choose_cur_match;
2208                         }
2209
2210                         cur_offset_data = cur_offset + LZX_OFFSET_ADJUSTMENT;
2211                         cur_score = lzx_explicit_offset_match_score(cur_len, cur_offset_data);
2212
2213                         /* Consider a repeat offset match  */
2214                         rep_max_len = lzx_find_longest_repeat_offset_match(in_next,
2215                                                                            in_end - in_next,
2216                                                                            recent_offsets,
2217                                                                            &rep_max_idx);
2218                         in_next++;
2219
2220                         if (rep_max_len >= 3 &&
2221                             (rep_score = lzx_repeat_offset_match_score(rep_max_len,
2222                                                                        rep_max_idx)) >= cur_score)
2223                         {
2224                                 cur_len = rep_max_len;
2225                                 cur_offset_data = rep_max_idx;
2226                                 skip_len = rep_max_len - 1;
2227                                 goto choose_cur_match;
2228                         }
2229
2230                 have_cur_match:
2231
2232                         /* We have a match at the current position.  */
2233
2234                         /* If we have a very long match, choose it immediately.  */
2235                         if (cur_len >= nice_len) {
2236                                 skip_len = cur_len - 1;
2237                                 goto choose_cur_match;
2238                         }
2239
2240                         /* See if there's a better match at the next position.  */
2241
2242                         if (unlikely(max_len > in_end - in_next)) {
2243                                 max_len = in_end - in_next;
2244                                 nice_len = min(max_len, nice_len);
2245                         }
2246
2247                         next_len = CALL_HC_MF(is_16_bit, c,
2248                                               hc_matchfinder_longest_match,
2249                                               in_begin,
2250                                               in_next - in_begin,
2251                                               cur_len - 2,
2252                                               max_len,
2253                                               nice_len,
2254                                               c->max_search_depth / 2,
2255                                               next_hashes,
2256                                               &next_offset);
2257
2258                         if (next_len <= cur_len - 2) {
2259                                 in_next++;
2260                                 skip_len = cur_len - 2;
2261                                 goto choose_cur_match;
2262                         }
2263
2264                         next_offset_data = next_offset + LZX_OFFSET_ADJUSTMENT;
2265                         next_score = lzx_explicit_offset_match_score(next_len, next_offset_data);
2266
2267                         rep_max_len = lzx_find_longest_repeat_offset_match(in_next,
2268                                                                            in_end - in_next,
2269                                                                            recent_offsets,
2270                                                                            &rep_max_idx);
2271                         in_next++;
2272
2273                         if (rep_max_len >= 3 &&
2274                             (rep_score = lzx_repeat_offset_match_score(rep_max_len,
2275                                                                        rep_max_idx)) >= next_score)
2276                         {
2277
2278                                 if (rep_score > cur_score) {
2279                                         /* The next match is better, and it's a
2280                                          * repeat offset match.  */
2281                                         lzx_record_literal(c, *(in_next - 2),
2282                                                            &litrunlen);
2283                                         cur_len = rep_max_len;
2284                                         cur_offset_data = rep_max_idx;
2285                                         skip_len = cur_len - 1;
2286                                         goto choose_cur_match;
2287                                 }
2288                         } else {
2289                                 if (next_score > cur_score) {
2290                                         /* The next match is better, and it's an
2291                                          * explicit offset match.  */
2292                                         lzx_record_literal(c, *(in_next - 2),
2293                                                            &litrunlen);
2294                                         cur_len = next_len;
2295                                         cur_offset_data = next_offset_data;
2296                                         cur_score = next_score;
2297                                         goto have_cur_match;
2298                                 }
2299                         }
2300
2301                         /* The original match was better.  */
2302                         skip_len = cur_len - 2;
2303
2304                 choose_cur_match:
2305                         lzx_record_match(c, cur_len, cur_offset_data,
2306                                          recent_offsets, is_16_bit,
2307                                          &litrunlen, &next_seq);
2308                         in_next = CALL_HC_MF(is_16_bit, c,
2309                                              hc_matchfinder_skip_positions,
2310                                              in_begin,
2311                                              in_next - in_begin,
2312                                              in_end - in_begin,
2313                                              skip_len,
2314                                              next_hashes);
2315                 } while (in_next < in_max_block_end &&
2316                          !should_end_block(&c->split_stats, in_block_begin, in_next, in_end));
2317
2318                 lzx_finish_sequence(next_seq, litrunlen);
2319
2320                 lzx_finish_block(c, os, in_block_begin, in_next - in_block_begin, 0);
2321
2322         } while (in_next != in_end);
2323 }
2324
2325 static void
2326 lzx_compress_lazy_16(struct lzx_compressor *c, struct lzx_output_bitstream *os)
2327 {
2328         lzx_compress_lazy(c, os, true);
2329 }
2330
2331 static void
2332 lzx_compress_lazy_32(struct lzx_compressor *c, struct lzx_output_bitstream *os)
2333 {
2334         lzx_compress_lazy(c, os, false);
2335 }
2336
2337 /* Generate the acceleration tables for offset slots.  */
2338 static void
2339 lzx_init_offset_slot_tabs(struct lzx_compressor *c)
2340 {
2341         u32 adjusted_offset = 0;
2342         unsigned slot = 0;
2343
2344         /* slots [0, 29]  */
2345         for (; adjusted_offset < ARRAY_LEN(c->offset_slot_tab_1);
2346              adjusted_offset++)
2347         {
2348                 if (adjusted_offset >= lzx_offset_slot_base[slot + 1])
2349                         slot++;
2350                 c->offset_slot_tab_1[adjusted_offset] = slot;
2351         }
2352
2353         /* slots [30, 49]  */
2354         for (; adjusted_offset < LZX_MAX_WINDOW_SIZE;
2355              adjusted_offset += (u32)1 << 14)
2356         {
2357                 if (adjusted_offset >= lzx_offset_slot_base[slot + 1])
2358                         slot++;
2359                 c->offset_slot_tab_2[adjusted_offset >> 14] = slot;
2360         }
2361 }
2362
2363 static size_t
2364 lzx_get_compressor_size(size_t max_bufsize, unsigned compression_level)
2365 {
2366         if (compression_level <= LZX_MAX_FAST_LEVEL) {
2367                 if (lzx_is_16_bit(max_bufsize))
2368                         return offsetof(struct lzx_compressor, hc_mf_16) +
2369                                hc_matchfinder_size_16(max_bufsize);
2370                 else
2371                         return offsetof(struct lzx_compressor, hc_mf_32) +
2372                                hc_matchfinder_size_32(max_bufsize);
2373         } else {
2374                 if (lzx_is_16_bit(max_bufsize))
2375                         return offsetof(struct lzx_compressor, bt_mf_16) +
2376                                bt_matchfinder_size_16(max_bufsize);
2377                 else
2378                         return offsetof(struct lzx_compressor, bt_mf_32) +
2379                                bt_matchfinder_size_32(max_bufsize);
2380         }
2381 }
2382
2383 static u64
2384 lzx_get_needed_memory(size_t max_bufsize, unsigned compression_level,
2385                       bool destructive)
2386 {
2387         u64 size = 0;
2388
2389         if (max_bufsize > LZX_MAX_WINDOW_SIZE)
2390                 return 0;
2391
2392         size += lzx_get_compressor_size(max_bufsize, compression_level);
2393         if (!destructive)
2394                 size += max_bufsize; /* in_buffer */
2395         return size;
2396 }
2397
2398 static int
2399 lzx_create_compressor(size_t max_bufsize, unsigned compression_level,
2400                       bool destructive, void **c_ret)
2401 {
2402         unsigned window_order;
2403         struct lzx_compressor *c;
2404
2405         window_order = lzx_get_window_order(max_bufsize);
2406         if (window_order == 0)
2407                 return WIMLIB_ERR_INVALID_PARAM;
2408
2409         c = MALLOC(lzx_get_compressor_size(max_bufsize, compression_level));
2410         if (!c)
2411                 goto oom0;
2412
2413         c->destructive = destructive;
2414
2415         c->num_main_syms = lzx_get_num_main_syms(window_order);
2416         c->window_order = window_order;
2417
2418         if (!c->destructive) {
2419                 c->in_buffer = MALLOC(max_bufsize);
2420                 if (!c->in_buffer)
2421                         goto oom1;
2422         }
2423
2424         if (compression_level <= LZX_MAX_FAST_LEVEL) {
2425
2426                 /* Fast compression: Use lazy parsing.  */
2427
2428                 if (lzx_is_16_bit(max_bufsize))
2429                         c->impl = lzx_compress_lazy_16;
2430                 else
2431                         c->impl = lzx_compress_lazy_32;
2432                 c->max_search_depth = (60 * compression_level) / 20;
2433                 c->nice_match_length = (80 * compression_level) / 20;
2434
2435                 /* lzx_compress_lazy() needs max_search_depth >= 2 because it
2436                  * halves the max_search_depth when attempting a lazy match, and
2437                  * max_search_depth cannot be 0.  */
2438                 if (c->max_search_depth < 2)
2439                         c->max_search_depth = 2;
2440         } else {
2441
2442                 /* Normal / high compression: Use near-optimal parsing.  */
2443
2444                 if (lzx_is_16_bit(max_bufsize))
2445                         c->impl = lzx_compress_near_optimal_16;
2446                 else
2447                         c->impl = lzx_compress_near_optimal_32;
2448
2449                 /* Scale nice_match_length and max_search_depth with the
2450                  * compression level.  */
2451                 c->max_search_depth = (24 * compression_level) / 50;
2452                 c->nice_match_length = (48 * compression_level) / 50;
2453
2454                 /* Set a number of optimization passes appropriate for the
2455                  * compression level.  */
2456
2457                 c->num_optim_passes = 1;
2458
2459                 if (compression_level >= 45)
2460                         c->num_optim_passes++;
2461
2462                 /* Use more optimization passes for higher compression levels.
2463                  * But the more passes there are, the less they help --- so
2464                  * don't add them linearly.  */
2465                 if (compression_level >= 70) {
2466                         c->num_optim_passes++;
2467                         if (compression_level >= 100)
2468                                 c->num_optim_passes++;
2469                         if (compression_level >= 150)
2470                                 c->num_optim_passes++;
2471                         if (compression_level >= 200)
2472                                 c->num_optim_passes++;
2473                         if (compression_level >= 300)
2474                                 c->num_optim_passes++;
2475                 }
2476         }
2477
2478         /* max_search_depth == 0 is invalid.  */
2479         if (c->max_search_depth < 1)
2480                 c->max_search_depth = 1;
2481
2482         if (c->nice_match_length > LZX_MAX_MATCH_LEN)
2483                 c->nice_match_length = LZX_MAX_MATCH_LEN;
2484
2485         lzx_init_offset_slot_tabs(c);
2486         *c_ret = c;
2487         return 0;
2488
2489 oom1:
2490         FREE(c);
2491 oom0:
2492         return WIMLIB_ERR_NOMEM;
2493 }
2494
2495 static size_t
2496 lzx_compress(const void *restrict in, size_t in_nbytes,
2497              void *restrict out, size_t out_nbytes_avail, void *restrict _c)
2498 {
2499         struct lzx_compressor *c = _c;
2500         struct lzx_output_bitstream os;
2501         size_t result;
2502
2503         /* Don't bother trying to compress very small inputs.  */
2504         if (in_nbytes < 100)
2505                 return 0;
2506
2507         /* Copy the input data into the internal buffer and preprocess it.  */
2508         if (c->destructive)
2509                 c->in_buffer = (void *)in;
2510         else
2511                 memcpy(c->in_buffer, in, in_nbytes);
2512         c->in_nbytes = in_nbytes;
2513         lzx_preprocess(c->in_buffer, in_nbytes);
2514
2515         /* Initially, the previous Huffman codeword lengths are all zeroes.  */
2516         c->codes_index = 0;
2517         memset(&c->codes[1].lens, 0, sizeof(struct lzx_lens));
2518
2519         /* Initialize the output bitstream.  */
2520         lzx_init_output(&os, out, out_nbytes_avail);
2521
2522         /* Call the compression level-specific compress() function.  */
2523         (*c->impl)(c, &os);
2524
2525         /* Flush the output bitstream and return the compressed size or 0.  */
2526         result = lzx_flush_output(&os);
2527         if (!result && c->destructive)
2528                 lzx_postprocess(c->in_buffer, c->in_nbytes);
2529         return result;
2530 }
2531
2532 static void
2533 lzx_free_compressor(void *_c)
2534 {
2535         struct lzx_compressor *c = _c;
2536
2537         if (!c->destructive)
2538                 FREE(c->in_buffer);
2539         FREE(c);
2540 }
2541
2542 const struct compressor_ops lzx_compressor_ops = {
2543         .get_needed_memory  = lzx_get_needed_memory,
2544         .create_compressor  = lzx_create_compressor,
2545         .compress           = lzx_compress,
2546         .free_compressor    = lzx_free_compressor,
2547 };