]> wimlib.net Git - wimlib/blobdiff - include/wimlib/decompress_common.h
decompress_common: switch to subtables for Huffman decoding
[wimlib] / include / wimlib / decompress_common.h
index 54241b36592495106ff7d2efc5970e3d84b52c20..d396120763d917582ff29a30b9cd1ebd2e731a4c 100644 (file)
@@ -3,8 +3,21 @@
  *
  * Header for decompression code shared by multiple compression formats.
  *
- * The author dedicates this file to the public domain.
- * You can do whatever you want with this file.
+ * The following copying information applies to this specific source code file:
+ *
+ * Written in 2012-2016 by Eric Biggers <ebiggers3@gmail.com>
+ *
+ * To the extent possible under law, the author(s) have dedicated all copyright
+ * and related and neighboring rights to this software to the public domain
+ * worldwide via the Creative Commons Zero 1.0 Universal Public Domain
+ * Dedication (the "CC0").
+ *
+ * This software is distributed in the hope that it will be useful, but WITHOUT
+ * ANY WARRANTY; without even the implied warranty of MERCHANTABILITY or FITNESS
+ * FOR A PARTICULAR PURPOSE. See the CC0 for more details.
+ *
+ * You should have received a copy of the CC0 along with this software; if not
+ * see <http://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0/>.
  */
 
 #ifndef _WIMLIB_DECOMPRESS_COMMON_H
 #include "wimlib/types.h"
 #include "wimlib/unaligned.h"
 
+/******************************************************************************/
+/*                   Input bitstream for XPRESS and LZX                       */
+/*----------------------------------------------------------------------------*/
+
 /* Structure that encapsulates a block of in-memory data being interpreted as a
  * stream of bits, optionally with interwoven literal bytes.  Bits are assumed
  * to be stored in little endian 16-bit coding units, with the bits ordered high
@@ -160,16 +177,15 @@ bitstream_read_u32(struct input_bitstream *is)
 }
 
 /* Read into @dst_buffer an array of literal bytes embedded in the bitstream.
- * Return either a pointer to the byte past the last written, or NULL if the
- * read overflows the input buffer.  */
-static inline void *
+ * Return 0 if there were enough bytes remaining in the input, otherwise -1. */
+static inline int
 bitstream_read_bytes(struct input_bitstream *is, void *dst_buffer, size_t count)
 {
        if (unlikely(is->end - is->next < count))
-               return NULL;
+               return -1;
        memcpy(dst_buffer, is->next, count);
        is->next += count;
-       return (u8 *)dst_buffer + count;
+       return 0;
 }
 
 /* Align the input bitstream on a coding-unit boundary.  */
@@ -180,76 +196,217 @@ bitstream_align(struct input_bitstream *is)
        is->bitbuf = 0;
 }
 
-/* Needed alignment of decode_table parameter to make_huffman_decode_table().
- *
- * Reason: We may fill the entries with SSE instructions without worrying
- * about dealing with the unaligned case.  */
+/******************************************************************************/
+/*                             Huffman decoding                               */
+/*----------------------------------------------------------------------------*/
+
+/*
+ * Required alignment for the Huffman decode tables.  We require this alignment
+ * so that we can fill the entries with vector or word instructions and not have
+ * to deal with misaligned buffers.
+ */
 #define DECODE_TABLE_ALIGNMENT 16
 
-/* Maximum supported symbol count for make_huffman_decode_table().
+/*
+ * Each decode table entry is 16 bits divided into two fields: 'symbol' (high 12
+ * bits) and 'length' (low 4 bits).  The precise meaning of these fields depends
+ * on the type of entry:
  *
- * Reason: In direct mapping entries, we store the symbol in 11 bits.  */
-#define DECODE_TABLE_MAX_SYMBOLS 2048
-
-/* Maximum supported table bits for make_huffman_decode_table().
+ * Root table entries which are *not* subtable pointers:
+ *     symbol: symbol to decode
+ *     length: codeword length in bits
+ *
+ * Root table entries which are subtable pointers:
+ *     symbol: index of start of subtable
+ *     length: number of bits with which the subtable is indexed
  *
- * Reason: In internal binary tree nodes, offsets are encoded in 14 bits.
- * But the real limit is 13, because we allocate entries past the end of
- * the direct lookup part of the table for binary tree nodes.  (Note: if
- * needed this limit could be removed by encoding the offsets relative to
- * &decode_table[1 << table_bits].)  */
-#define DECODE_TABLE_MAX_TABLE_BITS 13
-
-/* Maximum supported codeword length for make_huffman_decode_table().
+ * Subtable entries:
+ *     symbol: symbol to decode
+ *     length: codeword length in bits, minus the number of bits with which the
+ *             root table is indexed
+ */
+#define DECODE_TABLE_SYMBOL_SHIFT  4
+#define DECODE_TABLE_MAX_SYMBOL           ((1 << (16 - DECODE_TABLE_SYMBOL_SHIFT)) - 1)
+#define DECODE_TABLE_MAX_LENGTH    ((1 << DECODE_TABLE_SYMBOL_SHIFT) - 1)
+#define DECODE_TABLE_LENGTH_MASK   DECODE_TABLE_MAX_LENGTH
+#define MAKE_DECODE_TABLE_ENTRY(symbol, length) \
+       (((symbol) << DECODE_TABLE_SYMBOL_SHIFT) | (length))
+
+/*
+ * Read and return the next Huffman-encoded symbol from the given bitstream
+ * using the given decode table.
  *
- * Reason: In direct mapping entries, we encode the codeword length in 5
- * bits, and the top 2 bits can't both be set because that has special
- * meaning.  */
-#define DECODE_TABLE_MAX_CODEWORD_LEN 23
-
-/* Reads and returns the next Huffman-encoded symbol from a bitstream.  If the
- * input data is exhausted, the Huffman symbol is decoded as if the missing bits
- * are all zeroes.
+ * If the input data is exhausted, then the Huffman symbol will be decoded as if
+ * the missing bits were all zeroes.
  *
  * XXX: This is mostly duplicated in lzms_decode_huffman_symbol() in
- * lzms_decompress.c.  */
+ * lzms_decompress.c; keep them in sync!
+ */
 static inline unsigned
-read_huffsym(struct input_bitstream *istream, const u16 decode_table[],
+read_huffsym(struct input_bitstream *is, const u16 decode_table[],
             unsigned table_bits, unsigned max_codeword_len)
 {
        unsigned entry;
-       unsigned key_bits;
-
-       bitstream_ensure_bits(istream, max_codeword_len);
-
-       /* Index the decode table by the next table_bits bits of the input.  */
-       key_bits = bitstream_peek_bits(istream, table_bits);
-       entry = decode_table[key_bits];
-       if (likely(entry < 0xC000)) {
-               /* Fast case: The decode table directly provided the
-                * symbol and codeword length.  The low 11 bits are the
-                * symbol, and the high 5 bits are the codeword length.  */
-               bitstream_remove_bits(istream, entry >> 11);
-               return entry & 0x7FF;
-       } else {
-               /* Slow case: The codeword for the symbol is longer than
-                * table_bits, so the symbol does not have an entry
-                * directly in the first (1 << table_bits) entries of the
-                * decode table.  Traverse the appropriate binary tree
-                * bit-by-bit to decode the symbol.  */
-               bitstream_remove_bits(istream, table_bits);
-               do {
-                       key_bits = (entry & 0x3FFF) + bitstream_pop_bits(istream, 1);
-               } while ((entry = decode_table[key_bits]) >= 0xC000);
-               return entry;
+       unsigned symbol;
+       unsigned length;
+
+       /* Preload the bitbuffer with 'max_codeword_len' bits so that we're
+        * guaranteed to be able to fully decode a codeword. */
+       bitstream_ensure_bits(is, max_codeword_len);
+
+       /* Index the root table by the next 'table_bits' bits of input. */
+       entry = decode_table[bitstream_peek_bits(is, table_bits)];
+
+       /* Extract the "symbol" and "length" from the entry. */
+       symbol = entry >> DECODE_TABLE_SYMBOL_SHIFT;
+       length = entry & DECODE_TABLE_LENGTH_MASK;
+
+       /* If the root table is indexed by the full 'max_codeword_len' bits,
+        * then there cannot be any subtables, and this will be known at compile
+        * time.  Otherwise, we must check whether the decoded symbol is really
+        * a subtable pointer.  If so, we must discard the bits with which the
+        * root table was indexed, then index the subtable by the next 'length'
+        * bits of input to get the real entry. */
+       if (max_codeword_len > table_bits &&
+           entry >= (1U << (table_bits + DECODE_TABLE_SYMBOL_SHIFT)))
+       {
+               /* Subtable required */
+               bitstream_remove_bits(is, table_bits);
+               entry = decode_table[symbol + bitstream_peek_bits(is, length)];
+               symbol = entry >> DECODE_TABLE_SYMBOL_SHIFT;
+               length = entry & DECODE_TABLE_LENGTH_MASK;
        }
+
+       /* Discard the bits (or the remaining bits, if a subtable was required)
+        * of the codeword. */
+       bitstream_remove_bits(is, length);
+
+       /* Return the decoded symbol. */
+       return symbol;
 }
 
+/*
+ * The DECODE_TABLE_ENOUGH() macro evaluates to the maximum number of decode
+ * table entries, including all subtable entries, that may be required for
+ * decoding a given Huffman code.  This depends on three parameters:
+ *
+ *     num_syms: the maximum number of symbols in the code
+ *     table_bits: the number of bits with which the root table will be indexed
+ *     max_codeword_len: the maximum allowed codeword length in the code
+ *
+ * Given these parameters, the utility program 'enough' from zlib, when passed
+ * the three arguments 'num_syms', 'table_bits', and 'max_codeword_len', will
+ * compute the maximum number of entries required.  This has already been done
+ * for the combinations we need and incorporated into the macro below so that
+ * the mapping can be done at compilation time.  If an unknown combination is
+ * used, then a compilation error will result.  To fix this, use 'enough' to
+ * find the missing value and add it below.  If that still doesn't fix the
+ * compilation error, then most likely a constraint would be violated by the
+ * requested parameters, so they cannot be used, at least without other changes
+ * to the decode table --- see DECODE_TABLE_SIZE().
+ */
+#define DECODE_TABLE_ENOUGH(num_syms, table_bits, max_codeword_len) ( \
+       ((num_syms) == 8 && (table_bits) == 7 && (max_codeword_len) == 15) ? 128 : \
+       ((num_syms) == 8 && (table_bits) == 5 && (max_codeword_len) == 7) ? 36 : \
+       ((num_syms) == 8 && (table_bits) == 6 && (max_codeword_len) == 7) ? 66 : \
+       ((num_syms) == 8 && (table_bits) == 7 && (max_codeword_len) == 7) ? 128 : \
+       ((num_syms) == 20 && (table_bits) == 5 && (max_codeword_len) == 15) ? 1062 : \
+       ((num_syms) == 20 && (table_bits) == 6 && (max_codeword_len) == 15) ? 582 : \
+       ((num_syms) == 20 && (table_bits) == 7 && (max_codeword_len) == 15) ? 390 : \
+       ((num_syms) == 54 && (table_bits) == 9 && (max_codeword_len) == 15) ? 618 : \
+       ((num_syms) == 54 && (table_bits) == 10 && (max_codeword_len) == 15) ? 1098 : \
+       ((num_syms) == 249 && (table_bits) == 9 && (max_codeword_len) == 16) ? 878 : \
+       ((num_syms) == 249 && (table_bits) == 10 && (max_codeword_len) == 16) ? 1326 : \
+       ((num_syms) == 249 && (table_bits) == 11 && (max_codeword_len) == 16) ? 2318 : \
+       ((num_syms) == 256 && (table_bits) == 9 && (max_codeword_len) == 15) ? 822 : \
+       ((num_syms) == 256 && (table_bits) == 10 && (max_codeword_len) == 15) ? 1302 : \
+       ((num_syms) == 256 && (table_bits) == 11 && (max_codeword_len) == 15) ? 2310 : \
+       ((num_syms) == 512 && (table_bits) == 10 && (max_codeword_len) == 15) ? 1558 : \
+       ((num_syms) == 512 && (table_bits) == 11 && (max_codeword_len) == 15) ? 2566 : \
+       ((num_syms) == 512 && (table_bits) == 12 && (max_codeword_len) == 15) ? 4606 : \
+       ((num_syms) == 656 && (table_bits) == 10 && (max_codeword_len) == 16) ? 1734 : \
+       ((num_syms) == 656 && (table_bits) == 11 && (max_codeword_len) == 16) ? 2726 : \
+       ((num_syms) == 656 && (table_bits) == 12 && (max_codeword_len) == 16) ? 4758 : \
+       ((num_syms) == 799 && (table_bits) == 9 && (max_codeword_len) == 15) ? 1366 : \
+       ((num_syms) == 799 && (table_bits) == 10 && (max_codeword_len) == 15) ? 1846 : \
+       ((num_syms) == 799 && (table_bits) == 11 && (max_codeword_len) == 15) ? 2854 : \
+       -1)
+
+/* Wrapper around DECODE_TABLE_ENOUGH() that does additional compile-time
+ * validation. */
+#define DECODE_TABLE_SIZE(num_syms, table_bits, max_codeword_len) (    \
+                                                                       \
+       /* All values must be positive. */                              \
+       STATIC_ASSERT_ZERO((num_syms) > 0) +                            \
+       STATIC_ASSERT_ZERO((table_bits) > 0) +                          \
+       STATIC_ASSERT_ZERO((max_codeword_len) > 0) +                    \
+                                                                       \
+       /* There cannot be more symbols than possible codewords. */     \
+       STATIC_ASSERT_ZERO((num_syms) <= 1U << (max_codeword_len)) +    \
+                                                                       \
+       /* There is no reason for the root table to be indexed with
+        * more bits than the maximum codeword length. */               \
+       STATIC_ASSERT_ZERO((table_bits) <= (max_codeword_len)) +        \
+                                                                       \
+       /* The maximum symbol value must fit in the 'symbol' field. */  \
+       STATIC_ASSERT_ZERO((num_syms) - 1 <= DECODE_TABLE_MAX_SYMBOL) + \
+                                                                       \
+       /* The maximum codeword length in the root table must fit in
+        * the 'length' field. */                                       \
+       STATIC_ASSERT_ZERO((table_bits) <= DECODE_TABLE_MAX_LENGTH) +   \
+                                                                       \
+       /* The maximum codeword length in a subtable must fit in the
+        * 'length' field. */                                           \
+       STATIC_ASSERT_ZERO((max_codeword_len) - (table_bits) <=         \
+                          DECODE_TABLE_MAX_LENGTH) +                   \
+                                                                       \
+       /* The minimum subtable index must be greater than the maximum
+        * symbol value.  If this were not the case, then there would
+        * be no way to tell whether a given root table entry is a
+        * "subtable pointer" or not.  (An alternate solution would be
+        * to reserve a flag bit specifically for this purpose.) */     \
+       STATIC_ASSERT_ZERO((1U << table_bits) > (num_syms) - 1) +       \
+                                                                       \
+       /* The needed 'enough' value must have been defined. */         \
+       STATIC_ASSERT_ZERO(DECODE_TABLE_ENOUGH(                         \
+                               (num_syms), (table_bits),               \
+                               (max_codeword_len)) > 0) +              \
+                                                                       \
+       /* The maximum subtable index must fit in the 'symbol' field. */\
+       STATIC_ASSERT_ZERO(DECODE_TABLE_ENOUGH(                         \
+                               (num_syms), (table_bits),               \
+                               (max_codeword_len)) - 1 <=              \
+                                       DECODE_TABLE_MAX_SYMBOL) +      \
+                                                                       \
+       /* Finally, make the macro evaluate to the needed maximum
+        * number of decode table entries. */                           \
+       DECODE_TABLE_ENOUGH((num_syms), (table_bits),                   \
+                           (max_codeword_len))                         \
+)
+
+/*
+ * Declare the decode table for a Huffman code, given several compile-time
+ * constants that describe the code.  See DECODE_TABLE_ENOUGH() for details.
+ *
+ * Decode tables must be aligned to a DECODE_TABLE_ALIGNMENT-byte boundary.
+ * This implies that if a decode table is nested inside a dynamically allocated
+ * structure, then the outer structure must be allocated on a
+ * DECODE_TABLE_ALIGNMENT-byte aligned boundary as well.
+ */
+#define DECODE_TABLE(name, num_syms, table_bits, max_codeword_len) \
+       u16 name[DECODE_TABLE_SIZE((num_syms), (table_bits), \
+                                  (max_codeword_len))] \
+               _aligned_attribute(DECODE_TABLE_ALIGNMENT)
+
 extern int
 make_huffman_decode_table(u16 decode_table[], unsigned num_syms,
-                         unsigned num_bits, const u8 lens[],
+                         unsigned table_bits, const u8 lens[],
                          unsigned max_codeword_len);
 
+/******************************************************************************/
+/*                             LZ match copying                               */
+/*----------------------------------------------------------------------------*/
+
 static inline void
 copy_word_unaligned(const void *src, void *dst)
 {
@@ -257,19 +414,22 @@ copy_word_unaligned(const void *src, void *dst)
 }
 
 static inline machine_word_t
-repeat_byte(u8 b)
+repeat_u16(u16 b)
 {
-       machine_word_t v;
-
-       STATIC_ASSERT(WORDSIZE == 4 || WORDSIZE == 8);
+       machine_word_t v = b;
 
-       v = b;
-       v |= v << 8;
+       STATIC_ASSERT(WORDBITS == 32 || WORDBITS == 64);
        v |= v << 16;
-       v |= v << ((WORDSIZE == 8) ? 32 : 0);
+       v |= v << ((WORDBITS == 64) ? 32 : 0);
        return v;
 }
 
+static inline machine_word_t
+repeat_byte(u8 b)
+{
+       return repeat_u16(((u16)b << 8) | b);
+}
+
 /*
  * Copy an LZ77 match at (dst - offset) to dst.
  *
@@ -297,13 +457,11 @@ lz_copy(u8 *dst, u32 length, u32 offset, const u8 *winend, u32 min_length)
         * example, if a word is 8 bytes and the match is of length 5, then
         * we'll simply copy 8 bytes.  This is okay as long as we don't write
         * beyond the end of the output buffer, hence the check for (winend -
-        * end >= WORDSIZE - 1).
+        * end >= WORDBYTES - 1).
         */
-       if (UNALIGNED_ACCESS_IS_FAST &&
-           likely(winend - end >= WORDSIZE - 1))
-       {
+       if (UNALIGNED_ACCESS_IS_FAST && likely(winend - end >= WORDBYTES - 1)) {
 
-               if (offset >= WORDSIZE) {
+               if (offset >= WORDBYTES) {
                        /* The source and destination words don't overlap.  */
 
                        /* To improve branch prediction, one iteration of this
@@ -313,14 +471,14 @@ lz_copy(u8 *dst, u32 length, u32 offset, const u8 *winend, u32 min_length)
                         * and we'll need to continue copying.  */
 
                        copy_word_unaligned(src, dst);
-                       src += WORDSIZE;
-                       dst += WORDSIZE;
+                       src += WORDBYTES;
+                       dst += WORDBYTES;
 
                        if (dst < end) {
                                do {
                                        copy_word_unaligned(src, dst);
-                                       src += WORDSIZE;
-                                       dst += WORDSIZE;
+                                       src += WORDBYTES;
+                                       dst += WORDBYTES;
                                } while (dst < end);
                        }
                        return;
@@ -333,19 +491,19 @@ lz_copy(u8 *dst, u32 length, u32 offset, const u8 *winend, u32 min_length)
                        machine_word_t v = repeat_byte(*(dst - 1));
                        do {
                                store_word_unaligned(v, dst);
-                               src += WORDSIZE;
-                               dst += WORDSIZE;
+                               src += WORDBYTES;
+                               dst += WORDBYTES;
                        } while (dst < end);
                        return;
                }
                /*
                 * We don't bother with special cases for other 'offset <
-                * WORDSIZE', which are usually rarer than 'offset == 1'.  Extra
-                * checks will just slow things down.  Actually, it's possible
-                * to handle all the 'offset < WORDSIZE' cases using the same
-                * code, but it still becomes more complicated doesn't seem any
-                * faster overall; it definitely slows down the more common
-                * 'offset == 1' case.
+                * WORDBYTES', which are usually rarer than 'offset == 1'.
+                * Extra checks will just slow things down.  Actually, it's
+                * possible to handle all the 'offset < WORDBYTES' cases using
+                * the same code, but it still becomes more complicated doesn't
+                * seem any faster overall; it definitely slows down the more
+                * common 'offset == 1' case.
                 */
        }