]> wimlib.net Git - wimlib/blobdiff - include/wimlib/hc_matchfinder.h
Rename 'pos_t' to 'mf_pos_t'
[wimlib] / include / wimlib / hc_matchfinder.h
index dd1cfab9dcde44df3005913e95d636db8411a3c5..e1da62b5ca1a388566419f98030705971e9e31d3 100644 (file)
  *
  * This is a Hash Chains (hc) based matchfinder.
  *
- * The data structure is a hash table where each hash bucket contains a linked
- * list (or "chain") of sequences whose first 3 bytes share the same hash code.
- * Each sequence is identified by its starting position in the input buffer.
+ * The main data structure is a hash table where each hash bucket contains a
+ * linked list (or "chain") of sequences whose first 4 bytes share the same hash
+ * code.  Each sequence is identified by its starting position in the input
+ * buffer.
  *
  * The algorithm processes the input buffer sequentially.  At each byte
- * position, the hash code of the first 3 bytes of the sequence beginning at
+ * position, the hash code of the first 4 bytes of the sequence beginning at
  * that position (the sequence being matched against) is computed.  This
  * identifies the hash bucket to use for that position.  Then, this hash
  * bucket's linked list is searched for matches.  Then, a new linked list node
  *
  *                             Notes on usage
  *
- * You must define MATCHFINDER_MAX_WINDOW_ORDER before including this header
- * because that determines which integer type to use for positions.  Since
- * 16-bit integers are faster than 32-bit integers due to reduced memory usage
- * (and therefore reduced cache pressure), the code only uses 32-bit integers if
- * they are needed to represent all possible positions.
+ * Before including this header, you must define 'mf_pos_t' to an integer type
+ * that can represent all possible positions.  This can be a 16-bit or 32-bit
+ * unsigned integer.  When possible, the former should be used due to the
+ * reduced cache pressure.  This header can be included multiple times in a
+ * single .c file with different 'mf_pos_t' definitions; however, you must
+ * define a different MF_SUFFIX each time to generate different names for the
+ * matchfinder structure and functions.
  *
- * You must allocate the 'struct hc_matchfinder' on a
- * MATCHFINDER_ALIGNMENT-aligned boundary, and its necessary allocation size
- * must be gotten by calling hc_matchfinder_size().
+ * The number of bytes that must be allocated for a given 'struct
+ * hc_matchfinder' must be gotten by calling hc_matchfinder_size().
  *
  * ----------------------------------------------------------------------------
  *
  *                              Optimizations
  *
+ * The main hash table and chains handle length 4+ matches.  Length 3 matches
+ * are handled by a separate hash table with no chains.  This works well for
+ * typical "greedy" or "lazy"-style compressors, where length 3 matches are
+ * often only helpful if they have small offsets.  Instead of searching a full
+ * chain for length 3+ matches, the algorithm just checks for one close length 3
+ * match, then focuses on finding length 4+ matches.
+ *
  * The longest_match() and skip_positions() functions are inlined into the
  * compressors that use them.  This isn't just about saving the overhead of a
  * function call.  These functions are intended to be called from the inner
  * ----------------------------------------------------------------------------
  */
 
-#ifndef _HC_MATCHFINDER_H
-#define _HC_MATCHFINDER_H
+#include <string.h>
 
 #include "wimlib/lz_extend.h"
 #include "wimlib/lz_hash.h"
-#include "wimlib/matchfinder_common.h"
 #include "wimlib/unaligned.h"
 
-#if MATCHFINDER_MAX_WINDOW_ORDER < 14
-#  define HC_MATCHFINDER_HASH_ORDER 14
-#else
-#  define HC_MATCHFINDER_HASH_ORDER 15
-#endif
+#define HC_MATCHFINDER_HASH3_ORDER     14
+#define HC_MATCHFINDER_HASH4_ORDER     15
+
+/* TEMPLATED functions and structures have MF_SUFFIX appended to their name.  */
+#undef TEMPLATED
+#define TEMPLATED(name)                CONCAT(name, MF_SUFFIX)
+
+struct TEMPLATED(hc_matchfinder) {
+
+       /* The hash table for finding length 3 matches  */
+       mf_pos_t hash3_tab[1UL << HC_MATCHFINDER_HASH3_ORDER];
 
-#define HC_MATCHFINDER_HASH_LENGTH     (1UL << HC_MATCHFINDER_HASH_ORDER)
+       /* The hash table which contains the first nodes of the linked lists for
+        * finding length 4+ matches  */
+       mf_pos_t hash4_tab[1UL << HC_MATCHFINDER_HASH4_ORDER];
 
-struct hc_matchfinder {
-       pos_t hash_tab[HC_MATCHFINDER_HASH_LENGTH];
-       pos_t next_tab[];
-} _aligned_attribute(MATCHFINDER_ALIGNMENT);
+       /* The "next node" references for the linked lists.  The "next node" of
+        * the node for the sequence with position 'pos' is 'next_tab[pos]'.  */
+       mf_pos_t next_tab[];
+};
 
 /* Return the number of bytes that must be allocated for a 'hc_matchfinder' that
  * can work with buffers up to the specified size.  */
 static inline size_t
-hc_matchfinder_size(size_t max_bufsize)
+TEMPLATED(hc_matchfinder_size)(size_t max_bufsize)
 {
-       return sizeof(pos_t) * (HC_MATCHFINDER_HASH_LENGTH + max_bufsize);
+       return sizeof(struct TEMPLATED(hc_matchfinder)) +
+               (max_bufsize * sizeof(mf_pos_t));
 }
 
 /* Prepare the matchfinder for a new input buffer.  */
 static inline void
-hc_matchfinder_init(struct hc_matchfinder *mf)
+TEMPLATED(hc_matchfinder_init)(struct TEMPLATED(hc_matchfinder) *mf)
 {
-       matchfinder_init(mf->hash_tab, HC_MATCHFINDER_HASH_LENGTH);
+       memset(mf, 0, sizeof(*mf));
 }
 
 /*
@@ -136,9 +152,9 @@ hc_matchfinder_init(struct hc_matchfinder *mf)
  *     The matchfinder structure.
  * @in_begin
  *     Pointer to the beginning of the input buffer.
- * @in_next
- *     Pointer to the next byte in the input buffer to process.  This is the
- *     pointer to the sequence being matched against.
+ * @cur_pos
+ *     The current position in the input buffer (the position of the sequence
+ *     being matched against).
  * @best_len
  *     Require a match longer than this length.
  * @max_len
@@ -148,78 +164,124 @@ hc_matchfinder_init(struct hc_matchfinder *mf)
  *     Must be <= @max_len.
  * @max_search_depth
  *     Limit on the number of potential matches to consider.  Must be >= 1.
+ * @next_hashes
+ *     The precomputed hash codes for the sequence beginning at @in_next.
+ *     These will be used and then updated with the precomputed hashcodes for
+ *     the sequence beginning at @in_next + 1.
  * @offset_ret
  *     If a match is found, its offset is returned in this location.
  *
  * Return the length of the match found, or 'best_len' if no match longer than
  * 'best_len' was found.
  */
-static inline unsigned
-hc_matchfinder_longest_match(struct hc_matchfinder * const restrict mf,
-                            const u8 * const in_begin,
-                            const u8 * const in_next,
-                            unsigned best_len,
-                            const unsigned max_len,
-                            const unsigned nice_len,
-                            const unsigned max_search_depth,
-                            unsigned *offset_ret)
+static inline u32
+TEMPLATED(hc_matchfinder_longest_match)(struct TEMPLATED(hc_matchfinder) * const restrict mf,
+                                       const u8 * const restrict in_begin,
+                                       const ptrdiff_t cur_pos,
+                                       u32 best_len,
+                                       const u32 max_len,
+                                       const u32 nice_len,
+                                       const u32 max_search_depth,
+                                       u32 next_hashes[const restrict static 2],
+                                       u32 * const restrict offset_ret)
 {
-       unsigned depth_remaining = max_search_depth;
+       const u8 *in_next = in_begin + cur_pos;
+       u32 depth_remaining = max_search_depth;
        const u8 *best_matchptr = best_matchptr; /* uninitialized */
+       mf_pos_t cur_node3, cur_node4;
+       u32 hash3, hash4;
+       u32 next_seq3, next_seq4;
+       u32 seq4;
        const u8 *matchptr;
-       unsigned len;
-       u32 first_3_bytes;
-       u32 hash;
-       pos_t cur_node;
+       u32 len;
 
-       /* Insert the current sequence into the appropriate linked list.  */
-       if (unlikely(max_len < LOAD_U24_REQUIRED_NBYTES))
+       if (unlikely(max_len < 5)) /* can we read 4 bytes from 'in_next + 1'? */
                goto out;
-       first_3_bytes = load_u24_unaligned(in_next);
-       hash = lz_hash(first_3_bytes, HC_MATCHFINDER_HASH_ORDER);
-       cur_node = mf->hash_tab[hash];
-       mf->next_tab[in_next - in_begin] = cur_node;
-       mf->hash_tab[hash] = in_next - in_begin;
 
-       if (unlikely(best_len >= max_len))
-               goto out;
+       /* Get the precomputed hash codes.  */
+       hash3 = next_hashes[0];
+       hash4 = next_hashes[1];
 
-       /* Search the appropriate linked list for matches.  */
+       /* From the hash buckets, get the first node of each linked list.  */
+       cur_node3 = mf->hash3_tab[hash3];
+       cur_node4 = mf->hash4_tab[hash4];
 
-       if (!(matchfinder_node_valid(cur_node)))
-               goto out;
+       /* Update for length 3 matches.  This replaces the singleton node in the
+        * 'hash3' bucket with the node for the current sequence.  */
+       mf->hash3_tab[hash3] = cur_pos;
+
+       /* Update for length 4 matches.  This prepends the node for the current
+        * sequence to the linked list in the 'hash4' bucket.  */
+       mf->hash4_tab[hash4] = cur_pos;
+       mf->next_tab[cur_pos] = cur_node4;
+
+       /* Compute the next hash codes.  */
+       next_seq4 = load_u32_unaligned(in_next + 1);
+       next_seq3 = loaded_u32_to_u24(next_seq4);
+       next_hashes[0] = lz_hash(next_seq3, HC_MATCHFINDER_HASH3_ORDER);
+       next_hashes[1] = lz_hash(next_seq4, HC_MATCHFINDER_HASH4_ORDER);
+       prefetchw(&mf->hash3_tab[next_hashes[0]]);
+       prefetchw(&mf->hash4_tab[next_hashes[1]]);
+
+       if (best_len < 4) {  /* No match of length >= 4 found yet?  */
+
+               /* Check for a length 3 match if needed.  */
+
+               if (!cur_node3)
+                       goto out;
+
+               seq4 = load_u32_unaligned(in_next);
+
+               if (best_len < 3) {
+                       matchptr = &in_begin[cur_node3];
+                       if (load_u24_unaligned(matchptr) == loaded_u32_to_u24(seq4)) {
+                               best_len = 3;
+                               best_matchptr = matchptr;
+                       }
+               }
+
+               /* Check for a length 4 match.  */
+
+               if (!cur_node4)
+                       goto out;
 
-       if (best_len < 3) {
                for (;;) {
-                       /* No length 3 match found yet.
-                        * Check the first 3 bytes.  */
-                       matchptr = &in_begin[cur_node];
+                       /* No length 4 match found yet.  Check the first 4 bytes.  */
+                       matchptr = &in_begin[cur_node4];
 
-                       if (load_u24_unaligned(matchptr) == first_3_bytes)
+                       if (load_u32_unaligned(matchptr) == seq4)
                                break;
 
-                       /* The first 3 bytes did not match.  Keep trying.  */
-                       cur_node = mf->next_tab[cur_node];
-                       if (!matchfinder_node_valid(cur_node) || !--depth_remaining)
+                       /* The first 4 bytes did not match.  Keep trying.  */
+                       cur_node4 = mf->next_tab[cur_node4];
+                       if (!cur_node4 || !--depth_remaining)
                                goto out;
                }
 
-               /* Found a match of length >= 3.  Extend it to its full length.  */
+               /* Found a match of length >= 4.  Extend it to its full length.  */
                best_matchptr = matchptr;
-               best_len = lz_extend(in_next, best_matchptr, 3, max_len);
+               best_len = lz_extend(in_next, best_matchptr, 4, max_len);
                if (best_len >= nice_len)
                        goto out;
-               cur_node = mf->next_tab[cur_node];
-               if (!matchfinder_node_valid(cur_node) || !--depth_remaining)
+               cur_node4 = mf->next_tab[cur_node4];
+               if (!cur_node4 || !--depth_remaining)
+                       goto out;
+       } else {
+               if (!cur_node4 || best_len >= nice_len)
                        goto out;
        }
 
+       /* Check for matches of length >= 5.  */
+
        for (;;) {
                for (;;) {
-                       matchptr = &in_begin[cur_node];
+                       matchptr = &in_begin[cur_node4];
 
-                       /* Already found a length 3 match.  Try for a longer match;
-                        * start by checking the last 2 bytes and the first 4 bytes.  */
+                       /* Already found a length 4 match.  Try for a longer
+                        * match; start by checking either the last 4 bytes and
+                        * the first 4 bytes, or the last byte.  (The last byte,
+                        * the one which would extend the match length by 1, is
+                        * the most important.)  */
                #if UNALIGNED_ACCESS_IS_FAST
                        if ((load_u32_unaligned(matchptr + best_len - 3) ==
                             load_u32_unaligned(in_next + best_len - 3)) &&
@@ -230,8 +292,9 @@ hc_matchfinder_longest_match(struct hc_matchfinder * const restrict mf,
                #endif
                                break;
 
-                       cur_node = mf->next_tab[cur_node];
-                       if (!matchfinder_node_valid(cur_node) || !--depth_remaining)
+                       /* Continue to the next node in the list.  */
+                       cur_node4 = mf->next_tab[cur_node4];
+                       if (!cur_node4 || !--depth_remaining)
                                goto out;
                }
 
@@ -242,13 +305,16 @@ hc_matchfinder_longest_match(struct hc_matchfinder * const restrict mf,
        #endif
                len = lz_extend(in_next, matchptr, len, max_len);
                if (len > best_len) {
+                       /* This is the new longest match.  */
                        best_len = len;
                        best_matchptr = matchptr;
                        if (best_len >= nice_len)
                                goto out;
                }
-               cur_node = mf->next_tab[cur_node];
-               if (!matchfinder_node_valid(cur_node) || !--depth_remaining)
+
+               /* Continue to the next node in the list.  */
+               cur_node4 = mf->next_tab[cur_node4];
+               if (!cur_node4 || !--depth_remaining)
                        goto out;
        }
 out:
@@ -263,31 +329,54 @@ out:
  *     The matchfinder structure.
  * @in_begin
  *     Pointer to the beginning of the input buffer.
- * @in_next
- *     Pointer to the next byte in the input buffer to process.
- * @in_end
- *     Pointer to the end of the input buffer.
+ * @cur_pos
+ *     The current position in the input buffer (the position of the sequence
+ *     being matched against).
+ * @end_pos
+ *     The length of the input buffer.
+ * @next_hashes
+ *     The precomputed hash codes for the sequence beginning at @in_next.
+ *     These will be used and then updated with the precomputed hashcodes for
+ *     the sequence beginning at @in_next + @count.
  * @count
  *     The number of bytes to advance.  Must be > 0.
+ *
+ * Returns @in_next + @count.
  */
-static inline void
-hc_matchfinder_skip_positions(struct hc_matchfinder * restrict mf,
-                             const u8 *in_begin,
-                             const u8 *in_next,
-                             const u8 *in_end,
-                             unsigned count)
+static inline const u8 *
+TEMPLATED(hc_matchfinder_skip_positions)(struct TEMPLATED(hc_matchfinder) * const restrict mf,
+                                        const u8 * const restrict in_begin,
+                                        const ptrdiff_t cur_pos,
+                                        const ptrdiff_t end_pos,
+                                        const u32 count,
+                                        u32 next_hashes[const restrict static 2])
 {
-       u32 hash;
+       const u8 *in_next = in_begin + cur_pos;
+       const u8 * const stop_ptr = in_next + count;
 
-       if (unlikely(in_next + count >= in_end - LZ_HASH3_REQUIRED_NBYTES))
-               return;
+       if (likely(count + 5 <= end_pos - cur_pos)) {
+               u32 hash3, hash4;
+               u32 next_seq3, next_seq4;
 
-       do {
-               hash = lz_hash_3_bytes(in_next, HC_MATCHFINDER_HASH_ORDER);
-               mf->next_tab[in_next - in_begin] = mf->hash_tab[hash];
-               mf->hash_tab[hash] = in_next - in_begin;
-               in_next++;
-       } while (--count);
-}
+               hash3 = next_hashes[0];
+               hash4 = next_hashes[1];
+               do {
+                       mf->hash3_tab[hash3] = in_next - in_begin;
+                       mf->next_tab[in_next - in_begin] = mf->hash4_tab[hash4];
+                       mf->hash4_tab[hash4] = in_next - in_begin;
+
+                       next_seq4 = load_u32_unaligned(++in_next);
+                       next_seq3 = loaded_u32_to_u24(next_seq4);
+                       hash3 = lz_hash(next_seq3, HC_MATCHFINDER_HASH3_ORDER);
+                       hash4 = lz_hash(next_seq4, HC_MATCHFINDER_HASH4_ORDER);
+
+               } while (in_next != stop_ptr);
 
-#endif /* _HC_MATCHFINDER_H */
+               prefetchw(&mf->hash3_tab[hash3]);
+               prefetchw(&mf->hash4_tab[hash4]);
+               next_hashes[0] = hash3;
+               next_hashes[1] = hash4;
+       }
+
+       return stop_ptr;
+}