]> wimlib.net Git - wimlib/blobdiff - src/comp.c
pre-resolve streams (IN PROGRESS)
[wimlib] / src / comp.c
index 206a2b85a007951e7003d98e5cb282b4212be5a3..2db66022d4a33432e58810754887cc5d2044e02c 100644 (file)
@@ -1,27 +1,31 @@
 /*
  * comp.c
  *
- * Functions too long to declare as inline in comp.h.
- *
+ * Functions used for compression.
+ */
+
+/*
  * Copyright (C) 2012 Eric Biggers
  *
- * wimlib - Library for working with WIM files 
+ * This file is part of wimlib, a library for working with WIM files.
  *
- * This library is free software; you can redistribute it and/or modify it under
- * the terms of the GNU Lesser General Public License as published by the Free
- * Software Foundation; either version 2.1 of the License, or (at your option) any
- * later version.
+ * wimlib is free software; you can redistribute it and/or modify it under the
+ * terms of the GNU Lesser General Public License as published by the Free
+ * Software Foundation; either version 2.1 of the License, or (at your option)
+ * any later version.
  *
- * This library 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 GNU Lesser General Public License for more details.
+ * wimlib 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 GNU Lesser General Public License for more
+ * details.
  *
- * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public License along
- * with this library; if not, write to the Free Software Foundation, Inc., 59
- * Temple Place, Suite 330, Boston, MA 02111-1307 USA 
+ * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public License
+ * along with wimlib; if not, see http://www.gnu.org/licenses/.
  */
 
 #include "comp.h"
+#include <stdlib.h>
+#include <string.h>
 
 static inline void flush_bits(struct output_bitstream *ostream)
 {
@@ -93,3 +97,347 @@ void init_output_bitstream(struct output_bitstream *ostream, void *data,
        ostream->output              = (u8*)data + 4;
        ostream->num_bytes_remaining = num_bytes - 4;
 }
+
+/* Intermediate (non-leaf) node in a Huffman tree. */
+typedef struct HuffmanNode {
+       u32 freq;
+       u16 sym;
+       union {
+               u16 path_len;
+               u16 height;
+       };
+       struct HuffmanNode *left_child;
+       struct HuffmanNode *right_child;
+} HuffmanNode;
+
+/* Leaf node in a Huffman tree.  The fields are in the same order as the
+ * HuffmanNode, so it can be cast to a HuffmanNode.  There are no pointers to
+ * the children in the leaf node. */
+typedef struct {
+       u32 freq;
+       u16 sym;
+       union {
+               u16 path_len;
+               u16 height;
+       };
+} HuffmanLeafNode;
+
+/* Comparator function for HuffmanLeafNodes.  Sorts primarily by symbol
+ * frequency and secondarily by symbol value. */
+static int cmp_leaves_by_freq(const void *__leaf1, const void *__leaf2)
+{
+       const HuffmanLeafNode *leaf1 = __leaf1;
+       const HuffmanLeafNode *leaf2 = __leaf2;
+
+       int freq_diff = (int)leaf1->freq - (int)leaf2->freq;
+
+       if (freq_diff == 0)
+               return (int)leaf1->sym - (int)leaf2->sym;
+       else
+               return freq_diff;
+}
+
+/* Comparator function for HuffmanLeafNodes.  Sorts primarily by code length and
+ * secondarily by symbol value. */
+static int cmp_leaves_by_code_len(const void *__leaf1, const void *__leaf2)
+{
+       const HuffmanLeafNode *leaf1 = __leaf1;
+       const HuffmanLeafNode *leaf2 = __leaf2;
+
+       int code_len_diff = (int)leaf1->path_len - (int)leaf2->path_len;
+
+       if (code_len_diff == 0)
+               return (int)leaf1->sym - (int)leaf2->sym;
+       else
+               return code_len_diff;
+}
+
+/* Recursive function to calculate the depth of the leaves in a Huffman tree.
+ * */
+static void huffman_tree_compute_path_lengths(HuffmanNode *node, u16 cur_len)
+{
+       if (node->sym == (u16)(-1)) {
+               /* Intermediate node. */
+               huffman_tree_compute_path_lengths(node->left_child, cur_len + 1);
+               huffman_tree_compute_path_lengths(node->right_child, cur_len + 1);
+       } else {
+               /* Leaf node. */
+               node->path_len = cur_len;
+       }
+}
+
+/* Creates a canonical Huffman code from an array of symbol frequencies. 
+ *
+ * The algorithm used is similar to the well-known algorithm that builds a
+ * Huffman tree using a minheap.  In that algorithm, the leaf nodes are
+ * initialized and inserted into the minheap with the frequency as the key.
+ * Repeatedly, the top two nodes (nodes with the lowest frequency) are taken out
+ * of the heap and made the children of a new node that has a frequency equal to
+ * the sum of the two frequencies of its children.  This new node is inserted
+ * into the heap.  When all the nodes have been removed from the heap, what
+ * remains is the Huffman tree. The Huffman code for a symbol is given by the
+ * path to it in the tree, where each left pointer is mapped to a 0 bit and each
+ * right pointer is mapped to a 1 bit.
+ *
+ * The algorithm used here uses an optimization that removes the need to
+ * actually use a heap.  The leaf nodes are first sorted by frequency, as
+ * opposed to being made into a heap.  Note that this sorting step takes O(n log
+ * n) time vs.  O(n) time for heapifying the array, where n is the number of
+ * symbols.  However, the heapless method is probably faster overall, due to the
+ * time saved later.  In the heapless method, whenever an intermediate node is
+ * created, it is not inserted into the sorted array.  Instead, the intermediate
+ * nodes are kept in a separate array, which is easily kept sorted because every
+ * time an intermediate node is initialized, it will have a frequency at least
+ * as high as that of the previous intermediate node that was initialized.  So
+ * whenever we want the 2 nodes, leaf or intermediate, that have the lowest
+ * frequency, we check the low-frequency ends of both arrays, which is an O(1)
+ * operation.
+ *
+ * The function builds a canonical Huffman code, not just any Huffman code.  A
+ * Huffman code is canonical if the codeword for each symbol numerically
+ * precedes the codeword for all other symbols of the same length that are
+ * numbered higher than the symbol, and additionally, all shorter codewords,
+ * 0-extended, numerically precede longer codewords.  A canonical Huffman code
+ * is useful because it can be reconstructed by only knowing the path lengths in
+ * the tree.  See the make_huffman_decode_table() function to see how to
+ * reconstruct a canonical Huffman code from only the lengths of the codes.
+ *
+ * @num_syms:  The number of symbols in the alphabet.
+ *
+ * @max_codeword_len:  The maximum allowed length of a codeword in the code.
+ *                     Note that if the code being created runs up against
+ *                     this restriction, the code ultimately created will be
+ *                     suboptimal, although there are some advantages for
+ *                     limiting the length of the codewords.
+ *
+ * @freq_tab:  An array of length @num_syms that contains the frequencies
+ *                     of each symbol in the uncompressed data.
+ *
+ * @lens:         An array of length @num_syms into which the lengths of the
+ *                     codewords for each symbol will be written.
+ *
+ * @codewords:    An array of @num_syms short integers into which the
+ *                     codewords for each symbol will be written.  The first 
+ *                     lens[i] bits of codewords[i] will contain the codeword 
+ *                     for symbol i.
+ */
+void make_canonical_huffman_code(uint num_syms, uint max_codeword_len, 
+                                const u32 freq_tab[], u8 lens[], 
+                                u16 codewords[])
+{
+       /* We require at least 2 possible symbols in the alphabet to produce a
+        * valid Huffman decoding table. It is allowed that fewer than 2 symbols
+        * are actually used, though. */
+       wimlib_assert(num_syms >= 2);
+
+       /* Initialize the lengths and codewords to 0 */
+       memset(lens, 0, num_syms * sizeof(lens[0]));
+       memset(codewords, 0, num_syms * sizeof(codewords[0]));
+
+       /* Calculate how many symbols have non-zero frequency.  These are the
+        * symbols that actually appeared in the input. */
+       uint num_used_symbols = 0;
+       for (uint i = 0; i < num_syms; i++)
+               if (freq_tab[i] != 0)
+                       num_used_symbols++;
+
+
+       /* It is impossible to make a code for num_used_symbols symbols if there
+        * aren't enough code bits to uniquely represent all of them. */
+       wimlib_assert((1 << max_codeword_len) > num_used_symbols);
+
+       /* Initialize the array of leaf nodes with the symbols and their
+        * frequencies. */
+       HuffmanLeafNode leaves[num_used_symbols];
+       uint leaf_idx = 0;
+       for (uint i = 0; i < num_syms; i++) {
+               if (freq_tab[i] != 0) {
+                       leaves[leaf_idx].freq = freq_tab[i];
+                       leaves[leaf_idx].sym  = i;
+                       leaves[leaf_idx].height = 0;
+                       leaf_idx++;
+               }
+       }
+
+       /* Deal with the special cases where num_used_symbols < 2. */
+       if (num_used_symbols < 2) {
+               if (num_used_symbols == 0) {
+                       /* If num_used_symbols is 0, there are no symbols in the
+                        * input, so it must be empty.  This should be an error,
+                        * but the LZX format expects this case to succeed.  All
+                        * the codeword lengths are simply marked as 0 (which
+                        * was already done.) */
+               } else {
+                       /* If only one symbol is present, the LZX format
+                        * requires that the Huffman code include two codewords.
+                        * One is not used.  Note that this doesn't make the
+                        * encoded data take up more room anyway, since binary
+                        * data itself has 2 symbols. */
+
+                       uint sym = leaves[0].sym;
+
+                       codewords[0] = 0;
+                       lens[0]      = 1;
+                       if (sym == 0) {
+                               /* dummy symbol is 1, real symbol is 0 */
+                               codewords[1] = 1;
+                               lens[1]      = 1;
+                       } else {
+                               /* dummy symbol is 0, real symbol is sym */
+                               codewords[sym] = 1;
+                               lens[sym]      = 1;
+                       }
+               }
+               return;
+       }
+
+       /* Otherwise, there are at least 2 symbols in the input, so we need to
+        * find a real Huffman code. */
+
+
+       /* Declare the array of intermediate nodes.  An intermediate node is not
+        * associated with a symbol. Instead, it represents some binary code
+        * prefix that is shared between at least 2 codewords.  There can be at
+        * most num_used_symbols - 1 intermediate nodes when creating a Huffman
+        * code.  This is because if there were at least num_used_symbols nodes,
+        * the code would be suboptimal because there would be at least one
+        * unnecessary intermediate node.  
+        *
+        * The worst case (greatest number of intermediate nodes) would be if
+        * all the intermediate nodes were chained together.  This results in
+        * num_used_symbols - 1 intermediate nodes.  If num_used_symbols is at
+        * least 17, this configuration would not be allowed because the LZX
+        * format constrains codes to 16 bits or less each.  However, it is
+        * still possible for there to be more than 16 intermediate nodes, as
+        * long as no leaf has a depth of more than 16.  */
+       HuffmanNode inodes[num_used_symbols - 1];
+
+
+       /* Pointer to the leaf node of lowest frequency that hasn't already been
+        * added as the child of some intermediate note. */
+       HuffmanLeafNode *cur_leaf = &leaves[0];
+
+       /* Pointer past the end of the array of leaves. */
+       HuffmanLeafNode *end_leaf = &leaves[num_used_symbols];
+
+       /* Pointer to the intermediate node of lowest frequency. */
+       HuffmanNode     *cur_inode = &inodes[0];
+
+       /* Pointer to the next unallocated intermediate node. */
+       HuffmanNode     *next_inode = &inodes[0];
+
+       /* Only jump back to here if the maximum length of the codewords allowed
+        * by the LZX format (16 bits) is exceeded. */
+try_building_tree_again:
+
+       /* Sort the leaves from those that correspond to the least frequent
+        * symbol, to those that correspond to the most frequent symbol.  If two
+        * leaves have the same frequency, they are sorted by symbol. */
+       qsort(leaves, num_used_symbols, sizeof(leaves[0]), cmp_leaves_by_freq);
+
+       cur_leaf   = &leaves[0];
+       cur_inode  = &inodes[0];
+       next_inode = &inodes[0];
+
+       /* The following loop takes the two lowest frequency nodes of those
+        * remaining and makes them the children of the next available
+        * intermediate node.  It continues until all the leaf nodes and
+        * intermediate nodes have been used up, or the maximum allowed length
+        * for the codewords is exceeded.  For the latter case, we must adjust
+        * the frequencies to be more equal and then execute this loop again. */
+       while (1) {
+
+               /* Lowest frequency node. */
+               HuffmanNode *f1 = NULL; 
+
+               /* Second lowest frequency node. */
+               HuffmanNode *f2 = NULL;
+
+               /* Get the lowest and second lowest frequency nodes from
+                * the remaining leaves or from the intermediate nodes.
+                * */
+
+               if (cur_leaf != end_leaf && (cur_inode == next_inode || 
+                                       cur_leaf->freq <= cur_inode->freq)) {
+                       f1 = (HuffmanNode*)cur_leaf++;
+               } else if (cur_inode != next_inode) {
+                       f1 = cur_inode++;
+               }
+
+               if (cur_leaf != end_leaf && (cur_inode == next_inode || 
+                                       cur_leaf->freq <= cur_inode->freq)) {
+                       f2 = (HuffmanNode*)cur_leaf++;
+               } else if (cur_inode != next_inode) {
+                       f2 = cur_inode++;
+               }
+
+               /* All nodes used up! */
+               if (f1 == NULL || f2 == NULL)
+                       break;
+
+               /* next_inode becomes the parent of f1 and f2. */
+
+               next_inode->freq   = f1->freq + f2->freq;
+               next_inode->sym    = (u16)(-1); /* Invalid symbol. */
+               next_inode->left_child   = f1;
+               next_inode->right_child  = f2;
+
+               /* We need to keep track of the height so that we can detect if
+                * the length of a codeword has execeed max_codeword_len.   The
+                * parent node has a height one higher than the maximum height
+                * of its children. */
+               next_inode->height = max(f1->height, f2->height) + 1;
+
+               /* Check to see if the code length of the leaf farthest away
+                * from next_inode has exceeded the maximum code length. */
+               if (next_inode->height > max_codeword_len) {
+                       /* The code lengths can be made more uniform by making
+                        * the frequencies more uniform.  Divide all the
+                        * frequencies by 2, leaving 1 as the minimum frequency.
+                        * If this keeps happening, the symbol frequencies will
+                        * approach equality, which makes their Huffman
+                        * codewords approach the length
+                        * log_2(num_used_symbols).
+                        * */
+                       for (uint i = 0; i < num_used_symbols; i++)
+                               if (leaves[i].freq > 1)
+                                       leaves[i].freq >>= 1;
+                       goto try_building_tree_again;
+               } 
+               next_inode++;
+       }
+
+       /* The Huffman tree is now complete, and its height is no more than
+        * max_codeword_len.  */
+
+       HuffmanNode *root = next_inode - 1;
+       wimlib_assert(root->height <= max_codeword_len);
+
+       /* Compute the path lengths for the leaf nodes. */
+       huffman_tree_compute_path_lengths(root, 0);
+
+       /* Sort the leaf nodes primarily by code length and secondarily by
+        * symbol.  */
+       qsort(leaves, num_used_symbols, sizeof(leaves[0]), cmp_leaves_by_code_len);
+
+       u16 cur_codeword = 0;
+       uint cur_codeword_len = 0;
+       for (uint i = 0; i < num_used_symbols; i++) {
+
+               /* Each time a codeword becomes one longer, the current codeword
+                * is left shifted by one place.  This is part of the procedure
+                * for enumerating the canonical Huffman code.  Additionally,
+                * whenever a codeword is used, 1 is added to the current
+                * codeword.  */
+
+               uint len_diff = leaves[i].path_len - cur_codeword_len;
+               cur_codeword <<= len_diff;
+               cur_codeword_len += len_diff;
+
+               u16 sym = leaves[i].sym;
+               codewords[sym] = cur_codeword;
+               lens[sym] = cur_codeword_len;
+
+               cur_codeword++;
+       }
+}