]> wimlib.net Git - wimlib/blobdiff - src/decomp.c
Get rid of huffman.c and huffman.h
[wimlib] / src / decomp.c
index 55ea362597cb5c135b7f8c3913a8ab0a5d384786..20f11030ee1562ae9fdeb80014949ef7be2f2069 100644 (file)
@@ -94,3 +94,342 @@ int align_input_bitstream(struct input_bitstream *stream,
        }
        return 0;
 }
+
+/* 
+ * Builds a fast huffman decoding table from a canonical huffman code lengths
+ * table.  Based on code written by David Tritscher.
+ *
+ * @decode_table:      The array in which to create the fast huffman decoding
+ *                             table.  It must have a length of at least
+ *                             (2**num_bits) + 2 * num_syms to guarantee
+ *                             that there is enough space.
+ *
+ * @num_syms:  Total number of symbols in the Huffman tree.
+ *
+ * @num_bits:  Any symbols with a code length of num_bits or less can be
+ *                     decoded in one lookup of the table.  2**num_bits
+ *                     must be greater than or equal to @num_syms if there are 
+ *                     any Huffman codes longer than @num_bits.
+ *
+ * @lens:      An array of length @num_syms, indexable by symbol, that
+ *                     gives the length of that symbol.  Because the Huffman
+ *                     tree is in canonical form, it can be reconstructed by
+ *                     only knowing the length of the code for each symbol.
+ *
+ * @make_codeword_len: An integer that gives the longest possible codeword
+ *                     length.
+ *
+ * Returns 0 on success; returns 1 if the length values do not correspond to a
+ * valid Huffman tree, or if there are codes of length greater than @num_bits
+ * but 2**num_bits < num_syms.
+ *
+ * What exactly is the format of the fast Huffman decoding table?  The first 
+ * (1 << num_bits) entries of the table are indexed by chunks of the input of
+ * size @num_bits.  If the next Huffman code in the input happens to have a
+ * length of exactly @num_bits, the symbol is simply read directly from the
+ * decoding table.  Alternatively, if the next Huffman code has length _less
+ * than_ @num_bits, the symbol is also read directly from the decode table; this
+ * is possible because every entry in the table that is indexed by an integer
+ * that has the shorter code as a binary prefix is filled in with the
+ * appropriate symbol.  If a code has length n <= num_bits, it will have
+ * 2**(num_bits - n) possible suffixes, and thus that many entries in the
+ * decoding table.
+ *
+ * It's a bit more complicated if the next Huffman code has length of more than
+ * @num_bits.  The table entry indexed by the first @num_bits of that code
+ * cannot give the appropriate symbol directly, because that entry is guaranteed
+ * to be referenced by the Huffman codes for multiple symbols.  And while the
+ * LZX compression format does not allow codes longer than 16 bits, a table of
+ * size (2 ** 16) = 65536 entries would be too slow to create.
+ *
+ * There are several different ways to make it possible to look up the symbols
+ * for codes longer than @num_bits.  A common way is to make the entries for the
+ * prefixes of length @num_bits of those entries be pointers to additional
+ * decoding tables that are indexed by some number of additional bits of the
+ * code symbol.  The technique used here is a bit simpler, however.  We just
+ * store the needed subtrees of the Huffman tree in the decoding table after the
+ * lookup entries, beginning at index (2**num_bits).  Real pointers are
+ * replaced by indices into the decoding table, and we distinguish symbol
+ * entries from pointers by the fact that values less than @num_syms must be
+ * symbol values.
+ */
+int make_huffman_decode_table(u16 decode_table[],  uint num_syms, 
+                             uint num_bits, const u8 lens[], 
+                             uint max_code_len)
+{
+       /* Number of entries in the decode table. */
+       u32 table_num_entries = 1 << num_bits;
+
+       /* Current position in the decode table. */
+       u32 decode_table_pos = 0;
+
+       /* Fill entries for codes short enough for a direct mapping.  Here we
+        * are taking advantage of the ordering of the codes, since they are for
+        * a canonical Huffman tree.  It must be the case that all the codes of
+        * some length @code_length, zero-extended or one-extended, numerically
+        * precede all the codes of length @code_length + 1.  Furthermore, if we
+        * have 2 symbols A and B, such that A is listed before B in the lens
+        * array, and both symbols have the same code length, then we know that
+        * the code for A numerically precedes the code for B.
+        * */
+       for (uint code_len = 1; code_len <= num_bits; code_len++) {
+
+               /* Number of entries that a code of length @code_length would
+                * need.  */
+               u32 code_num_entries = 1 << (num_bits - code_len);
+
+
+               /* For each symbol of length @code_len, fill in its entries in
+                * the decode table. */
+               for (uint sym = 0; sym < num_syms; sym++) {
+
+                       if (lens[sym] != code_len)
+                               continue;
+
+
+                       /* Check for table overrun.  This can only happen if the
+                        * given lengths do not correspond to a valid Huffman
+                        * tree.  */
+                       if (decode_table_pos >= table_num_entries) {
+                               ERROR("Huffman decoding table overrun: "
+                                               "pos = %u, num_entries = %u\n",
+                                               decode_table_pos, 
+                                               table_num_entries);
+                               return 1;
+                       }
+
+                       /* Fill all possible lookups of this symbol with
+                        * the symbol itself. */
+                       for (uint i = 0; i < code_num_entries; i++)
+                               decode_table[decode_table_pos + i] = sym;
+
+                       /* Increment the position in the decode table by
+                        * the number of entries that were just filled
+                        * in. */
+                       decode_table_pos += code_num_entries;
+               }
+       }
+
+       /* If all entries of the decode table have been filled in, there are no
+        * codes longer than num_bits, so we are done filling in the decode
+        * table. */
+       if (decode_table_pos == table_num_entries)
+               return 0;
+
+       /* Otherwise, fill in the remaining entries, which correspond to codes longer
+        * than @num_bits. */
+
+
+       /* First, zero out the rest of the entries; this is necessary so
+        * that the entries appear as "unallocated" in the next part.  */
+       for (uint i = decode_table_pos; i < table_num_entries; i++)
+               decode_table[i] = 0;
+
+       /* Assert that 2**num_bits is at least num_syms.  If this wasn't the
+        * case, we wouldn't be able to distinguish pointer entries from symbol
+        * entries. */
+       wimlib_assert((1 << num_bits) >= num_syms);
+
+
+       /* The current Huffman code.  */
+       uint current_code = decode_table_pos;
+
+       /* The tree nodes are allocated starting at
+        * decode_table[table_num_entries].  Remember that the full size of the
+        * table, including the extra space for the tree nodes, is actually
+        * 2**num_bits + 2 * num_syms slots, while table_num_entries is only
+        * 2**num_bits. */
+       uint next_free_tree_slot = table_num_entries;
+
+       /* Go through every codeword of length greater than @num_bits.  Note:
+        * the LZX format guarantees that the codeword length can be at most 16
+        * bits. */
+       for (uint code_len = num_bits + 1; code_len <= max_code_len; 
+                                                       code_len++) 
+       {
+               current_code <<= 1;
+               for (uint sym = 0; sym < num_syms; sym++) {
+                       if (lens[sym] != code_len)
+                               continue;
+
+
+                       /* i is the index of the current node; find it from the
+                        * prefix of the current Huffman code. */
+                       uint i = current_code >> (code_len - num_bits);
+
+                       if (i >= (1 << num_bits)) {
+                               ERROR("Invalid canonical Huffman code!\n");
+                               return 1;
+                       }
+
+                       /* Go through each bit of the current Huffman code
+                        * beyond the prefix of length num_bits and walk the
+                        * tree, "allocating" slots that have not yet been
+                        * allocated. */
+                       for (int bit_num = num_bits + 1; bit_num <= code_len; bit_num++) {
+
+                               /* If the current tree node points to nowhere
+                                * but we need to follow it, allocate a new node
+                                * for it to point to. */
+                               if (decode_table[i] == 0) {
+                                       decode_table[i] = next_free_tree_slot;
+                                       decode_table[next_free_tree_slot++] = 0;
+                                       decode_table[next_free_tree_slot++] = 0;
+                               }
+
+                               i = decode_table[i];
+
+                               /* Is the next bit 0 or 1? If 0, go left;
+                                * otherwise, go right (by incrementing i by 1) */
+                               int bit_pos = code_len - bit_num;
+
+                               int bit = (current_code & (1 << bit_pos)) >> 
+                                                               bit_pos;
+                               i += bit;
+                       }
+
+                       /* i is now the index of the leaf entry into which the
+                        * actual symbol will go. */
+                       decode_table[i] = sym;
+
+                       /* Increment decode_table_pos only if the prefix of the
+                        * Huffman code changes. */
+                       if (current_code >> (code_len - num_bits) != 
+                                       (current_code + 1) >> (code_len - num_bits))
+                               decode_table_pos++;
+
+                       /* current_code is always incremented because this is
+                        * how canonical Huffman codes are generated (add 1 for
+                        * each code, then left shift whenever the code length
+                        * increases) */
+                       current_code++;
+               }
+       }
+
+
+       /* If the lengths really represented a valid Huffman tree, all
+        * @table_num_entries in the table will have been filled.  However, it
+        * is also possible that the tree is completely empty (as noted
+        * earlier) with all 0 lengths, and this is expected to succeed. */
+
+       if (decode_table_pos != table_num_entries) {
+
+               for (uint i = 0; i < num_syms; i++) {
+                       if (lens[i] != 0) {
+                               ERROR("Lengths do not form a valid "
+                                               "canonical Huffman tree "
+                                               "(only filled %u of %u decode "
+                                               "table slots)!\n", decode_table_pos, 
+                                               table_num_entries);
+                               return 1;
+                       }
+               }
+       }
+       return 0;
+}
+
+/* Reads a Huffman-encoded symbol when it is known there are less than
+ * MAX_CODE_LEN bits remaining in the bitstream. */
+static int read_huffsym_near_end_of_input(struct input_bitstream *istream, 
+                                         const u16 decode_table[], 
+                                         const u8 lens[], 
+                                         uint num_syms, 
+                                         uint table_bits, 
+                                         uint *n)
+{
+       uint bitsleft = istream->bitsleft;
+       uint key_size;
+       u16 sym;
+       u16 key_bits;
+
+       if (table_bits > bitsleft) {
+               key_size = bitsleft;
+               bitsleft = 0;
+               key_bits = bitstream_peek_bits(istream, key_size) << 
+                                               (table_bits - key_size);
+       } else {
+               key_size = table_bits;
+               bitsleft -= table_bits;
+               key_bits = bitstream_peek_bits(istream, table_bits);
+       }
+
+       sym = decode_table[key_bits];
+       if (sym >= num_syms) {
+               bitstream_remove_bits(istream, key_size);
+               do {
+                       if (bitsleft == 0) {
+                               ERROR("Input stream exhausted!\n");
+                               return 1;
+                       }
+                       key_bits = sym + bitstream_peek_bits(istream, 1);
+                       bitstream_remove_bits(istream, 1);
+                       bitsleft--;
+               } while ((sym = decode_table[key_bits]) >= num_syms);
+       } else {
+               bitstream_remove_bits(istream, lens[sym]);
+       }
+       *n = sym;
+       return 0;
+}
+
+/* 
+ * Reads a Huffman-encoded symbol from a bitstream.
+ *
+ * This function may be called hundreds of millions of times when extracting a
+ * large WIM file.  I'm not sure it could be made much faster that it is,
+ * especially since there isn't enough time to make a big table that allows
+ * decoding multiple symbols per lookup.  But if extracting files to a hard
+ * disk, the IO will be the bottleneck anyway.
+ *
+ * @buf:       The input buffer from which the symbol will be read.
+ * @decode_table:      The fast Huffman decoding table for the Huffman tree.
+ * @lengths:           The table that gives the length of the code for each
+ *                             symbol.
+ * @num_symbols:       The number of symbols in the Huffman code.
+ * @table_bits:                Huffman codes this length or less can be looked up 
+ *                             directory in the decode_table, as the
+ *                             decode_table contains 2**table_bits entries.
+ */
+int read_huffsym(struct input_bitstream *stream, 
+            const u16 decode_table[], 
+            const u8 lengths[], 
+            unsigned num_symbols, 
+            unsigned table_bits, 
+            uint *n, 
+            unsigned max_codeword_len)
+{
+       /* In the most common case, there are at least max_codeword_len bits
+        * remaining in the stream. */
+       if (bitstream_ensure_bits(stream, max_codeword_len) == 0) {
+
+               /* Use the next table_bits of the input as an index into the
+                * decode_table. */
+               u16 key_bits = bitstream_peek_bits(stream, table_bits);
+
+               u16 sym = decode_table[key_bits];
+
+               /* If the entry in the decode table is not a valid symbol, it is
+                * the offset of the root of its Huffman subtree. */
+               if (sym >= num_symbols) {
+                       bitstream_remove_bits(stream, table_bits);
+                       do {
+                               key_bits = sym + bitstream_peek_bits(stream, 1);
+                               bitstream_remove_bits(stream, 1);
+
+                               wimlib_assert(key_bits < num_symbols * 2 + 
+                                                       (1 << table_bits));
+                       } while ((sym = decode_table[key_bits]) >= num_symbols);
+               } else {
+                       wimlib_assert(lengths[sym] <= table_bits);
+                       bitstream_remove_bits(stream, lengths[sym]);
+               }
+               *n = sym;
+               return 0;
+       } else {
+               /* Otherwise, we must be careful to use only the bits that are
+                * actually remaining.  Don't inline this part since it is very
+                * rarely used. */
+               return read_huffsym_near_end_of_input(stream, decode_table, lengths,
+                                       num_symbols, table_bits, n);
+       }
+}