]> wimlib.net Git - wimlib/blobdiff - src/lzms-decompress.c
Compression updates
[wimlib] / src / lzms-decompress.c
index 32ce082c29b1ebb6a5940a60619d74c7bbfe3d74..e2037d4488e93858cdb8316568a3c4f246b3d682 100644 (file)
@@ -3,7 +3,7 @@
  */
 
 /*
- * Copyright (C) 2013 Eric Biggers
+ * Copyright (C) 2013, 2014 Eric Biggers
  *
  * This file is part of wimlib, a library for working with WIM files.
  *
@@ -35,7 +35,7 @@
  * is a container format from which the locations and sizes (both compressed and
  * uncompressed) of the constituent blocks can be determined.
  *
- * A LZMS-compressed block must be read in 16-bit little endian units from both
+ * An LZMS-compressed block must be read in 16-bit little endian units from both
  * directions.  One logical bitstream starts at the front of the block and
  * proceeds forwards.  Another logical bitstream starts at the end of the block
  * and proceeds backwards.  Bits read from the forwards bitstream constitute
  * offset is 1, regardless of match length.
  *
  * For LZ matches, up to 3 repeat offsets are allowed, similar to some other
- * LZ-based formats such as LZX and LZMA.  They must updated in a LRU fashion,
- * except for a quirk: updates to the queue must be delayed by one LZMS item,
- * except for the removal of a repeat match.  As a result, 4 entries are
- * actually needed in the queue, even though it is only possible to decode
- * references to the first 3 at any given time.  The queue must be initialized
- * to the offsets {1, 2, 3, 4}.
+ * LZ-based formats such as LZX and LZMA.  They must updated in an LRU fashion,
+ * except for a quirk: inserting anything to the front of the queue must be
+ * delayed by one LZMS item.  The reason for this is presumably that there is
+ * almost no reason to code the same match offset twice in a row, since you
+ * might as well have coded a longer match at that offset.  For this same
+ * reason, it also is a requirement that when an offset in the queue is used,
+ * that offset is removed from the queue immediately (and made pending for
+ * front-insertion after the following decoded item), and everything to the
+ * right is shifted left one queue slot.  This creates a need for an "overflow"
+ * fourth entry in the queue, even though it is only possible to decode
+ * references to the first 3 entries at any given time.  The queue must be
+ * initialized to the offsets {1, 2, 3, 4}.
  *
  * Repeat delta matches are handled similarly, but for them there are two queues
  * updated in lock-step: one for powers and one for raw offsets.  The power
  *    1024 symbols have been decoded with it.
  *
  *  - The LZ offset code, used for decoding the offsets of standard LZ77
- *    matches.  Each symbol represents a position slot, which corresponds to a
+ *    matches.  Each symbol represents an offset slot, which corresponds to a
  *    base value and some number of extra bits which must be read and added to
  *    the base value to reconstitute the full offset.  The number of symbols in
- *    this code is the number of position slots needed to represent all possible
+ *    this code is the number of offset slots needed to represent all possible
  *    offsets in the uncompressed block.  This code must be rebuilt whenever
  *    1024 symbols have been decoded with it.
  *
  *    symbols have been decoded with it.
  *
  *  - The delta offset code, used for decoding the offsets of delta matches.
- *    Each symbol corresponds to a position slot, which corresponds to a base
+ *    Each symbol corresponds to an offset slot, which corresponds to a base
  *    value and some number of extra bits which must be read and added to the
  *    base value to reconstitute the full offset.  The number of symbols in this
  *    code is equal to the number of symbols in the LZ offset code.  This code
  * have equal frequency.  Following that, each code must be rebuilt whenever a
  * certain number of symbols has been decoded with it.
  *
- * In general, multiple valid Huffman codes can be constructed from a set of
- * symbol frequencies.  Like other compression formats such as XPRESS, LZX, and
- * DEFLATE, the LZMS format solves this ambiguity by requiring that all Huffman
- * codes be constructed in canonical form.  This form requires that same-length
- * codewords be lexicographically ordered the same way as the corresponding
- * symbols and that all shorter codewords lexicographically precede longer
- * codewords.
+ * Like other compression formats such as XPRESS, LZX, and DEFLATE, the LZMS
+ * format requires that all Huffman codes be constructed in canonical form.
+ * This form requires that same-length codewords be lexicographically ordered
+ * the same way as the corresponding symbols and that all shorter codewords
+ * lexicographically precede longer codewords.  Such a code can be constructed
+ * directly from codeword lengths, although in LZMS this is not actually
+ * necessary because the codes are built using adaptive symbol frequencies.
  *
- * Codewords in all the LZMS Huffman codes are limited to 15 bits.  If the
- * canonical code for a given set of symbol frequencies has any codewords longer
- * than 15 bits, then all frequencies must be divided by 2, rounding up, and the
- * code construction must be attempted again.
+ * Even with the canonical code restriction, the same frequencies can be used to
+ * construct multiple valid Huffman codes.  Therefore, the decompressor needs to
+ * construct the right one.  Specifically, the LZMS format requires that the
+ * Huffman code be constructed as if the well-known priority queue algorithm is
+ * used and frequency ties are always broken in favor of leaf nodes.  See
+ * make_canonical_huffman_code() in compress_common.c for more information.
  *
- * A LZMS-compressed block seemingly cannot have a compressed size greater than
+ * Codewords in LZMS are guaranteed to not exceed 15 bits.  The format otherwise
+ * places no restrictions on codeword length.  Therefore, the Huffman code
+ * construction algorithm that a correct LZMS decompressor uses need not
+ * implement length-limited code construction.  But if it does (e.g. by virtue
+ * of being shared among multiple compression algorithms), the details of how it
+ * does so are unimportant, provided that the maximum codeword length parameter
+ * is set to at least 15 bits.
+ *
+ * An LZMS-compressed block seemingly cannot have a compressed size greater than
  * or equal to the uncompressed size.  In such cases the block must be stored
  * uncompressed.
  *
 #  include "config.h"
 #endif
 
-#include "wimlib.h"
 #include "wimlib/compress_common.h"
 #include "wimlib/decompressor_ops.h"
 #include "wimlib/decompress_common.h"
+#include "wimlib/error.h"
 #include "wimlib/lzms.h"
 #include "wimlib/util.h"
 
@@ -232,7 +248,7 @@ struct lzms_input_bitstream {
         * at a time, this needs to be 64 bits rather than 32 bits.  */
        u64 bitbuf;
 
-       /* Number of bits in @bitbuf that are are used.  */
+       /* Number of bits in @bitbuf that are used.  */
        unsigned num_filled_bits;
 
        /* Pointer to the one past the next little-endian 16-bit integer in the
@@ -304,7 +320,7 @@ struct lzms_huffman_decoder {
        u8 lens[LZMS_MAX_NUM_SYMS];
 
        /* The codeword of each symbol in the Huffman code.  */
-       u16 codewords[LZMS_MAX_NUM_SYMS];
+       u32 codewords[LZMS_MAX_NUM_SYMS];
 
        /* A table for quickly decoding symbols encoded using the Huffman code.
         */
@@ -347,8 +363,8 @@ struct lzms_decompressor {
        struct lzms_huffman_decoder delta_power_decoder;
        struct lzms_huffman_decoder delta_offset_decoder;
 
-        /* LRU (least-recently-used) queues for match information.  */
-        struct lzms_lru_queues lru;
+       /* LRU (least-recently-used) queues for match information.  */
+       struct lzms_lru_queues lru;
 
        /* Used for postprocessing.  */
        s32 last_target_usages[65536];
@@ -498,38 +514,15 @@ lzms_range_decode_bit(struct lzms_range_decoder *dec)
        /* Load the probability entry corresponding to the current state.  */
        prob_entry = &dec->prob_entries[dec->state];
 
-       /* Treat the number of zero bits in the most recently decoded
-        * LZMS_PROBABILITY_MAX bits with this probability entry as the chance,
-        * out of LZMS_PROBABILITY_MAX, that the next bit will be a 0.  However,
-        * don't allow 0% or 100% probabilities.  */
-       prob = prob_entry->num_recent_zero_bits;
-       if (prob == LZMS_PROBABILITY_MAX)
-               prob = LZMS_PROBABILITY_MAX - 1;
-       else if (prob == 0)
-               prob = 1;
+       /* Get the probability that the next bit is 0.  */
+       prob = lzms_get_probability(prob_entry);
 
        /* Decode the next bit.  */
        bit = lzms_range_decoder_raw_decode_bit(dec->rd, prob);
 
-       /* Update the state based on the newly decoded bit.  */
+       /* Update the state and probability entry based on the decoded bit.  */
        dec->state = (((dec->state << 1) | bit) & dec->mask);
-
-       /* Update the recent bits, including the cached count of 0's.  */
-       BUILD_BUG_ON(LZMS_PROBABILITY_MAX > sizeof(prob_entry->recent_bits) * 8);
-       if (bit == 0) {
-               if (prob_entry->recent_bits & (1ULL << (LZMS_PROBABILITY_MAX - 1))) {
-                       /* Replacing 1 bit with 0 bit; increment the zero count.
-                        */
-                       prob_entry->num_recent_zero_bits++;
-               }
-       } else {
-               if (!(prob_entry->recent_bits & (1ULL << (LZMS_PROBABILITY_MAX - 1)))) {
-                       /* Replacing 0 bit with 1 bit; decrement the zero count.
-                        */
-                       prob_entry->num_recent_zero_bits--;
-               }
-       }
-       prob_entry->recent_bits = (prob_entry->recent_bits << 1) | bit;
+       lzms_update_probability_entry(prob_entry, bit);
 
        /* Return the decoded bit.  */
        return bit;
@@ -568,9 +561,11 @@ lzms_rebuild_adaptive_huffman_code(struct lzms_huffman_decoder *dec)
 static u32
 lzms_huffman_decode_symbol(struct lzms_huffman_decoder *dec)
 {
-       const u8 *lens = dec->lens;
        const u16 *decode_table = dec->decode_table;
        struct lzms_input_bitstream *is = dec->is;
+       u16 entry;
+       u16 key_bits;
+       u16 sym;
 
        /* The Huffman codes used in LZMS are adaptive and must be rebuilt
         * whenever a certain number of symbols have been read.  Each such
@@ -588,28 +583,31 @@ lzms_huffman_decode_symbol(struct lzms_huffman_decoder *dec)
                dec->num_syms_read = 0;
        }
 
-       /* In the following Huffman decoding implementation, the first
-        * LZMS_DECODE_TABLE_BITS of the input are used as an offset into a
-        * decode table.  The entry will either provide the decoded symbol
-        * directly, or else a "real" Huffman binary tree will be searched to
-        * decode the symbol.  */
-
+       /* XXX: Copied from read_huffsym() (decompress_common.h), since this
+        * uses a different input bitstream type.  Should unify the
+        * implementations.  */
        lzms_input_bitstream_ensure_bits(is, LZMS_MAX_CODEWORD_LEN);
 
-       u16 key_bits = lzms_input_bitstream_peek_bits(is, LZMS_DECODE_TABLE_BITS);
-       u16 sym = decode_table[key_bits];
-
-       if (sym < dec->num_syms) {
-               /* Fast case: The decode table directly provided the symbol.  */
-               lzms_input_bitstream_remove_bits(is, lens[sym]);
+       /* Index the decode table by the next table_bits bits of the input.  */
+       key_bits = lzms_input_bitstream_peek_bits(is, LZMS_DECODE_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.  */
+               lzms_input_bitstream_remove_bits(is, entry >> 11);
+               sym = entry & 0x7FF;
        } else {
-               /* Slow case: The symbol took too many bits to include directly
-                * in the decode table, so search for it in a binary tree at the
-                * end of the decode table.  */
+               /* 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 in order to
+                * decode the symbol.  */
                lzms_input_bitstream_remove_bits(is, LZMS_DECODE_TABLE_BITS);
                do {
-                       key_bits = sym + lzms_input_bitstream_pop_bits(is, 1);
-               } while ((sym = decode_table[key_bits]) >= dec->num_syms);
+                       key_bits = (entry & 0x3FFF) + lzms_input_bitstream_pop_bits(is, 1);
+               } while ((entry = decode_table[key_bits]) >= 0xC000);
+               sym = entry;
        }
 
        /* Tally and return the decoded symbol.  */
@@ -632,8 +630,8 @@ lzms_decode_value(struct lzms_huffman_decoder *dec)
        LZMS_ASSERT(dec->slot_base_tab != NULL);
        LZMS_ASSERT(dec->extra_bits_tab != NULL);
 
-       /* Read the slot (position slot, length slot, etc.), which is encoded as
-        * Huffman symbol.  */
+       /* Read the slot (offset slot, length slot, etc.), which is encoded as a
+        * Huffman symbol.  */
        slot = lzms_huffman_decode_symbol(dec);
 
        /* Get the number of extra bits needed to represent the range of values
@@ -659,7 +657,6 @@ static int
 lzms_copy_lz_match(struct lzms_decompressor *ctx, u32 length, u32 offset)
 {
        u8 *out_next;
-       u8 *matchptr;
 
        if (length > ctx->out_end - ctx->out_next) {
                LZMS_DEBUG("Match overrun!");
@@ -671,11 +668,10 @@ lzms_copy_lz_match(struct lzms_decompressor *ctx, u32 length, u32 offset)
        }
 
        out_next = ctx->out_next;
-       matchptr = out_next - offset;
-       while (length--)
-               *out_next++ = *matchptr++;
 
-       ctx->out_next = out_next;
+       lz_copy(out_next, length, offset, ctx->out_end);
+       ctx->out_next = out_next + length;
+
        return 0;
 }
 
@@ -796,7 +792,7 @@ lzms_decode_delta_match(struct lzms_decompressor *ctx)
        return lzms_copy_delta_match(ctx, length, power, raw_offset);
 }
 
-/* Decode a LZ or delta match.  */
+/* Decode an LZ or delta match.  */
 static int
 lzms_decode_match(struct lzms_decompressor *ctx)
 {
@@ -833,7 +829,7 @@ lzms_decode_item(struct lzms_decompressor *ctx)
        if (ret)
                return ret;
 
-        lzms_update_lru_queues(&ctx->lru);
+       lzms_update_lru_queues(&ctx->lru);
        return 0;
 }
 
@@ -874,7 +870,7 @@ lzms_init_decompressor(struct lzms_decompressor *ctx,
                       const void *cdata, unsigned clen,
                       void *ubuf, unsigned ulen)
 {
-       unsigned num_position_slots;
+       unsigned num_offset_slots;
 
        LZMS_DEBUG("Initializing decompressor (clen=%u, ulen=%u)", clen, ulen);
 
@@ -890,11 +886,11 @@ lzms_init_decompressor(struct lzms_decompressor *ctx,
         * backwards)  */
        lzms_input_bitstream_init(&ctx->is, cdata, clen / 2);
 
-       /* Calculate the number of position slots needed for this compressed
+       /* Calculate the number of offset slots needed for this compressed
         * block.  */
-       num_position_slots = lzms_get_position_slot(ulen - 1) + 1;
+       num_offset_slots = lzms_get_offset_slot(ulen - 1) + 1;
 
-       LZMS_DEBUG("Using %u position slots", num_position_slots);
+       LZMS_DEBUG("Using %u offset slots", num_offset_slots);
 
        /* Initialize Huffman decoders for each alphabet used in the compressed
         * representation.  */
@@ -903,9 +899,9 @@ lzms_init_decompressor(struct lzms_decompressor *ctx,
                                  LZMS_LITERAL_CODE_REBUILD_FREQ);
 
        lzms_init_huffman_decoder(&ctx->lz_offset_decoder, &ctx->is,
-                                 lzms_position_slot_base,
-                                 lzms_extra_position_bits,
-                                 num_position_slots,
+                                 lzms_offset_slot_base,
+                                 lzms_extra_offset_bits,
+                                 num_offset_slots,
                                  LZMS_LZ_OFFSET_CODE_REBUILD_FREQ);
 
        lzms_init_huffman_decoder(&ctx->length_decoder, &ctx->is,
@@ -915,9 +911,9 @@ lzms_init_decompressor(struct lzms_decompressor *ctx,
                                  LZMS_LENGTH_CODE_REBUILD_FREQ);
 
        lzms_init_huffman_decoder(&ctx->delta_offset_decoder, &ctx->is,
-                                 lzms_position_slot_base,
-                                 lzms_extra_position_bits,
-                                 num_position_slots,
+                                 lzms_offset_slot_base,
+                                 lzms_extra_offset_bits,
+                                 num_offset_slots,
                                  LZMS_DELTA_OFFSET_CODE_REBUILD_FREQ);
 
        lzms_init_huffman_decoder(&ctx->delta_power_decoder, &ctx->is,
@@ -948,7 +944,7 @@ lzms_init_decompressor(struct lzms_decompressor *ctx,
                                        &ctx->rd, LZMS_NUM_DELTA_REPEAT_MATCH_STATES);
 
        /* Initialize LRU match information.  */
-        lzms_init_lru_queues(&ctx->lru);
+       lzms_init_lru_queues(&ctx->lru);
 
        LZMS_DEBUG("Decompressor successfully initialized");
 }
@@ -985,7 +981,7 @@ lzms_decompress(const void *compressed_data, size_t compressed_size,
                return -1;
        }
 
-       /* A LZMS-compressed data block should be evenly divisible into 16-bit
+       /* An LZMS-compressed data block should be evenly divisible into 16-bit
         * integers.  */
        if (compressed_size % 2 != 0) {
                LZMS_DEBUG("Compressed size not divisible by 2 (got %zu)",
@@ -994,21 +990,11 @@ lzms_decompress(const void *compressed_data, size_t compressed_size,
        }
 
        /* Handle the trivial case where nothing needs to be decompressed.
-        * (Necessary because a window of size 0 does not have a valid position
+        * (Necessary because a window of size 0 does not have a valid offset
         * slot.)  */
        if (uncompressed_size == 0)
                return 0;
 
-       /* The x86 post-processor requires that the uncompressed length fit into
-        * a signed 32-bit integer.  Also, the position slot table cannot be
-        * searched for a position of INT32_MAX or greater.  */
-       if (uncompressed_size >= INT32_MAX) {
-               LZMS_DEBUG("Uncompressed length too large "
-                          "(got %zu, expected < INT32_MAX)",
-                          uncompressed_size);
-               return -1;
-       }
-
        /* Decode the literals and matches.  */
        if (lzms_decode_items(compressed_data, compressed_size,
                              uncompressed_data, uncompressed_size, ctx))
@@ -1027,21 +1013,26 @@ lzms_free_decompressor(void *_ctx)
 {
        struct lzms_decompressor *ctx = _ctx;
 
-       FREE(ctx);
+       ALIGNED_FREE(ctx);
 }
 
 static int
-lzms_create_decompressor(size_t max_block_size,
-                        const struct wimlib_decompressor_params_header *params,
-                        void **ctx_ret)
+lzms_create_decompressor(size_t max_block_size, void **ctx_ret)
 {
        struct lzms_decompressor *ctx;
 
-       ctx = MALLOC(sizeof(struct lzms_decompressor));
+       /* The x86 post-processor requires that the uncompressed length fit into
+        * a signed 32-bit integer.  Also, the offset slot table cannot be
+        * searched for an offset of INT32_MAX or greater.  */
+       if (max_block_size >= INT32_MAX)
+               return WIMLIB_ERR_INVALID_PARAM;
+
+       ctx = ALIGNED_MALLOC(sizeof(struct lzms_decompressor),
+                            DECODE_TABLE_ALIGNMENT);
        if (ctx == NULL)
                return WIMLIB_ERR_NOMEM;
 
-       /* Initialize position and length slot data if not done already.  */
+       /* Initialize offset and length slot data if not done already.  */
        lzms_init_slots();
 
        *ctx_ret = ctx;