home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Chip 2005 August (Alt) / CHIP 2005-08.1.iso / program / guvenlik / syslinux-3.07.exe / com32 / lib / zlib / algorithm.txt < prev    next >
Encoding:
Text File  |  2005-01-08  |  9.1 KB  |  210 lines

  1. 1. Compression algorithm (deflate)
  2.  
  3. The deflation algorithm used by gzip (also zip and zlib) is a variation of
  4. LZ77 (Lempel-Ziv 1977, see reference below). It finds duplicated strings in
  5. the input data.  The second occurrence of a string is replaced by a
  6. pointer to the previous string, in the form of a pair (distance,
  7. length).  Distances are limited to 32K bytes, and lengths are limited
  8. to 258 bytes. When a string does not occur anywhere in the previous
  9. 32K bytes, it is emitted as a sequence of literal bytes.  (In this
  10. description, `string' must be taken as an arbitrary sequence of bytes,
  11. and is not restricted to printable characters.)
  12.  
  13. Literals or match lengths are compressed with one Huffman tree, and
  14. match distances are compressed with another tree. The trees are stored
  15. in a compact form at the start of each block. The blocks can have any
  16. size (except that the compressed data for one block must fit in
  17. available memory). A block is terminated when deflate() determines that
  18. it would be useful to start another block with fresh trees. (This is
  19. somewhat similar to the behavior of LZW-based _compress_.)
  20.  
  21. Duplicated strings are found using a hash table. All input strings of
  22. length 3 are inserted in the hash table. A hash index is computed for
  23. the next 3 bytes. If the hash chain for this index is not empty, all
  24. strings in the chain are compared with the current input string, and
  25. the longest match is selected.
  26.  
  27. The hash chains are searched starting with the most recent strings, to
  28. favor small distances and thus take advantage of the Huffman encoding.
  29. The hash chains are singly linked. There are no deletions from the
  30. hash chains, the algorithm simply discards matches that are too old.
  31.  
  32. To avoid a worst-case situation, very long hash chains are arbitrarily
  33. truncated at a certain length, determined by a runtime option (level
  34. parameter of deflateInit). So deflate() does not always find the longest
  35. possible match but generally finds a match which is long enough.
  36.  
  37. deflate() also defers the selection of matches with a lazy evaluation
  38. mechanism. After a match of length N has been found, deflate() searches for
  39. a longer match at the next input byte. If a longer match is found, the
  40. previous match is truncated to a length of one (thus producing a single
  41. literal byte) and the process of lazy evaluation begins again. Otherwise,
  42. the original match is kept, and the next match search is attempted only N
  43. steps later.
  44.  
  45. The lazy match evaluation is also subject to a runtime parameter. If
  46. the current match is long enough, deflate() reduces the search for a longer
  47. match, thus speeding up the whole process. If compression ratio is more
  48. important than speed, deflate() attempts a complete second search even if
  49. the first match is already long enough.
  50.  
  51. The lazy match evaluation is not performed for the fastest compression
  52. modes (level parameter 1 to 3). For these fast modes, new strings
  53. are inserted in the hash table only when no match was found, or
  54. when the match is not too long. This degrades the compression ratio
  55. but saves time since there are both fewer insertions and fewer searches.
  56.  
  57.  
  58. 2. Decompression algorithm (inflate)
  59.  
  60. 2.1 Introduction
  61.  
  62. The key question is how to represent a Huffman code (or any prefix code) so
  63. that you can decode fast.  The most important characteristic is that shorter
  64. codes are much more common than longer codes, so pay attention to decoding the
  65. short codes fast, and let the long codes take longer to decode.
  66.  
  67. inflate() sets up a first level table that covers some number of bits of
  68. input less than the length of longest code.  It gets that many bits from the
  69. stream, and looks it up in the table.  The table will tell if the next
  70. code is that many bits or less and how many, and if it is, it will tell
  71. the value, else it will point to the next level table for which inflate()
  72. grabs more bits and tries to decode a longer code.
  73.  
  74. How many bits to make the first lookup is a tradeoff between the time it
  75. takes to decode and the time it takes to build the table.  If building the
  76. table took no time (and if you had infinite memory), then there would only
  77. be a first level table to cover all the way to the longest code.  However,
  78. building the table ends up taking a lot longer for more bits since short
  79. codes are replicated many times in such a table.  What inflate() does is
  80. simply to make the number of bits in the first table a variable, and  then
  81. to set that variable for the maximum speed.
  82.  
  83. For inflate, which has 286 possible codes for the literal/length tree, the size
  84. of the first table is nine bits.  Also the distance trees have 30 possible
  85. values, and the size of the first table is six bits.  Note that for each of
  86. those cases, the table ended up one bit longer than the ``average'' code
  87. length, i.e. the code length of an approximately flat code which would be a
  88. little more than eight bits for 286 symbols and a little less than five bits
  89. for 30 symbols.
  90.  
  91.  
  92. 2.2 More details on the inflate table lookup
  93.  
  94. Ok, you want to know what this cleverly obfuscated inflate tree actually
  95. looks like.  You are correct that it's not a Huffman tree.  It is simply a
  96. lookup table for the first, let's say, nine bits of a Huffman symbol.  The
  97. symbol could be as short as one bit or as long as 15 bits.  If a particular
  98. symbol is shorter than nine bits, then that symbol's translation is duplicated
  99. in all those entries that start with that symbol's bits.  For example, if the
  100. symbol is four bits, then it's duplicated 32 times in a nine-bit table.  If a
  101. symbol is nine bits long, it appears in the table once.
  102.  
  103. If the symbol is longer than nine bits, then that entry in the table points
  104. to another similar table for the remaining bits.  Again, there are duplicated
  105. entries as needed.  The idea is that most of the time the symbol will be short
  106. and there will only be one table look up.  (That's whole idea behind data
  107. compression in the first place.)  For the less frequent long symbols, there
  108. will be two lookups.  If you had a compression method with really long
  109. symbols, you could have as many levels of lookups as is efficient.  For
  110. inflate, two is enough.
  111.  
  112. So a table entry either points to another table (in which case nine bits in
  113. the above example are gobbled), or it contains the translation for the symbol
  114. and the number of bits to gobble.  Then you start again with the next
  115. ungobbled bit.
  116.  
  117. You may wonder: why not just have one lookup table for how ever many bits the
  118. longest symbol is?  The reason is that if you do that, you end up spending
  119. more time filling in duplicate symbol entries than you do actually decoding.
  120. At least for deflate's output that generates new trees every several 10's of
  121. kbytes.  You can imagine that filling in a 2^15 entry table for a 15-bit code
  122. would take too long if you're only decoding several thousand symbols.  At the
  123. other extreme, you could make a new table for every bit in the code.  In fact,
  124. that's essentially a Huffman tree.  But then you spend two much time
  125. traversing the tree while decoding, even for short symbols.
  126.  
  127. So the number of bits for the first lookup table is a trade of the time to
  128. fill out the table vs. the time spent looking at the second level and above of
  129. the table.
  130.  
  131. Here is an example, scaled down:
  132.  
  133. The code being decoded, with 10 symbols, from 1 to 6 bits long:
  134.  
  135. A: 0
  136. B: 10
  137. C: 1100
  138. D: 11010
  139. E: 11011
  140. F: 11100
  141. G: 11101
  142. H: 11110
  143. I: 111110
  144. J: 111111
  145.  
  146. Let's make the first table three bits long (eight entries):
  147.  
  148. 000: A,1
  149. 001: A,1
  150. 010: A,1
  151. 011: A,1
  152. 100: B,2
  153. 101: B,2
  154. 110: -> table X (gobble 3 bits)
  155. 111: -> table Y (gobble 3 bits)
  156.  
  157. Each entry is what the bits decode as and how many bits that is, i.e. how
  158. many bits to gobble.  Or the entry points to another table, with the number of
  159. bits to gobble implicit in the size of the table.
  160.  
  161. Table X is two bits long since the longest code starting with 110 is five bits
  162. long:
  163.  
  164. 00: C,1
  165. 01: C,1
  166. 10: D,2
  167. 11: E,2
  168.  
  169. Table Y is three bits long since the longest code starting with 111 is six
  170. bits long:
  171.  
  172. 000: F,2
  173. 001: F,2
  174. 010: G,2
  175. 011: G,2
  176. 100: H,2
  177. 101: H,2
  178. 110: I,3
  179. 111: J,3
  180.  
  181. So what we have here are three tables with a total of 20 entries that had to
  182. be constructed.  That's compared to 64 entries for a single table.  Or
  183. compared to 16 entries for a Huffman tree (six two entry tables and one four
  184. entry table).  Assuming that the code ideally represents the probability of
  185. the symbols, it takes on the average 1.25 lookups per symbol.  That's compared
  186. to one lookup for the single table, or 1.66 lookups per symbol for the
  187. Huffman tree.
  188.  
  189. There, I think that gives you a picture of what's going on.  For inflate, the
  190. meaning of a particular symbol is often more than just a letter.  It can be a
  191. byte (a "literal"), or it can be either a length or a distance which
  192. indicates a base value and a number of bits to fetch after the code that is
  193. added to the base value.  Or it might be the special end-of-block code.  The
  194. data structures created in inftrees.c try to encode all that information
  195. compactly in the tables.
  196.  
  197.  
  198. Jean-loup Gailly        Mark Adler
  199. jloup@gzip.org          madler@alumni.caltech.edu
  200.  
  201.  
  202. References:
  203.  
  204. [LZ77] Ziv J., Lempel A., ``A Universal Algorithm for Sequential Data
  205. Compression,'' IEEE Transactions on Information Theory, Vol. 23, No. 3,
  206. pp. 337-343.
  207.  
  208. ``DEFLATE Compressed Data Format Specification'' available in
  209. http://www.ietf.org/rfc/rfc1951.txt
  210.