~ubuntu-branches/ubuntu/raring/clamav/raring-updates

« back to all changes in this revision

Viewing changes to win32/3rdparty/zlib/doc/algorithm.txt

  • Committer: Bazaar Package Importer
  • Author(s): Scott Kitterman
  • Date: 2011-06-18 11:56:34 UTC
  • mfrom: (0.35.21 sid)
  • Revision ID: james.westby@ubuntu.com-20110618115634-u2lovivet0qx34d0
Tags: 0.97.1+dfsg-1ubuntu1
* Merge from debian unstable.  Remaining changes:
  - Drop build-dep on electric-fence (in Universe)
  - Add apparmor profiles for clamd and freshclam along with maintainer
    script changes

Show diffs side-by-side

added added

removed removed

Lines of Context:
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 too 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