Gzip Zlib PNG 压缩算法,源码详解

  gzip,zlib,以及图形格式png，使用的是同一个压缩算法deflate。我们通过对gzip源码的分析来对deflate压缩算法做一个详细的说明。我阅读的gzip版本为 gzip-1.2.4。我们对算法做三种程度的说明。第一种程度，对gzip所使用压缩算法基本原理的说明。第二种程度，对gzip压缩算法实现方法的说明。第三种程度，对gzip实现源码级的说明。
　　
　　如果你有时间的话，我建议你先不要看下面的内容，自己尝试通过读gzip源码，来了解它的压缩解压缩是如何实现的，这将会是一个非常有趣的智力游戏，千万不要错过。当一个又一个的谜被解开时，那感觉就像唐伯虎同志所说的，“慷慨然诺杯酒中”。（小唐的诗，除了另一个倒霉蛋曹雪芹外，好像不太被人提。）
　　
　　1 gzip所使用压缩算法的基本原理
　　
　　gzip 对于要压缩的文件，首先使用lz77算法进行压缩，对得到的结果再使用huffman编码的方法进行压缩。所以我们分别对lz77和huffman编码的原理进行说明。
　　
　　1.1 … 1.2 …
　　
　　2 gzip压缩算法实现方法
　　
　　2.1 LZ77算法的gzip实现
　　
　　首先，gzip 从要压缩的文件中读入64KB的内容到一个叫window的缓冲区中。为了简单起见，我们以32KB以下文件的压缩为例做说明。对于我们这里使用32KB以下文件，gzip将整个文件读入到window缓冲区中。然后使用一个叫strstart的变量在window数组中，从0开始一直向后移动。strstart在每一个位置上，都在它之前的区域中，寻找和当前strstart开始的串的头3个字节匹配的串，并试图从这些匹配串中找到最长的匹配串。
　　
　　如果当前的strstart开始的串，可以找到最少为3个字节的匹配串的话，当前的strstart开始的匹配长度那么长的串，将会被一个<匹配长度,到匹配串开头的距离>对替换。
　　
　　如果当前的strstart开始的串，找不到任何的最少为3个字节的匹配串的话，那么当前strstart的所在字节将不作改动。
　　
　　为了区分是一个<匹配长度,到匹配串开头的距离>对，还是一个没有被改动的字节，还需要为每一个没有被改动的字节或者<匹配长度,到匹配串开头的距离>对，另外再占用一
　　位，来进行区分。这位如果为1，表示是一个<匹配长度,到匹配串开头的距离>对，这位如果为0，表示是一个没有被改动的字节。
　　
　　现在来说明一下，为什么最小匹配为3个字节。这是由于，gzip 中，<匹配长度,到匹配串开头的距离>对中，”匹配长度”的范围为3-258，也就是256种可能值，需要8bit来保存。”到匹配串开头的距离”的范围为0-32K，需要15bit来保存。所以一个<匹配长度,到匹配串开头的距离>对需要23位，差一位3个字节。如果匹配串小于3个字节的话，使用<匹配长度,到匹配串开头的距离>对进行替换，不但没有压缩，反而还会增大。所以保存<匹配长度,到匹配串开头的距离>对所需要的位数，决定了最小匹配长度至少要为3个字节。
　　
　　下面我们就来介绍gzip如何实现寻找当前strstart开始的串的最长匹配串。
　　
　　如果每次为当前串寻找匹配串时，都要和之前的每个串的至少3个字节进行比较的话，那么比较量将是非常非常大的。为了提高比较速度，gzip使用了哈希表。这是gzip实现LZ77的关键。这个哈希表是一个叫head的数组（后面我们将看到为什么这个缓冲区叫head）。gzip对windows中的每个串，使用串的头三个字节，也就是strstart,strstart+1,strstart+2，用一个设计好的哈希函数来进行计算，得到一个插入位置ins_h。也就是用串的头三个字节来确定一个插入位置。然后把串的位置，也就是 strstart的值，保存在head数组的第ins_h项中。我们马上就可以看到为什么要这样做。head数组在没有插入任何值时，全部为0。
当某处的当前串的三个字节确定了一个ins_h，并把当时当前串的位置也就是当时的strstart保存在了head[ins_h]中。之后另一处，当另一处的当前串的头三个字节，再为那三个字节时，再使用那个哈希函数来计算，由于是同样的三个字节，同样的哈希函数，得到的ins_h必然和前面得到的ins_h是相同的。于是就会发现head[ins_h]不为0。这就说明了，有一个头三个字节和自己相同的串把自己的位置保存在了这里，现在head[ins_h]中保存的值，也就是那个串的开始位置，我们就可以找到那个串，那个串至少前3个字节和当前串的前3个字节相同（稍后我们就可以看到这种说法不准确，这里是为了说明方便），我们可以找到那个串，做进一步比较，看到底能有多长的匹配。
　　
　　我们现在来说明一下，相同的三个字节，通过哈希函数得到的ins_h必然是相同的。而不同的三个字节，通过哈希函数有没有可能得到同一个ins_h，我没有对这个哈希函数做研究，并不清楚，不过一般的哈希函数都是这样的，所以极大可能这里的也会是这种情况，即不同的三个字节，通过哈希函数有可能得到同一个ins_h，不过这并不要紧，我们发现有可能是匹配串之后，还会进行串的比较。
　　
　　一个文件中，可能有很多个串的头三个字节都是相同的，也就是说他们计算得到的ins_h都是相同的，如何能保证找到他们中的每一个串呢？gzip使用一个链把他们链在一起。gzip每次把当前串的位置插入head的当前串头三个字节算出的ins_h处时，都会首先把原来的head[ins_h]的值，保存到一个叫prev的数组中，保存的位置就在现在的strstart处。这样当以后某处的当前串计算出ins_h，发现head[ins_h]不空时，就可以到prev[ head[ins_h] ]中找到更前一个的头三个字节相同的串的位置。对此我们举例说明。
　　
　　例，串
　　0abcdabceabcfabcg
　　^^^^^^^^^^^^^^^^^
　　01234567890123456
　　
　　整个串被压缩程序处理之后。
　　
　　由abc算出ins_h。
　　这时的head[ins_h]中为 13,即”abcg”的开始位置。
　　这时prev[13]中为 9，即”abcfabcg”的开始位置。
　　这时prev[9]中为 5，即”abceabcfabcg”的开始位置。
　　这时prev[5]中为 1，即”abcdabceabcfabcg”的开始位置。
　　这时prev[1]中为 0。
　　
　　我们看到所有头三个字母为abc的串，被链在了一起，从head可以一直找下去，直到找到0。
　　
　　现在我们也就知道了，三个字节通过哈希函数计算得到同一ins_h的所有的串被链在了一起，head[ins_h]为链头，prev数组中放着的更早的串。这也就是head和prev名称的由
　　来。
　　
　　gzip寻找匹配串的另外一个值得注意的实现是，延迟匹配。会进行两次尝试。比如当前串为str,那么str发生匹配以后，并不发生压缩，还会对str+1串进行匹配，然后看哪种
　　匹配效果好。
　　
　　例子 …
从这个例子中我们就看到了做另外一次尝试的原因。如果碰到的一个匹配就使用了的话，可能错过更长匹配的机会。现在做两次会有所改善。
　　
　　…
　　
　　2.2 问题讨论
　　
　　我在这里对gzip压缩算法做出了一些说明，是希望可以和对gzip或者压缩解压缩感兴趣的朋友进行交流。
　　我对gzip的了解要比这里说的更多一些，也有更多的例子。如果哪位朋友愿意对下面的问题进行研究，以及其他压缩解压缩的问题进行研究，来这里http://jiurl.cosoft.org.cn/forum/ 和我交流的话，我也愿意就我知道的内容进行更多的说明。
　　
　　下面是几个问题
　　
　　这种匹配算法，即用3个字节(最小匹配)来计算一个整数，是否比用串比较来得高效，高效到什么程度。
　　
　　哈希函数的讨论。不同的三个字节，是否可能得到同一个ins_h。ins_h和计算它的三个字节的关系。
　　
　　几次延迟尝试比较好？
　　
　　用延迟，两次尝试是否对压缩率的改善是非常有限的？
　　
　　影响lz77压缩率的因素。
　　
　　压缩的极限。
　　　　
　　2.3 …
　　
　　3 gzip源码分析
　　
　　main() 中调用函数 treat_file() 。
　　treat_file() 中打开文件，调用函数 zip()。注意这里的 work 的用法，这是一个函数指针。
　　zip() 中输出gzip文件格式的头，调用 bi_init，ct_init，lm_init，
　　其中在lm_init中将 head 初始化清0。初始化strstart为0。从文件中读入64KB的内容到window缓冲区中。
　　由于计算strstart=0时的ins_h，需要0,1,2这三个字节和哈希函数发生关系，所以在lm_init中，预读0,1两个字节，并和哈希函数发生关系。
　　
　　然后lm_init调用 deflate()。
　　deflate() gzip的LZ77的实现主要deflate()中。