LZ4Fast-html

jujusharp  •  May 13, 2019 11:59:34 AM

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LZ4

LZ4是一种无损数据压缩算法,着重于压缩和解压的速度,并且应用广泛。在Hadoop、Linux内核、文件系统都有应用,而在Lucene中,则是使用LZ4对倒排表的数据以及词向量(termVector)进行压缩存储。在本篇文章中,介绍LZ4Fast的压缩逻辑在Lucene中的Java实现。

Lucene中提供了两种LZ4的算法实现,分别是LZ4Fast跟LZ4High:

LZ4Fast

本文介绍的就是LZ4Fast,它是原生的LZ4算法的实现,性能跟内存开销小于LZ4High,最多使用16KB的内存。

LZ4High

LZ4High相比较LZ4Fast,它的压缩速度较慢,并且占用更多的内存(每个线程占用~256KB),但是它提供了更高的压缩比,处理很大的数据时更能体现压缩比的优势。可能会随后的博客中更新:)。

压缩过程分为两步

步骤一:计算hash,找到相同的数据区间
步骤二:将相同的数据区间进行压缩存储

我们通过一个例子,来介绍LZ4Fast的压缩的实现: 图1:

图2:

找到第一个锚点(anchor)

刚开始处理时,下标值为0的地方为第一个锚点

找到第二个锚点(anchor)

第一个锚点的值为0,我们最终目的是获得第二个锚点的值,第二个锚点跟第一个锚点之间的数据进行压缩处理。在这个区间的数据,有两个子区间的数据是一样的,那么需要对这两个子区间进行压缩存储。由于注意的是,两个字区间可能有重叠部分。

处理下标值为0的数组元素

图3:

encodeArray[] 数组是经过压缩处理的数组。 取出下标值为0以及后面的三个数组元素,4个字节组成一个int类型的数值,对这个数值进行散列,如果发生冲突,说明可能之前散列过相同的值,由于这里是第一个数据,所以不会发生这种情况。

处理下标值为1的数组元素

图4:

同上一步操作,类似滑动窗口的操作,窗口大小为4个字节,每一次右移一个字节,然后我们计算下标值1~下标值4的数组元素组成的int值,同样进行散列。

处理下标值为2、3、4的数组元素

同样的,还是没有发生hash冲突。

处理下标值为5的数组元素

图5:

此时发生冲突,由于不同的值可能会有相同的hash值,所以这里还要继续判断下标值0~3的数组元素对应的int值是否跟下标值5~8的数组元素对应的int值是否一样。在这里,的确这两个区间R1、R2的数据是一模一样的,那么需要开始进行压缩存储。

找出相同数据的最大区间

目前我们找到了 数组中下标值0~3跟 5~8两个相同的区间R1、R2,接着扩大这两个区间,直到满足两个区间数据相同,且是最大的区间。 图6:

注意的是,这里两个区间有重叠的区域,即下标值5~9的区域。

计算token值

matchOff:

xxxxxxxxxx
该值是相同数据区间R2的第一个元素的下标值,即5。

literalLen:

xxxxxxxxxx
由于直到matchOff位置才开始有相同的数据区间,所以anchor(当前值0)至matchOff的区间的数据需要原封不动的写入到encodeArray[]数组中,而literalLen代表了这段数据的长度。matchOff与anchor的差值就是literalLen,即 literalLen = matchOff- anchor,当前锚点anchor的值Wie0,所以literalLen的值为5。

matchLen:

xxxxxxxxxx
matchLen描述了两个相同区间R1跟R2相同数据的个数,即 10。

token值是literalLen跟matchLen的组合值,利用组合存储

xxxxxxxxxx
final int token = (Math.min(literalLen, 0x0F) << 4) | Math.min(matchLen - 4, 0x0F);
xxxxxxxxxx
当前的literalLen跟matchLen-4的值没有大于0x0F,所以token = (5 << 4) | (10 - 4), 即 86,二进制就是0b01010110。后面的处理过程中会有literalLen跟matchLen-4的值大于0x0F的情况。

matchDec:

xxxxxxxxxx
matchDec是R2跟R1的两个区间第一个元素所在下标值的差值,即 5 - 0 = 5。这个值在解压的时候会作为遍历的一个条件。由于matchDec是个int类型,并且这个值不会大于(1 << 16),所以需要两个字节分别存储低8位跟高8位在解压时,根据matchDec跟matchLen的大小,恢复数据的过程略有不同,后面会介绍。
写入token值、anchor至matchOff的数据、matchDec

图7:

上图中 原始数据即anchor至matchOff之间的数据。

找到第三个锚点(anchor)

上面的流程结束后,更新第二个锚点的值为15。按照同样的逻辑找到第三个锚点。

处理下标值为15~41的数组元素

都没有发生hash冲突的情况。

处理下标值为42的数组元素

图8:

此时发生冲突,由于不同的值可能会有相同的hash值,所以这里还要继续判断下标值1~4的数组元素对应的int值是否跟下标值42~45的数组元素对应的int值是否一样。在这里,的确这两个区间R1、R2的数据是一模一样的,那么需要开始进行压缩存储。

找出相同数据的最大区间

然后下标值5跟下表值46的数组元素就不相同了,所以相同数据的最大区间如下图的R1跟R2 图9:

计算token值

matchOff:

xxxxxxxxxx
该值是相同数据区间R2的第一个元素的下标值,即42。

literalLen:

xxxxxxxxxx
由于直到matchOff位置才开始有相同的数据区间,所以anchor(当前值15)至matchOff的区间的数据需要原封不动的写入到encodeArray[]数组中,而literalLen代表了这段数据的长度。matchOff与anchor的差值就是literalLen,即 literalLen = matchOff- anchor,当前锚点anchor的值为15,所以literalLen的值为27。

matchLen:

matchLen描述了两个相同区间R1跟R2相同数据的个数,即 4。

token值是literalLen跟matchLen的组合值,利用组合存储

final int token = (Math.min(literalLen, 0x0F) << 4) | Math.min(matchLen - 4, 0x0F);
当前的literalLen大于0x0F ,所以token = (15 << 4) | (4 - 4), 即 240,二进制就是0b11110000。

matchDec:

matchDec是R2跟R1的两个区间第一个元素所在下标值的差值,即 42 - 1 = 41。这个值在解压的时候会作为遍历的一个条件。由于matchDec是个int类型,并且这个值不会大于(1 << 16),所以需要两个字节分别存储低8位跟高8位在解压时,根据matchDec跟matchLen的大小,恢复数据的过程略有不同,后面会介绍。
写入token值、anchor至matchOff的数据、matchDec

图10:

注意encodeArray[]数组中下标值为9的数组元素,由于token值只有高4位用来表示原始数据的长度,即最大值为15,所以literalLen的值超出的部分需要额外的一个字节存储,当前literalLen的值为27,所以额外的值为 27 - 15 = 12。

找到第四个锚点(anchor)

上面的流程结束后,更新第三个锚点的值为46。按照同样的逻辑找到第四个锚点

处理下标值为46的数组元素

图11:

找出相同数据的最大区间

图12:

计算token值

matchOff:

该值是相同数据区间R2的第一个元素的下标值,即46。

literalLen:

由于直到matchOff位置才开始有相同的数据区间,所以anchor(当前值46)至matchOff的区间的数据需要原封不动的写入到encodeArray[]数组中,而literalLen代表了这段数据的长度。matchOff与anchor的差值就是literalLen,即 literalLen = matchOff- anchor,当前锚点anchor的值为46,所以literalLen的值为0。说明不用写原始数据到encodeArray[]数组中

matchLen:

matchLen描述了两个相同区间R1跟R2相同数据的个数,即 22。

token值是literalLen跟matchLen的组合值,利用组合存储

final int token = (Math.min(literalLen, 0x0F) << 4) | Math.min(matchLen - 4, 0x0F);
当前的matchLen为22,大于0x0F ,所以token = (0 << 4) | 15, 即 15,二进制就是0b00001111。matchLen多出来的部分需要再用一个字节存储。

matchDec:

matchDec是R2跟R1的两个区间第一个元素所在下标值的差值,即 46 - 15 = 31。这个值在解压的时候会作为遍历的一个条件。由于matchDec是个int类型,并且这个值不会大于(1 << 16),所以需要两个字节分别存储低8位跟高8位在解压时,根据matchDec跟matchLen的大小,恢复数据的过程略有不同,后面会介绍。

图13:

注意encodeArray[]数组中下标值为42的数组元素,由于token值只有低4位用来表示原始数据matchLen的长度,即最大值为15,所以matchLen的值超出的部分需要额外的一个字节存储,当前matchLen的值为22,所以额外的值为 22 - 15 - 4 = 3。 另外literalLen的值为0,说明这个区间内的数据已经存储过了。

最后5个字节的处理

最后5个字节在上面的流程中不会被处理,LZ4Fast算法会对最后5个字节单独处理。上面的流程结束后,更新第三个锚点的值为68。同样需要存储token,不过token的值的计算方式为

final int token = Math.min(literalLen, 0x0F) << 4;
计算token值

还有最后5个字节,所以literalLen的值为5,所以token的值为 (5 << 4)= 80。

写入token值、最后5个字节的原始数据

图14:

至此,array[]数组压缩成encodeArray[]数组的过程结束。

压缩后的数据结构如下:

图15:

本文通过一个例子实现了LZ4Fast的压缩过程,由于篇幅原因上文中如何计算hash的过程并没有给出,并且没有理解源码中提供的hash函数的含义,以及为什么要留最后的5个字节单独处理。在随后的博客中,会介绍解压过程。

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