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LZ4 是一种无损数据压缩算法#xff0c;由 Yann Collet 设计。它的目标是极快的压缩/解压速度#xff0c;同时保持相对合理的压缩率。LZ4 多用于需要实时或高效数据处理的场景#xff0c;比如数据库日志压缩、网络数据传输、嵌入式设备等。 二、…一、什么是LZ4LZ4是一种无损数据压缩算法由 Yann Collet 设计。它的目标是极快的压缩/解压速度同时保持相对合理的压缩率。LZ4 多用于需要实时或高效数据处理的场景比如数据库日志压缩、网络数据传输、嵌入式设备等。二、LZ4的基本思想LZ4 属于LZ77 系列如 zlib/Deflate。它的核心思想用指针引用已出现过的数据块来代替重复数据以减少存储空间。重点是高速度优先于压缩率因此LZ4实现中对结构和查找过程做了很多简化。三、数据格式与编码流程LZ4的数据分成一个一个block来处理每个block内部由多个**sequence序列**组成。每个sequence一般分为两部分一段Literals原始未压缩数据一个Match对之前数据的引用1Token 字节每个sequence以一个Token字节开始高四位4bit表示Literals的长度literals length, 0~15低四位4bit表示Match的长度match length, 0~15如果长度超过15则采用“扩展方式”用额外的字节表示长度逐字节累加直到遇到 255 的字节如152552553528。2Literals 区紧接在Token之后如果有literals则直接写入这些原始数据字节。3Match Offset如果有match则写入2字节的offset表示这一块内容在已经解码的数据中的偏移最多65535字节LZ4也有支持更大的版本。4Match长度扩展match的最短长度为4如果match length在Token低四位大于15用扩展编码同Literals的方式。match长度实际值 match_length 4。例子假如Token字节为0x42:高4位0x4 (4) → 4字节literals低4位0x2 (2) → 2字节match (实际match长度246)四、查找与滑动窗口LZ4压缩时会为窗口里的每个位置建立哈希通常是4字节块映射以加快查找重复内容的速度。当扫描时查找当前数据块在“已读部分缓冲区”是否有完全一致的匹配通常长度4字节起。有则编码为match否则继续输出 literals。LZ4通常只编码4字节的重复太短的不编码以加快速度。五、解压流程解压时只需按顺序处理读Token拆出literals长度和match长度。复制literals到输出。如果有match读2字节offset从已解码的输出缓冲区按照offset和match长度复制数据到当前输出位置。重复以上步骤直到数据块结束。六、优缺点优点极快极低的CPU消耗和延迟。简洁无复杂表构建或后处理。可流式处理。易于实现算法和格式简单。缺点压缩率一般通常低于zlib/gzip等。不能直接利用远距离相同内容窗口较小。七、伪代码简要# 压缩 (伪代码) i 0 while i 数据长度: 找到最大重复块 (长度 4) 输出 Token 输出 Literals 数据 输出 Offset 输出 Match长度扩展字节如需要 i literals长度 match长度八、核心数据结构与工作流程1. 哈希查找LZ4采用哈希表进行窗口查找。窗口大小通常为64KB65536字节因为offset字段是2字节。哈希函数取4字节内容通过一个快速哈希函数定位到表项。这样可以迅速找到是否有重复的内容。例如伪代码uint32_t hash hash32(*(uint32_t*)input[pos]); int match_pos hash_table[hash];2. 序列划分每次编码遇到重复内容就输出一个sequence否则只输出literals。Literals部分长度不定。Match部分要求长度至少4字节。九、Token扩展编码细节1. Literals长度扩展如果Literals长度n 15则Token高4位为15后跟若干字节每字节最大255累加直到补全n。while(literal_len 255) { write(255); literal_len - 255; } write(literal_len); // 最后一个字节2. Match长度扩展同理Match长度实际是(Token低4位) 4如果Match长度 19要扩展match_len - 15; while(match_len 255) { write(255); match_len - 255; } write(match_len);十、性能与实现优化1. 快速匹配通过哈希减少全窗口查找时间。LZ4避免了冗长的最长匹配查找只要求找到第一个匹配即可。2. 序列化处理LZ4能高效分批处理大块数据适合流式处理。每个block可以独立解码。3. 多核支持LZ4的无状态设计方便多线程并行压缩各个block。4. SIMD加速现代LZ4实现如lz4_fast用SIMD指令加速字节比较和复制非常快。十一、变体和扩展1. LZ4 Frame 格式LZ4不仅有block级别lz4_block还有frame级lz4_frame嵌入了魔术数压缩属性block size、checksum etc多block处理校验和更适合文件或流式存储。2. 高压缩模式LZ4_HCLZ4_HC采取更复杂的最长匹配查找压缩率接近zlib但速度较慢。用法很类似优先级不同。十二、常见应用场景日志压缩数据库快照网络传输RPC/GRPC数据包文件/图片快速压缩游戏与嵌入式设备十三、实用示例C代码片段// 伪代码简化版 while (pos input_end) { match_pos find_match(input, pos); if (match_pos match_len 4) { // 写入Token: [literals_len][match_len] output_token(literals_len, match_len); output_literals(input[pos-literals_len:pos]); output_offset(pos-match_pos); pos match_len; literals_len 0; } else { literals_len 1; pos 1; } }十四、压缩/解压原理小结压缩扫描输入找重复块编码为offset和长度没有则输出原数据。解压按序读Token输出原始数据并复制匹配内容简单高效。十五、更多资料LZ4源码Chttps://github.com/lz4/lz4LZ4 Frame格式全解LZ4 Frame format官方技术博客https://fastcompression.blogspot.com总结LZ4是一种简单、快速的压缩算法适合高吞吐/低延迟场景核心就是用滑动窗口查找重复串并替换为指针数据序列用TokenLiteralsMatch格式编码。