LZ4压缩算法块格式详解

前言

LZ4是一种高性能的无损数据压缩算法，以其极高的压缩和解压速度著称。本文将从技术实现角度深入解析LZ4的块格式(Block Format)规范，帮助开发者理解其核心设计原理和实现细节。

LZ4块格式概述

LZ4采用LZ77算法变种，具有固定字节导向的编码格式。其块格式设计遵循以下核心原则：

1. 简单性：避免复杂的熵编码后端和帧层设计
2. 高效性：优化处理速度，减少计算开销
3. 自包含性：每个压缩块可独立处理

压缩块结构详解

基本组成单元

LZ4压缩块由一系列**序列(sequence)**组成，每个序列包含：

• 字面量(literals)：未压缩的原始字节
• 匹配复制操作(match copy)：指向历史数据的引用

序列起始标记(Token)

每个序列以一个1字节的token开始，该标记分为两个4位字段：

1. 高4位：表示后续字面量的长度

   • 值<15：直接表示字面量长度(0-14)
   • 值=15：表示需要额外字节扩展长度

2. 低4位：表示匹配长度

   • 值<15：表示匹配长度为值+4(4-18)
   • 值=15：表示需要额外字节扩展长度

长度扩展机制

当字段值为15时，采用以下扩展方案：

1. 读取额外字节(0-255)
2. 将字节值累加到长度
3. 遇到255时继续读取下一个字节
4. 重复直到字节值<255

示例：长度280的编码过程：

1. 高4位=15
2. 第一个扩展字节=255
3. 第二个扩展字节=10
4. 总长度=15+255+10=280

偏移量(Offset)

匹配复制操作包含2字节的小端序偏移量：

• 表示匹配起始位置与当前位置的距离
• 有效范围：1-65535(0表示损坏块)
• 例如：offset=1表示复制前1字节的数据

块结束条件

LZ4块必须满足特定结束条件：

1. 最后一个序列必须只包含字面量(无匹配操作)
2. 最后5个字节必须为字面量
   • 特例：输入<5字节时整个输入作为字面量
3. 最后匹配必须开始于块结束前至少12字节

这些限制确保了与历史解码器的兼容性。

实现注意事项

元数据处理

LZ4块需要额外元数据：

• 压缩块大小
• 解压后大小上限
• 实际实现中这些信息通常由外部系统提供

长度处理

虽然格式未定义长度上限，但实现时需考虑：

• 64位寄存器：无实际限制
• 32位寄存器：安全上限约16MB
• 16位寄存器：易溢出，不推荐使用

建议实现至少支持：

• 最大长度：4MB
• 最大块大小：4MB

安全解码

处理外部数据时需注意：

1. 缓冲区溢出防护：严格检查读写边界
2. 偏移量验证：确保不越界(特别是前64KB数据)
3. 0偏移处理：必须视为错误条件
4. 重叠匹配：当matchlength > offset时的特殊处理

压缩技术

LZ4压缩核心是检测64KB窗口内的重复数据，实现策略包括：

• 全最优解析(full optimal parsing)：高CPU/内存开销，高压缩率
• 快速搜索：平衡速度与压缩率
• 哈希链：常用实现技术

性能特点

1. 压缩比：最大约250:1
2. 非压缩数据：会有约0.4%的膨胀
3. 最小块：独立块至少需要13字节才能压缩

结语

LZ4块格式通过精巧的设计在压缩效率和处理速度间取得了出色平衡。理解这些技术细节有助于开发者更好地实现和优化LZ4编解码器，或在特定应用场景中做出合理的技术选择。