Facebook 开源新的压缩算法，性能超 zlib

近日，Facebook开源了新的压缩算法 Zstandard 1.0 。据 Facebook 工程师 Yann Collet 和 Chip Turner 介绍，该算法是少数能够在性能和效率方面超过 zlib 的压缩算法之一，而后者当前是“占统治地位的标准”。Facebook Zstandard 利用了 Collet 之前所做的工作。Collet 是 LZ4 的作者，他在 2015 年发布了其新算法的第一个版本。

Facebook 的基准测试显示，在任意压缩率和压缩带宽组合下，Zstandard 的性能都要高于 zlib。

特别地，当使用标准无损压缩语料库 Silesia 时，相比 zlib，Zstandard 展示了出色的性能：

• 在压缩率相同的情况下，它的速度快大约 3 到 5 倍；
• 在压缩速度相同的情况下，它生成的文件小 10% 到 15%；
• 不管压缩率多大，它解压缩的速度都要快 2 倍；
• 它的最大压缩率要高许多（大约为 4 比 3.15）。

Zstandard 使用了有限状态熵，并以 Jarek Duda 在熵编码非对称数字系统（ANS）方面的工作为基础。ANS 的目标是“避免在压缩速度和压缩率之间进行取舍”，它既可以用于精确编码，也可以用于快速编码，并且支持数据加密。但是，从根本上讲，Zstandard 之所以提供了更好的性能是因为它的多项设计和实现选择。

• zlib 受一个 32KB 的窗口限制，而 Zstandard 并没有任何固有的限制，它可以更充分地利用现代环境中的内存，包括移动和嵌入式环境。
• 一个新的 Huffman 解码器 Huff0 。它可以借助多个 ALU 并行解码符号，减少算术操作之间的依赖。
• Zstandard 设法尽量减少分支，从而将因为分支预测错误而导致的、开销很高的管道清理最小化。下面的例子展示了如何在不使用分支的情况下重写 while 循环：

 /* 经典版本 */
 while (nbBitsUsed >= 8) { /* 每个 while 测试都是一个分支 */
   accumulator <<= 8;
   accumulator += *byte++;
   nbBitsUsed  -= 8;
 }
 
 /* 无分支版本 */
 nbBytesUsed = nbBitsUsed >> 3;
 nbBitsUsed &= 7;
 ptr += nbBytesUsed;
 accumulator = read64(ptr);
 

• 对于差别只有几个字节的序列，重复码建模极大地改善了压缩。

Zstandard 是使用 C 语言编写的。它既是一个命令行工具，也是一个库。它提供了 20 多个压缩级别，让用户可以根据具体可用的硬件、待压缩的数据和待优化的瓶颈进行仔细地调整。Facebook 建议开始时使用默认级别 3。该级别适合大多数情况。然后，可以尝试 9 以下的级别，合理地平衡速度和空间，或者使用更高的级别获得更高的压缩率，而 20 以上的级别则适合那些你不关心压缩速度的情况。

对于 Zstandard 的未来版本会带来什么特性，Collet 和 Turner 也提供了一些信息，其中包括支持多线程，以及可以提供更快压缩速度和更高压缩率的新的压缩级别。

Zstandard 是继苹果的 ZLFSE 和谷歌的 Brotli 之后的又一个开源压缩算法。ZLFSE 和 Brotli 都是开源的，每一种算法都针对特定的应用场景进行了优化：Brotli 似乎为实现 Web 资产和 Android APK 的高压缩率进行了优化，而LZFSE 的目标是，在压缩率相同的情况下，提供比zlib 更快的压缩速度和更低的电量消耗。

查看英文原文： Facebook Open-Sources New Compression Algorithm Outperforming Zlib