壓縮算法的類型和應(yīng)用

1 概述

壓縮算法是一種通過(guò)減少數(shù)據(jù)量來(lái)節(jié)省存儲(chǔ)空間或傳輸數(shù)據(jù)的技術(shù)。壓縮算法可以分為兩種類型：有損壓縮和無(wú)損壓縮。
有損壓縮算法會(huì)犧牲一定的數(shù)據(jù)精度或質(zhì)量，在壓縮數(shù)據(jù)的同時(shí)丟失一些信息。這種算法適用于音頻、視頻等多媒體數(shù)據(jù)，例如JPEG和MP3等格式。
無(wú)損壓縮算法則能夠完全還原原始數(shù)據(jù)，不會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失。這種算法適用于需要準(zhǔn)確還原數(shù)據(jù)的場(chǎng)景，如文檔、代碼等，例如ZIP和GZIP等格式。
常見(jiàn)的壓縮算法包括哈夫曼編碼、Lempel-Ziv算法、Run-Length Encoding（RLE）等。這些算法通過(guò)不同的方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼和解碼，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮和解壓縮的目的。

2 壓縮算法的應(yīng)用

壓縮算法在各種領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，包括但不限于以下幾個(gè)方面：
文件傳輸和存儲(chǔ)：壓縮算法可以減少文件的大小，使文件傳輸更加高效快速。在網(wǎng)絡(luò)傳輸、電子郵件附件、云存儲(chǔ)等場(chǎng)景下，壓縮算法可以節(jié)省帶寬和存儲(chǔ)空間。
多媒體數(shù)據(jù)：音頻、視頻等多媒體數(shù)據(jù)通常是體積較大的，使用壓縮算法可以減少文件大小，提高數(shù)據(jù)的傳輸速度和播放效果。常見(jiàn)的視頻壓縮算法包括H.264、HEVC等；音頻壓縮算法包括MP3、AAC等。
數(shù)據(jù)庫(kù)壓縮：在數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)通常存儲(chǔ)在磁盤上，通過(guò)壓縮算法可以減少數(shù)據(jù)占用的存儲(chǔ)空間，并提高數(shù)據(jù)庫(kù)的性能和響應(yīng)速度。
圖像處理：在數(shù)字圖像處理中，壓縮算法可以減小圖像文件的大小，在圖像傳輸和存儲(chǔ)中起到重要作用。常見(jiàn)的圖像壓縮算法包括JPEG、PNG等。
網(wǎng)頁(yè)內(nèi)容壓縮：為了減少網(wǎng)頁(yè)加載時(shí)間和用戶訪問(wèn)流量，網(wǎng)站通常會(huì)使用壓縮算法對(duì)HTML、CSS、JavaScript等網(wǎng)頁(yè)內(nèi)容進(jìn)行壓縮，提高用戶體驗(yàn)和網(wǎng)站性能。
總的來(lái)說(shuō)，壓縮算法在信息技術(shù)領(lǐng)域的各個(gè)方面都有廣泛的應(yīng)用，可以有效地節(jié)省存儲(chǔ)空間、提高數(shù)據(jù)傳輸效率和優(yōu)化性能。

3適合ARM跑的壓縮算法

ARM架構(gòu)是一種廣泛應(yīng)用于移動(dòng)設(shè)備、嵌入式系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中的處理器架構(gòu)。在運(yùn)行在ARM處理器上的設(shè)備或系統(tǒng)上選擇合適的壓縮算法，需要考慮算法的性能、資源消耗和適應(yīng)性。
以下是一些適合與ARM跑的壓縮算法：
Zstandard（Zstd）：Zstandard是一種快速的壓縮算法，性能優(yōu)秀，并且可以在ARM處理器上高效運(yùn)行。它具有適應(yīng)性強(qiáng)，可以在不同的場(chǎng)景下應(yīng)用，如數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)庫(kù)壓縮等。
LZ4：LZ4是一種高速壓縮算法，適合于需要快速壓縮和解壓的場(chǎng)景。它具有低延遲和高吞吐量的特點(diǎn)，適合在ARM處理器上運(yùn)行。LZ4是一種LZ系列壓縮算法，著重于壓縮和解壓的速度，壓縮率相對(duì)較低。LZ4壓縮率較低，算法復(fù)雜度和內(nèi)存消耗中等，但是壓縮和解壓速度，尤其是解壓速度遠(yuǎn)超其他算法。因?yàn)槠渚C合性能優(yōu)秀，在Linux、Android中的內(nèi)存壓縮技術(shù)一般使用LZ4壓縮算法。LZ4 HC，有著更好的壓縮率，但是算法復(fù)雜度大幅提升，且壓縮速度也大幅減慢，但是依然有著很好的解
Brotli：Brotli是由Google開(kāi)發(fā)的一種通用壓縮算法，特點(diǎn)是高壓縮率和較好的性能。它在文件傳輸、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)葓?chǎng)景下表現(xiàn)優(yōu)異，也可以在ARM處理器上高效運(yùn)行。
Snappy：Snappy是Google開(kāi)發(fā)的一種快速壓縮算法，適合于需要高速壓縮和解壓的場(chǎng)景。它在ARM處理器上表現(xiàn)優(yōu)秀，適用于數(shù)據(jù)傳輸、日志壓縮等應(yīng)用。
Deflate（如zlib）：Deflate是一種常見(jiàn)的無(wú)損壓縮算法，廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域。zlib是實(shí)現(xiàn)Deflate算法的一個(gè)流行庫(kù)，也可以在ARM處理器上使用，并具有較好的性能。
這些壓縮算法在ARM處理器上都有良好的性能表現(xiàn)，可以根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景和需求選擇合適的算法。值得注意的是，優(yōu)化算法的實(shí)現(xiàn)、調(diào)整參數(shù)和選擇合適的壓縮級(jí)別，也可以進(jìn)一步提高在ARM處理器上的性能表現(xiàn)。
Huffman霍夫曼(Huffman)編碼使用變長(zhǎng)編碼表對(duì)源符號(hào)進(jìn)行編碼，其中變長(zhǎng)編碼表是通過(guò)一種評(píng)估來(lái)源符號(hào)出現(xiàn)機(jī)率的方法得到的，出現(xiàn)機(jī)率高的字母使用較短的編碼，反之出現(xiàn)機(jī)率低的則使用較長(zhǎng)的編碼，這便使編碼之后的字符串的平均長(zhǎng)度、期望值降低，從而達(dá)到無(wú)損壓縮數(shù)據(jù)的目的。霍夫曼編碼使用的編碼表，使用霍夫曼樹(shù)來(lái)進(jìn)行存儲(chǔ)，讓出現(xiàn)概率最高的編碼最容易查找，以提升解碼速度。霍夫曼編碼算法的壓縮率分布在20%-90%，因?yàn)橐獟呙枵麄€(gè)數(shù)據(jù)來(lái)構(gòu)建霍夫曼樹(shù)，所以其壓縮速度較慢，且需要一定的內(nèi)存來(lái)存儲(chǔ)編碼表，但是解壓速度較快?；舴蚵乃惴◤?fù)雜度較簡(jiǎn)單。
RLE(Run Length Encoding)，也稱為行程編碼，壓縮算法是一種無(wú)損壓縮算法。算法特點(diǎn)：簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)。使用RLE壓縮方法可以將 RRRRRGGBBBBBBABCD 壓縮為 5R2G6B1A1B1C1D?；赗LE算法升級(jí)，可以將RRRRRGGBBBBBBABCD可以壓縮為b’x85Rx82Gx86Bx03ABCD’，0x85表示后面有5個(gè)相同的字符，0x03表示后面有3個(gè)不連續(xù)的字符。RLE的實(shí)現(xiàn)非常簡(jiǎn)單，針對(duì)一些圖片顏色少或重復(fù)字符多的文件有非常好的壓縮率，RLE的適用場(chǎng)景比較少，通用壓縮率較差。
LZ77是一種基于字典的算法，它將長(zhǎng)字符串（也稱為短語(yǔ)）編碼成短小的標(biāo)記，用小標(biāo)記代替字典中的短語(yǔ)，從而達(dá)到壓縮的目的。LZ77算法的壓縮率、速度、內(nèi)存消費(fèi)都是中等，但是代碼復(fù)雜度較低，適用于MCU的使用。
LZO壓縮算法采用(重復(fù)長(zhǎng)度L，指回距離D)代替當(dāng)前已經(jīng)在歷史字符串中出現(xiàn)過(guò)的字符串。LZO致力于解壓速度，不同的參數(shù)下的LZO壓縮率不同。LZO內(nèi)存消耗中等，解壓速度較快，壓縮速度較快，但是代碼復(fù)雜度較低，適用于Bootloader等追求壓縮率和解壓速度的場(chǎng)景。

4性能排序

在實(shí)際應(yīng)用中，不同的壓縮算法因?yàn)檫m用場(chǎng)景、數(shù)據(jù)類型、硬件平臺(tái)等因素的不同，其性能表現(xiàn)也會(huì)有所差異。以下是一些常見(jiàn)的壓縮算法按照一般趨勢(shì)的性能排序：
壓縮率（從高到低）：
有損壓縮：JPEG2000 > WebP > H.265 (HEVC) > H.264 (AVC) > JPEG
無(wú)損壓縮：FLIF > Brotli > Zstandard > LZMA (7-Zip) > DEFLATE (zlib)
壓縮速度（從快到慢）：
Snappy > LZ4 > Zstandard > Deflate (zlib) > Brotli
這里的快慢僅作為一般參考，具體情況因數(shù)據(jù)大小、數(shù)據(jù)類型、硬件性能等因素可能有所不同。
解壓速度（從快到慢）：
Snappy > LZ4 > Zstandard > Deflate (zlib) > Brotli
同樣，解壓速度也會(huì)受到實(shí)際場(chǎng)景的影響，不同算法適用于不同的應(yīng)用需求。
內(nèi)存消耗（從少到多）：
Snappy > LZ4 > Zstandard > Deflate (zlib) > Brotli
內(nèi)存消耗較低的壓縮算法可以在受限制的環(huán)境下更好地工作，如嵌入式設(shè)備等。

5 壓縮算法代碼示例

以下是一個(gè)簡(jiǎn)單的使用zlib庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮和解壓縮的C語(yǔ)言示例代碼：

```c

```c
#include 
#include 
#include 
#include 

#define CHUNK 16384

int compress_data(unsigned char* data, int data_len, unsigned char* compressed_data, int* compressed_len) {
    z_stream strm;
    strm.zalloc = Z_NULL;
    strm.zfree = Z_NULL;
    strm.opaque = Z_NULL;

    if(deflateInit(&strm, Z_BEST_COMPRESSION) != Z_OK) {
        return -1;
    }

    strm.avail_in = data_len;
    strm.next_in = data;
    strm.avail_out = *compressed_len;
    strm.next_out = compressed_data;

    int ret = deflate(&strm, Z_FINISH);
    *compressed_len = strm.total_out;

    deflateEnd(&strm);

    return ret == Z_STREAM_END ? 0 : -1;
}

int decompress_data(unsigned char* compressed_data, int compressed_len, unsigned char* decompressed_data, int* decompressed_len) {
    z_stream strm;
    strm.zalloc = Z_NULL;
    strm.zfree = Z_NULL;
    strm.opaque = Z_NULL;

    if(inflateInit(&strm) != Z_OK) {
        return -1;
    }

    strm.avail_in = compressed_len;
    strm.next_in = compressed_data;
    strm.avail_out = *decompressed_len;
    strm.next_out = decompressed_data;

    int ret = inflate(&strm, Z_NO_FLUSH);
    *decompressed_len = strm.total_out;

    inflateEnd(&strm);

    return ret == Z_STREAM_END ? 0 : -1;
}

int main() {
    unsigned char data[] = "Hello, this is a test message!";
    int data_len = strlen(data);

    int compressed_size = compressBound(data_len);
    unsigned char compressed_data[compressed_size];
    int compressed_len = compressed_size;

    if(compress_data(data, data_len, compressed_data, &compressed_len) == 0) {
        printf("Data compressed successfully!
");
        printf("Compressed data size: %d
", compressed_len);

        unsigned char decompressed_data[data_len];
        int decompressed_len = data_len;
        
        if(decompress_data(compressed_data, compressed_len, decompressed_data, &decompressed_len) == 0) {
            printf("Data decompressed successfully!
");
            printf("Decompressed data: %s
", decompressed_data);
        } else {
            printf("Error decompressing data!
");
        }
    } else {
        printf("Error compressing data!
");
    }

    return 0;
}

在這個(gè)示例代碼中，我們使用了zlib庫(kù)提供的函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮和解壓縮操作。壓縮函數(shù) compress_data 將輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，并將壓縮后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在 compressed_data 中，返回壓縮后的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度；解壓縮函數(shù) decompress_data 對(duì)壓縮后的數(shù)據(jù)進(jìn)行解壓縮，并將解壓縮后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在 decompressed_data 中，返回解壓縮后的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。在主函數(shù)中，我們對(duì)一個(gè)簡(jiǎn)單的字符串進(jìn)行壓縮和解壓縮操作，并輸出結(jié)果。

請(qǐng)注意，這段示例代碼使用了zlib庫(kù)，因此在編譯時(shí)需要鏈接zlib庫(kù)。在Linux系統(tǒng)下，可以使用 -lz 選項(xiàng)進(jìn)行鏈接。