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PWB フォーマットとは何ですか?
PWB（プログラマの作業台）
PKZアーカイブ形式は、PKWARE、Inc.によって開発された、ファイルやディレクトリをパッケージ化および圧縮するための独自の圧縮アーカイブ形式です。これは一般的にMicrosoft Windowsシステムで使用されますが、他のプラットフォームでも使用できます。この形式は、DEFLATE圧縮とさまざまな前処理フィルタを組み合わせて使用し、速度とメモリ使用量のバランスを取りながら高い圧縮率を実現します。
PKZアーカイブは、各ファイルの「ローカルファイルヘッダー」、オプションのアーカイブの復号化/暗号化ヘッダー、圧縮されたファイルデータブロック、中央ディレクトリ構造、および中央ディレクトリレコードの終了で構成されています。これにより、個々の圧縮ファイルへの高速アクセス、オプションの暗号化、データ整合性チェック、およびアーカイブされたファイルに関するメタデータを格納する機能が実現します。
各ローカルファイルヘッダーには、ファイル名、サイズ、タイムスタンプ、CRC-32チェックサム、および使用される圧縮方法などのファイルに関する情報が含まれています。ヘッダーは、暗号化、前処理フィルタ、パッチ適用、または複数のアーカイブにまたがるデータの分割など、ファイルに適用されるオプションの機能も指定します。ローカルヘッダーの後に、圧縮または格納されたファイルデータが続きます。
PKZは、DEFLATEが最も一般的なものを含む、いくつかの圧縮方法をサポートしています。DEFLATEは、LZ77圧縮とハフマン符号化を組み合わせたロスレスデータ圧縮アルゴリズムです。PKZIPは必要に応じて圧縮なしでファイルを格納することもできます。まれに、LZMAやBzip2などの他のレガシー圧縮方法が使用される場合があります。
DEFLATEでファイルを圧縮する前に、圧縮を向上させるためにさまざまな前処理フィルタを適用できます。これらには、シンボルサイズの縮小、冗長性を高めるためのバイトの入れ替え、実行可能ファイル用のBCJフィルタ、増分更新またはパッチ適用用のデルタフィルタなどの方法が含まれます。フィルタは、データがDEFLATEコンプレッサに渡される前に、圧縮プロセスの一部として適用されます。
データ整合性の検証のために、各ファイルはローカルヘッダーに非圧縮データのCRC-32チェックサムを記録します。同じチェックサムがファイルの中央ディレクトリエントリに記録されます。これにより、ファイルが正しく圧縮および解凍され、データが破損していないことを確認できます。
PKZアーカイブは、オプションで対称暗号化を使用してファイルデータとヘッダーを暗号化できます。古いバージョンではZipCryptoが使用されていましたが、新しいバージョンではAES暗号化が使用されています。暗号化する場合、選択した暗号化方法はアーカイブに記録され、各ファイルは独自のパスワードを指定できます。認証された暗号化は、暗号化されたデータの改ざんや破損を検出するために使用されます。
中央ディレクトリは圧縮されたファイルデータの後に続き、アーカイブの目次として機能します。メタデータ、ローカルヘッダーへのオフセット、およびファイルを解凍するために必要なその他の情報を含む、各ファイルのファイルヘッダーエントリが含まれています。エントリはファイル名 でソートされます。改ざんからさらに保護するために、オプションのデジタル署名を中央ディレクトリに適用できます。
最後に、中央ディレクトリレコードの終了はアーカイブファイルの終了を示します。中央ディレクトリ内のエントリの数、そのサイズとオフセット、およびコメントフィールドを格納します。複数のファイルに分割されたアーカイブの場合、他のアーカイブファイルを見つける方法に関する情報も含まれます。
PKZ形式により、アーカイブ全体を解凍する必要なく、アーカイブ内の個々のファイルに効率的にランダムアクセスできます。これは、中央ディレクトリを読み取り、目的のファイルエントリを見つけ、オフセットから特定のローカルファイルブロックを読み取って解凍することで行われます。複数のファイルも同時に開いて解凍できます。
PKZアーカイブを作成するには、ファイルを最初にフィルタリングして、ローカルファイルブロックに個別に圧縮します。中央ディレクトリエントリは、ローカルヘッダーとファイルメタデータから生成されます。必要に応じて、中央ディレクトリにデジタル署名が適用されます。最後に、中央ディレクトリを指す中央ディレクトリレコードの終了が書き込まれます。
PKZアーカイブの抽出は、中央ディレクトリエントリを見つけるために中央ディレクトリの終了を読み取ることから始まります。目的のファイルのエントリが見つかり、各エントリはローカルヘッダーを読み取り、指定されたオフセットから圧縮されたデータを読み取って解凍されます。暗号化は削除され、前処理フィルタは元に戻されて、元のファイルコンテンツが 取得されます。
PKZ形式の他の機能には、アーカイブを複数のファイル、ボリューム、またはセグメントに分割すること、Unicodeファイル名のサポート、NTFSファイルシステムの権限と属性、統合された更新/パッチ適用機能、デジタル署名、ハッシュダイジェスト、アプリケーション固有のデータなどの拡張可能なメタデータが含まれます。
全体として、PKZ形式はファイルを圧縮してパッケージ化するための効率的で柔軟なアーカイブ形式です。ファイルを個別に圧縮し、前処理フィルタを適用し、アーカイブ全体を処理せずに特定のファイルをすばやく抽出する機能により、ソフトウェアインストーラー、ファームウェアアップデート、ドキュメントなどのパッケージ化に適しています。暗号化、データ整合性チェック、デジタル署名のサポートにより、必要に応じて高いレベルのセキュリティを提供することもできます。
ファイル圧縮は冗長性を減らすことで、同じ情報がより少ないビットで済むようにします。どこまで圧縮できるかの上限は情報理論によって定められています。可逆圧縮の場合、その限界はソースのエントロピーです（シャノンの ソース符号化定理 と彼の1948年の独創的な論文 「通信の数学的理論」を参照）。非可逆圧縮の場合、レートと品質のトレードオフは レート歪み理論によって捉えられます。
2つの柱：モデリングとコーディング
ほとんどの圧縮プログラムには2つの段階があります。まず、モデルがデータ内の構造を予測または公開します。 次に、コーダーがそれらの予測をほぼ最適なビットパターンに変換します。古典的なモデリング ファミリーはレンペル–ジブです。 LZ77 (1977) とLZ78 (1978)は、繰り返される部分文字列を検出し、生のバイトの代わりに参照を出力します。 コーディング側では、 ハフマン符号化 （元の論文 1952を参照）は、より可能性の高いシンボルに短いコードを割り当てます。 算術符号化 と 範囲符号化 は、エントロピー限界に近づけるためのよりきめ細かい代替手段であり、現代の 非対称数系（ANS） は、高速なテーブル駆動の実装で同様の圧縮を実現します。
一般的なフォーマットが実際に何をしているか
DEFLATE（gzip、zlib、ZIPで使用）は 、LZ77とハフマン符号化を組み合わせたものです。その仕様は公開されています： DEFLATE RFC 1951、zlibラッパー RFC 1950、およびgzipファイル形式 RFC 1952。Gzipはストリーミング用にフレーム化されており、明示的に ランダムアクセスを提供しようとはしません。PNG画像は、PNG仕様書によれば、DEFLATEを唯一の圧縮方法として標準化しています（最大32 KiBのウィンドウ）。 「圧縮方法0… deflate/inflate… 最大32768バイト」 および W3C/ISO PNG第2版。
Zstandard (zstd): 非常に高速な 解凍で高い圧縮率を実現するために設計された、新しい汎用圧縮プログラムです。この形式は RFC 8878 （ HTMLミラーも参照）および参照仕様書 GitHubで文書化されています。gzipと同様に、基本フレームは ランダムアクセスを目的としていません。zstdのスーパーパワーの1つは辞書です。コーパスからの小さなサンプルで、多数の小さなファイルや類似のファイルで 圧縮を劇的に改善します（ python-zstandard辞書ドキュメント および Nigel Taoの実例を参照）。実装は、「非構造化」と「構造化」の両方の辞書を受け入れます （ディスカッション）。
Brotli: ウェブコンテンツ（例：WOFF2フォント、HTTP）に最適化されています。静的辞書と DEFLATEのようなLZ+エントロピーコアを組み合わせます。仕様は RFC 7932で、2WBITS−16のスライディングウィンドウ（WBITSは[10, 24]、1 KiB−16 Bから 16 MiB−16 Bまで）と、 ランダムアクセスを試みないことも記されています。Brotliは、ウェブテキストでgzipをしばしば上回り、高速にデコードします。
ZIPコンテナ: ZIPは、さまざまな圧縮方法 （deflate、store、zstdなど）でエントリを保存できるファイルアーカイブです。事実上の標準はPKWAREのAPPNOTEです（ APPNOTEポータル、 ホストされているコピー、およびLCの概要 ZIPファイル形式（PKWARE） / ZIP 6.3.3を参照）。
速度と圧縮率：フォーマットの位置づけ
LZ4は、控えめな圧縮率で生の速度を目標としています。その プロジェクトページ （「非常に高速な圧縮」）と フレーム形式を参照してください。メモリ内キャッシュ、テレメトリ、または解凍がRAM速度に近い必要があるホットパスに最適です。
XZ / LZMAは、比較的遅い圧縮で密度（優れた圧縮率）を追求します。XZはコンテナです。 重労働は通常、LZMA/LZMA2（LZ77のようなモデリング+範囲符号化）によって行われます。 .xzファイル形式、 LZMA仕様（Pavlov）、およびLinuxカーネルのメモ XZ Embeddedについてを参照してください。XZは通常、gzipを上回り、高圧縮率の最新コーデックとしばしば競合しますが、エンコード時間は遅くなります。
bzip2は、 Burrows–Wheeler変換（BWT）、move-to-front、RLE、およびハフマン符号化を適用します。通常、gzipよりも小さいですが遅いです。 公式マニュアル およびmanページ （Linux）を参照してください。
ウィンドウ、ブロック、ランダムアクセス
「ウィンドウサイズ」は重要です。DEFLATE参照は32 KiBしか遡れません （RFC 1951 およびPNGの32 KiBキャップ ここに記載）。Brotliのウィンドウは、約1 KiBから16 MiBの範囲です （RFC 7932）。Zstdは、レベルごとにウィンドウと検索深度を調整します （RFC 8878）。基本的なgzip/zstd/brotliストリームは、シーケンシャルデコード用に設計されています。基本形式は ランダムアクセスを約束しませんが、コンテナ（例：tarインデックス、チャンク化されたフレーミング、または形式固有のインデックス）でそれを階層化できます。
可逆対非可逆
上記の形式は可逆です。正確なバイトを再構築できます。メディアコーデックはしばしば非可逆です。 より低いビットレートを達成するために、知覚できない詳細を破棄します。画像では、古典的なJPEG（DCT、量子化、エントロピー 符号化）は ITU-T T.81 / ISO/IEC 10918-1で標準化されています。音声では、MP3（MPEG-1 Layer III）とAAC（MPEG-2/4）は、知覚モデルとMDCT変換に依存しています（ ISO/IEC 11172-3、 ISO/IEC 13818-7、およびMDCTの概要 こちらを参照）。非可逆と可逆は共存できます（例：UIアセット用のPNG、画像/動画/音声用のWebコーデック）。
実践的なヒント
- 仕事に合わせて選ぶ。 ウェブテキストとフォント： brotli。一般的なファイルとバックアップ： zstd （優れた解凍速度と、時間と圧縮率を交換するレベル）。超高速パイプとテレメトリ： lz4。エンコード時間が問題にならない長期アーカイブの最大密度： xz/LZMA。
- 小さなファイル？ zstd （ドキュメント） / （例）で辞書をトレーニングして配布します。何十もの小さな類似オブジェクトを劇的に縮小できます。
- 相互運用性。 複数のファイルを交換する場合は、コンテナ（ZIP、tar）と 圧縮プログラムを優先します。ZIPのAPPNOTEは、メソッドIDと機能を定義しています。 PKWARE APPNOTE およびLCの概要 こちらを参照してください。
- データで測定する。 圧縮率と速度はコーパスによって異なります。多くのリポジトリがベンチマークを公開しています（例： LZ4のREADMEはSilesiaコーパスを こちらで引用しています）が、常にローカルで検証してください。
主要な参考文献（詳細）
理論： シャノン 1948 · レート歪み · 符号化： ハフマン 1952 · 算術符号化 · 範囲符号化 · ANS. フォーマット： DEFLATE · zlib · gzip · Zstandard · Brotli · LZ4フレーム · XZ形式. BWTスタック： Burrows–Wheeler (1994) · bzip2マニュアル. メディア： JPEG T.81 · MP3 ISO/IEC 11172-3 · AAC ISO/IEC 13818-7 · MDCT.
結論：データと制約に合った圧縮プログラムを選択し、実際の入力で測定し、 辞書とスマートフレーミングによる利点を忘れないでください。適切な組み合わせで、 より小さなファイル、より速い転送、より軽快なアプリを手に入れることができます—正確さや移植性を犠牲にすることなく。
よくある質問
ファイルの圧縮とは何ですか？
ファイルの圧縮は、ファイルやファイルのサイズを減らすプロセスで、通常はストレージスペースを節約したり、ネットワークを介した伝送を高速化するために使用されます。
ファイルの圧縮はどのように機能しますか？
ファイルの圧縮は、データの冗長性を識別して削除することで機能します。それはアルゴリズムを使用して、元のデータをより小さいスペースでエンコードします。
ファイルの圧縮の種類は何ですか？
ファイルの圧縮の主要な2つのタイプはロスレス圧縮とロッシー圧縮です。ロスレス圧縮では、元のファイルを完全に復元することができますが、ロッシー圧縮ではデータ品質の若干の損失を伴うより大きなサイズの削減が可能になります。
ファイルの圧縮ツールの 例は何ですか？
ファイルの圧縮ツールの人気の例はWinZipで、ZIPとRARを含む複数の圧縮形式をサポートしています。
ファイルの圧縮はファイルの品質に影響しますか？
ロスレス圧縮では品質は変わりません。しかし、ロッシー圧縮では、それほど重要ではないデータを削除してファイルサイズをより大幅に削減するため、品質の低下が目立つことがあります。
ファイルの圧縮は安全ですか？
はい、データの整合性の面では、特にロスレス圧縮ではファイルの圧縮は安全です。しかし、他のファイルと同様に、圧縮ファイルはマルウェアやウイルスの標的になる可能性があるため、常に信頼することができるセキュリティソフトウェアを用意しておくことが重要です。
どの種類のファイルを圧縮できますか？
ほぼすべてのタイプのファイルが圧縮可能であり、テキストファイル、画像、音声、動画、ソフトウェアファイルなどがあります。ただし、圧縮可能なレベルは、ファイルタイプによって大幅に異なることがあります。
ZIPファイルとは何を意味しますか？
ZIPファイルは、1つ以上のファイルのサイズを減らすためにロスレス圧縮を使用するファイル形式の一種です。ZIPファイルの中の複数のファイルは、実質的に1つのファイルにまとめられるため、共有も簡単になります。
すでに圧縮されたファイルを圧縮することはできますか？
技術的にははい、ですが、さらなるサイズ縮小は最小限で、あるいは逆効果となる可能性があります。既に圧縮されたファイルを圧縮すると、圧縮アルゴリズムによって追加されたメタデータにより、そのサイズが増えることがあります。
ファイルを解凍するにはどうすればいいですか？
ファイルを解凍するには、通常、解凍ツールやアンジッパーといったツール、例えばWinZipや7-Zipが必要です。これらのツールは、圧縮形式から元のファイルを抽出することができます。