Wyodrębnij plik ZSTD

ZSTD, skrót od Zstandard, to szybki i wydajny algorytm kompresji bezstratnej i format pliku opracowany przez Yann Collet w Facebooku. Został zaprojektowany tak, aby zapewniać wysokie współczynniki kompresji przy jednoczesnym zachowaniu szybkości kompresji i dekompresji, co czyni go odpowiednim do scenariuszy kompresji w czasie rzeczywistym i kompresji dużych zestawów danych.

Format ZSTD opiera się na połączeniu szybkiego etapu entropii i wydajnego etapu kompresji bezstratnej. Etap entropii wykorzystuje kodowanie entropii skończonego stanu (FSE) i kodowanie Huffmana, podczas gdy etap kompresji bezstratnej wykorzystuje wariant algorytmu LZ77 zwany kompresją słownikową Zstandard (ZDIC).

Jedną z kluczowych cech ZSTD jest jego zdolność do tworzenia i wykorzystywania słownika podczas kompresji. Słownik to wstępnie udostępniony zestaw danych, którego zarówno kompresor, jak i dekompresor używają do poprawy współczynników kompresji. ZSTD obsługuje dwa typy słowników: słowniki zdefiniowane przez zawartość i słowniki dostarczone przez użytkownika.

Słowniki zdefiniowane przez zawartość są automatycznie generowane przez kompresor ZSTD na podstawie danych wejściowych. Kompresor analizuje dane w celu zidentyfikowania powtarzających się wzorców i konstruuje słownik, który reprezentuje te wzorce. Słownik jest następnie używany podczas kompresji w celu zastąpienia powtarzających się wzorców odniesieniami do słownika, co skutkuje wyższymi współczynnikami kompresji.

Z drugiej strony słowniki dostarczone przez użytkownika są tworzone przez użytkownika i mogą być udostępniane między wieloma skompresowanymi plikami. Słowniki te są przydatne podczas kompresji podobnych lub powiązanych danych, ponieważ pozwalają kompresorowi wykorzystać istniejącą wcześniej wiedzę o wzorcach danych. Słowniki dostarczone przez użytkownika mogą znacznie poprawić współczynniki kompresji, szczególnie w przypadku małych plików lub plików ze wspólnymi strukturami danych.

ZSTD obsługuje wiele poziomów kompresji, od 1 do 22, przy czym wyższe poziomy oferują lepsze współczynniki kompresji kosztem wolniejszej prędkości kompresji. Domyślny poziom kompresji to 3, który zapewnia dobry balans między współczynnikiem kompresji a szybkością. ZSTD zawiera również specjalny poziom kompresji zwany „ultra”, który oferuje najwyższy współczynnik kompresji, ale ze znacznym wzrostem czasu kompresji.

Format ZSTD składa się z nagłówka, po którym następuje jedna lub więcej skompresowanych ramek. Nagłówek zawiera metadane dotyczące skompresowanych danych, takie jak identyfikator słownika, rozmiar okna i liczba ramek. Każda skompresowana ramka jest niezależna i może być dekompresowana osobno, co umożliwia równoległą dekompresję i losowy dostęp do skompresowanych danych.

Skompresowane ramki w ZSTD wykorzystują kombinację bloków literałów i bloków sekwencji. Bloki literałów zawierają surowe, nieskompresowane dane, podczas gdy bloki sekwencji zawierają odniesienia do słownika lub wcześniej widzianych danych. Bloki sekwencji są kodowane za pomocą kodowania FSE lub Huffmana w celu zminimalizowania rozmiaru odniesień.

ZSTD wykorzystuje kilka technik w celu poprawy wydajności i szybkości kompresji. Jedną z takich technik jest użycie tablicy skrótów do szybkiego lokalizowania pasujących sekwencji w słowniku lub wcześniej widzianych danych. Tablica skrótów jest stale aktualizowana, gdy kompresor przetwarza dane wejściowe, co umożliwia wydajne wyszukiwanie potencjalnych dopasowań.

Inną techniką optymalizacji stosowaną przez ZSTD jest strategia leniwego dopasowywania. Zamiast natychmiast kodować dopasowanie, kompresor kontynuuje wyszukiwanie dłuższych dopasowań. Jeśli zostanie znalezione dłuższe dopasowanie, kompresor może zamiast tego zakodować dłuższe dopasowanie, co skutkuje lepszymi współczynnikami kompresji.

ZSTD zawiera również szybki tryb zwany „dopasowywaniem długodystansowym” (LDM), który umożliwia wykrywanie dopasowań długodystansowych. LDM wykorzystuje drugorzędną tablicę skrótów do przechowywania dopasowań, które są daleko od siebie w danych wejściowych. Biorąc pod uwagę te dopasowania długodystansowe, ZSTD może poprawić współczynniki kompresji dla niektórych typów danych, takich jak dane wysoce powtarzalne lub okresowe.

Oprócz możliwości kompresji, ZSTD zapewnia również wykrywanie i korekcję błędów poprzez użycie sum kontrolnych. Każda skompresowana ramka zawiera sumę kontrolną nieskompresowanych danych, co pozwala dekompresorowi zweryfikować integralność danych podczas dekompresji. Jeśli zostanie wykryty błąd, ZSTD może spróbować go odzyskać, odrzucając uszkodzoną ramkę i kontynuując z następną ramką.

ZSTD zyskał szerokie zastosowanie dzięki swojej imponującej wydajności i elastyczności. Jest używany w różnych aplikacjach, w tym w systemach przechowywania danych, silnikach baz danych, rozwiązaniach do tworzenia kopii zapasowych i protokołach przesyłania danych. Wiele popularnych formatów plików, takich jak Zstandard Archive (ZSTD), Zstandard Seekable Format (ZST) i Zstandard Dictionary Format (ZDICT), opiera się na kompresji ZSTD.

Jedną z zalet ZSTD jest jego kompatybilność z szeroką gamą platform i języków programowania. Referencyjna implementacja ZSTD jest napisana w języku C i jest wysoce przenośna, co pozwala na jej używanie w różnych systemach operacyjnych i architekturach. Ponadto dostępnych jest wiele powiązań i portów ZSTD dla różnych języków programowania, co ułatwia integrację kompresji ZSTD z istniejącymi aplikacjami.

ZSTD zapewnia również narzędzie interfejsu wiersza poleceń (CLI), które pozwala użytkownikom kompresować i dekompresować pliki za pomocą ZSTD. Narzędzie CLI obsługuje różne opcje i parametry, takie jak ustawianie poziomu kompresji, określanie słownika i dostosowywanie wykorzystania pamięci. Narzędzie CLI jest szczególnie przydatne do kompresji i dekompresji plików w środowiskach wsadowych lub skryptowych.

Podsumowując, ZSTD jest wysoce wydajnym i wszechstronnym algorytmem kompresji i formatem pliku, który oferuje szybkie prędkości kompresji i dekompresji, wysokie współczynniki kompresji oraz możliwość wykorzystania słowników w celu poprawy wydajności. Połączenie szybkości i wydajności kompresji sprawia, że jest odpowiedni do szerokiej gamy zastosowań, od kompresji w czasie rzeczywistym po kompresję dużych zestawów danych. Dzięki rozbudowanemu zestawowi funkcji, kompatybilności z platformą i rosnącej adopcji, ZSTD stał się popularnym wyborem do kompresji danych w różnych domenach.