]> git.lizzy.rs Git - zlib.git/blob - examples/enough.c
56ad63e9a237e8fbe1a7d1c79f566df3056450f6
[zlib.git] / examples / enough.c
1 /* enough.c -- determine the maximum size of inflate's Huffman code tables over
2  * all possible valid and complete Huffman codes, subject to a length limit.
3  * Copyright (C) 2007, 2008, 2012, 2018 Mark Adler
4  * Version 1.5  1 August 2018  Mark Adler
5  */
6
7 /* Version history:
8    1.0   3 Jan 2007  First version (derived from codecount.c version 1.4)
9    1.1   4 Jan 2007  Use faster incremental table usage computation
10                      Prune examine() search on previously visited states
11    1.2   5 Jan 2007  Comments clean up
12                      As inflate does, decrease root for short codes
13                      Refuse cases where inflate would increase root
14    1.3  17 Feb 2008  Add argument for initial root table size
15                      Fix bug for initial root table size == max - 1
16                      Use a macro to compute the history index
17    1.4  18 Aug 2012  Avoid shifts more than bits in type (caused endless loop!)
18                      Clean up comparisons of different types
19                      Clean up code indentation
20    1.5   1 Aug 2018  Clean up code style and formatting
21  */
22
23 /*
24    Examine all possible Huffman codes for a given number of symbols and a
25    maximum code length in bits to determine the maximum table size for zlib's
26    inflate. Only complete Huffman codes are counted.
27
28    Two codes are considered distinct if the vectors of the number of codes per
29    length are not identical. So permutations of the symbol assignments result
30    in the same code for the counting, as do permutations of the assignments of
31    the bit values to the codes (i.e. only canonical codes are counted).
32
33    We build a code from shorter to longer lengths, determining how many symbols
34    are coded at each length. At each step, we have how many symbols remain to
35    be coded, what the last code length used was, and how many bit patterns of
36    that length remain unused. Then we add one to the code length and double the
37    number of unused patterns to graduate to the next code length. We then
38    assign all portions of the remaining symbols to that code length that
39    preserve the properties of a correct and eventually complete code. Those
40    properties are: we cannot use more bit patterns than are available; and when
41    all the symbols are used, there are exactly zero possible bit patterns
42    remaining.
43
44    The inflate Huffman decoding algorithm uses two-level lookup tables for
45    speed. There is a single first-level table to decode codes up to root bits
46    in length (root == 9 in the current inflate implementation). The table has 1
47    << root entries and is indexed by the next root bits of input. Codes shorter
48    than root bits have replicated table entries, so that the correct entry is
49    pointed to regardless of the bits that follow the short code. If the code is
50    longer than root bits, then the table entry points to a second- level table.
51    The size of that table is determined by the longest code with that root-bit
52    prefix. If that longest code has length len, then the table has size 1 <<
53    (len - root), to index the remaining bits in that set of codes. Each
54    subsequent root-bit prefix then has its own sub-table. The total number of
55    table entries required by the code is calculated incrementally as the number
56    of codes at each bit length is populated. When all of the codes are shorter
57    than root bits, then root is reduced to the longest code length, resulting
58    in a single, smaller, one-level table.
59
60    The inflate algorithm also provides for small values of root (relative to
61    the log2 of the number of symbols), where the shortest code has more bits
62    than root. In that case, root is increased to the length of the shortest
63    code. This program, by design, does not handle that case, so it is verified
64    that the number of symbols is less than 2^(root + 1).
65
66    In order to speed up the examination (by about ten orders of magnitude for
67    the default arguments), the intermediate states in the build-up of a code
68    are remembered and previously visited branches are pruned. The memory
69    required for this will increase rapidly with the total number of symbols and
70    the maximum code length in bits. However this is a very small price to pay
71    for the vast speedup.
72
73    First, all of the possible Huffman codes are counted, and reachable
74    intermediate states are noted by a non-zero count in a saved-results array.
75    Second, the intermediate states that lead to (root + 1) bit or longer codes
76    are used to look at all sub-codes from those junctures for their inflate
77    memory usage. (The amount of memory used is not affected by the number of
78    codes of root bits or less in length.)  Third, the visited states in the
79    construction of those sub-codes and the associated calculation of the table
80    size is recalled in order to avoid recalculating from the same juncture.
81    Beginning the code examination at (root + 1) bit codes, which is enabled by
82    identifying the reachable nodes, accounts for about six of the orders of
83    magnitude of improvement for the default arguments. About another four
84    orders of magnitude come from not revisiting previous states. Out of
85    approximately 2x10^16 possible Huffman codes, only about 2x10^6 sub-codes
86    need to be examined to cover all of the possible table memory usage cases
87    for the default arguments of 286 symbols limited to 15-bit codes.
88
89    Note that an unsigned long long type is used for counting. It is quite easy
90    to exceed the capacity of an eight-byte integer with a large number of
91    symbols and a large maximum code length, so multiple-precision arithmetic
92    would need to replace the unsigned long long arithmetic in that case. This
93    program will abort if an overflow occurs. The big_t type identifies where
94    the counting takes place.
95
96    An unsigned long long type is also used for calculating the number of
97    possible codes remaining at the maximum length. This limits the maximum code
98    length to the number of bits in a long long minus the number of bits needed
99    to represent the symbols in a flat code. The code_t type identifies where
100    the bit pattern counting takes place.
101  */
102
103 #include <stdio.h>
104 #include <stdlib.h>
105 #include <string.h>
106 #include <assert.h>
107
108 #define local static
109
110 // Special data types.
111 typedef unsigned long long big_t;   // type for code counting
112 #define PRIbig "llu"                // printf format for big_t
113 typedef unsigned long long code_t;  // type for bit pattern counting
114 struct tab {                        // type for been here check
115     size_t len;         // length of bit vector in char's
116     char *vec;          // allocated bit vector
117 };
118
119 /* The array for saving results, num[], is indexed with this triplet:
120
121       syms: number of symbols remaining to code
122       left: number of available bit patterns at length len
123       len: number of bits in the codes currently being assigned
124
125    Those indices are constrained thusly when saving results:
126
127       syms: 3..totsym (totsym == total symbols to code)
128       left: 2..syms - 1, but only the evens (so syms == 8 -> 2, 4, 6)
129       len: 1..max - 1 (max == maximum code length in bits)
130
131    syms == 2 is not saved since that immediately leads to a single code. left
132    must be even, since it represents the number of available bit patterns at
133    the current length, which is double the number at the previous length. left
134    ends at syms-1 since left == syms immediately results in a single code.
135    (left > sym is not allowed since that would result in an incomplete code.)
136    len is less than max, since the code completes immediately when len == max.
137
138    The offset into the array is calculated for the three indices with the first
139    one (syms) being outermost, and the last one (len) being innermost. We build
140    the array with length max-1 lists for the len index, with syms-3 of those
141    for each symbol. There are totsym-2 of those, with each one varying in
142    length as a function of sym. See the calculation of index in map() for the
143    index, and the calculation of size in main() for the size of the array.
144
145    For the deflate example of 286 symbols limited to 15-bit codes, the array
146    has 284,284 entries, taking up 2.17 MB for an 8-byte big_t. More than half
147    of the space allocated for saved results is actually used -- not all
148    possible triplets are reached in the generation of valid Huffman codes.
149  */
150
151 /* The array for tracking visited states, done[], is itself indexed identically
152    to the num[] array as described above for the (syms, left, len) triplet.
153    Each element in the array is further indexed by the (mem, rem) doublet,
154    where mem is the amount of inflate table space used so far, and rem is the
155    remaining unused entries in the current inflate sub-table. Each indexed
156    element is simply one bit indicating whether the state has been visited or
157    not. Since the ranges for mem and rem are not known a priori, each bit
158    vector is of a variable size, and grows as needed to accommodate the visited
159    states. mem and rem are used to calculate a single index in a triangular
160    array. Since the range of mem is expected in the default case to be about
161    ten times larger than the range of rem, the array is skewed to reduce the
162    memory usage, with eight times the range for mem than for rem. See the
163    calculations for offset and bit in beenhere() for the details.
164
165    For the deflate example of 286 symbols limited to 15-bit codes, the bit
166    vectors grow to total approximately 21 MB, in addition to the 4.3 MB done[]
167    array itself.
168  */
169
170 // Globals to avoid propagating constants or constant pointers recursively.
171 struct {
172     int max;            // maximum allowed bit length for the codes
173     int root;           // size of base code table in bits
174     int large;          // largest code table so far
175     size_t size;        // number of elements in num and done
176     int *code;          // number of symbols assigned to each bit length
177     big_t *num;         // saved results array for code counting
178     struct tab *done;   // states already evaluated array
179 } g;
180
181 // Index function for num[] and done[].
182 #define INDEX(i,j,k) (((size_t)((i-1)>>1)*((i-2)>>1)+(j>>1)-1)*(g.max-1)+k-1)
183
184 // Free allocated space. Uses globals code, num, and done.
185 local void cleanup(void) {
186     size_t n;
187
188     if (g.done != NULL) {
189         for (n = 0; n < g.size; n++)
190             if (g.done[n].len)
191                 free(g.done[n].vec);
192         free(g.done);
193     }
194     if (g.num != NULL)
195         free(g.num);
196     if (g.code != NULL)
197         free(g.code);
198 }
199
200 // Return the number of possible Huffman codes using bit patterns of lengths
201 // len through max inclusive, coding syms symbols, with left bit patterns of
202 // length len unused -- return -1 if there is an overflow in the counting. Keep
203 // a record of previous results in num to prevent repeating the same
204 // calculation. Uses the globals max and num.
205 local big_t count(int syms, int len, int left) {
206     big_t sum;          // number of possible codes from this juncture
207     big_t got;          // value returned from count()
208     int least;          // least number of syms to use at this juncture
209     int most;           // most number of syms to use at this juncture
210     int use;            // number of bit patterns to use in next call
211     size_t index;       // index of this case in *num
212
213     // see if only one possible code
214     if (syms == left)
215         return 1;
216
217     // note and verify the expected state
218     assert(syms > left && left > 0 && len < g.max);
219
220     // see if we've done this one already
221     index = INDEX(syms, left, len);
222     got = g.num[index];
223     if (got)
224         return got;         // we have -- return the saved result
225
226     // we need to use at least this many bit patterns so that the code won't be
227     // incomplete at the next length (more bit patterns than symbols)
228     least = (left << 1) - syms;
229     if (least < 0)
230         least = 0;
231
232     // we can use at most this many bit patterns, lest there not be enough
233     // available for the remaining symbols at the maximum length (if there were
234     // no limit to the code length, this would become: most = left - 1)
235     most = (((code_t)left << (g.max - len)) - syms) /
236             (((code_t)1 << (g.max - len)) - 1);
237
238     // count all possible codes from this juncture and add them up
239     sum = 0;
240     for (use = least; use <= most; use++) {
241         got = count(syms - use, len + 1, (left - use) << 1);
242         sum += got;
243         if (got == (big_t)0 - 1 || sum < got)   // overflow
244             return (big_t)0 - 1;
245     }
246
247     // verify that all recursive calls are productive
248     assert(sum != 0);
249
250     // save the result and return it
251     g.num[index] = sum;
252     return sum;
253 }
254
255 // Return true if we've been here before, set to true if not. Set a bit in a
256 // bit vector to indicate visiting this state. Each (syms,len,left) state has a
257 // variable size bit vector indexed by (mem,rem). The bit vector is lengthened
258 // if needed to allow setting the (mem,rem) bit.
259 local int beenhere(int syms, int len, int left, int mem, int rem) {
260     size_t index;       // index for this state's bit vector
261     size_t offset;      // offset in this state's bit vector
262     int bit;            // mask for this state's bit
263     size_t length;      // length of the bit vector in bytes
264     char *vector;       // new or enlarged bit vector
265
266     // point to vector for (syms,left,len), bit in vector for (mem,rem)
267     index = INDEX(syms, left, len);
268     mem -= 1 << g.root;
269     offset = (mem >> 3) + rem;
270     offset = ((offset * (offset + 1)) >> 1) + rem;
271     bit = 1 << (mem & 7);
272
273     // see if we've been here
274     length = g.done[index].len;
275     if (offset < length && (g.done[index].vec[offset] & bit) != 0)
276         return 1;       // done this!
277
278     // we haven't been here before -- set the bit to show we have now
279
280     // see if we need to lengthen the vector in order to set the bit
281     if (length <= offset) {
282         // if we have one already, enlarge it, zero out the appended space
283         if (length) {
284             do {
285                 length <<= 1;
286             } while (length <= offset);
287             vector = realloc(g.done[index].vec, length);
288             if (vector != NULL)
289                 memset(vector + g.done[index].len, 0,
290                        length - g.done[index].len);
291         }
292
293         // otherwise we need to make a new vector and zero it out
294         else {
295             length = 1 << (len - g.root);
296             while (length <= offset)
297                 length <<= 1;
298             vector = calloc(length, sizeof(char));
299         }
300
301         // in either case, bail if we can't get the memory
302         if (vector == NULL) {
303             fputs("abort: unable to allocate enough memory\n", stderr);
304             cleanup();
305             exit(1);
306         }
307
308         // install the new vector
309         g.done[index].len = length;
310         g.done[index].vec = vector;
311     }
312
313     // set the bit
314     g.done[index].vec[offset] |= bit;
315     return 0;
316 }
317
318 // Examine all possible codes from the given node (syms, len, left). Compute
319 // the amount of memory required to build inflate's decoding tables, where the
320 // number of code structures used so far is mem, and the number remaining in
321 // the current sub-table is rem. Uses the globals max, code, root, large, and
322 // done.
323 local void examine(int syms, int len, int left, int mem, int rem) {
324     int least;          // least number of syms to use at this juncture
325     int most;           // most number of syms to use at this juncture
326     int use;            // number of bit patterns to use in next call
327
328     // see if we have a complete code
329     if (syms == left) {
330         // set the last code entry
331         g.code[len] = left;
332
333         // complete computation of memory used by this code
334         while (rem < left) {
335             left -= rem;
336             rem = 1 << (len - g.root);
337             mem += rem;
338         }
339         assert(rem == left);
340
341         // if this is a new maximum, show the entries used and the sub-code
342         if (mem > g.large) {
343             g.large = mem;
344             printf("max %d: ", mem);
345             for (use = g.root + 1; use <= g.max; use++)
346                 if (g.code[use])
347                     printf("%d[%d] ", g.code[use], use);
348             putchar('\n');
349             fflush(stdout);
350         }
351
352         // remove entries as we drop back down in the recursion
353         g.code[len] = 0;
354         return;
355     }
356
357     // prune the tree if we can
358     if (beenhere(syms, len, left, mem, rem))
359         return;
360
361     // we need to use at least this many bit patterns so that the code won't be
362     // incomplete at the next length (more bit patterns than symbols)
363     least = (left << 1) - syms;
364     if (least < 0)
365         least = 0;
366
367     // we can use at most this many bit patterns, lest there not be enough
368     // available for the remaining symbols at the maximum length (if there were
369     // no limit to the code length, this would become: most = left - 1)
370     most = (((code_t)left << (g.max - len)) - syms) /
371             (((code_t)1 << (g.max - len)) - 1);
372
373     // occupy least table spaces, creating new sub-tables as needed
374     use = least;
375     while (rem < use) {
376         use -= rem;
377         rem = 1 << (len - g.root);
378         mem += rem;
379     }
380     rem -= use;
381
382     // examine codes from here, updating table space as we go
383     for (use = least; use <= most; use++) {
384         g.code[len] = use;
385         examine(syms - use, len + 1, (left - use) << 1,
386                 mem + (rem ? 1 << (len - g.root) : 0), rem << 1);
387         if (rem == 0) {
388             rem = 1 << (len - g.root);
389             mem += rem;
390         }
391         rem--;
392     }
393
394     // remove entries as we drop back down in the recursion
395     g.code[len] = 0;
396 }
397
398 // Look at all sub-codes starting with root + 1 bits. Look at only the valid
399 // intermediate code states (syms, left, len). For each completed code,
400 // calculate the amount of memory required by inflate to build the decoding
401 // tables. Find the maximum amount of memory required and show the code that
402 // requires that maximum. Uses the globals max, root, and num.
403 local void enough(int syms) {
404     int n;              // number of remaing symbols for this node
405     int left;           // number of unused bit patterns at this length
406     size_t index;       // index of this case in *num
407
408     // clear code
409     for (n = 0; n <= g.max; n++)
410         g.code[n] = 0;
411
412     // look at all (root + 1) bit and longer codes
413     g.large = 1 << g.root;          // base table
414     if (g.root < g.max)             // otherwise, there's only a base table
415         for (n = 3; n <= syms; n++)
416             for (left = 2; left < n; left += 2) {
417                 // look at all reachable (root + 1) bit nodes, and the
418                 // resulting codes (complete at root + 2 or more)
419                 index = INDEX(n, left, g.root + 1);
420                 if (g.root + 1 < g.max && g.num[index]) // reachable node
421                     examine(n, g.root + 1, left, 1 << g.root, 0);
422
423                 // also look at root bit codes with completions at root + 1
424                 // bits (not saved in num, since complete), just in case
425                 if (g.num[index - 1] && n <= left << 1)
426                     examine((n - left) << 1, g.root + 1, (n - left) << 1,
427                             1 << g.root, 0);
428             }
429
430     // done
431     printf("done: maximum of %d table entries\n", g.large);
432 }
433
434 // Examine and show the total number of possible Huffman codes for a given
435 // maximum number of symbols, initial root table size, and maximum code length
436 // in bits -- those are the command arguments in that order. The default values
437 // are 286, 9, and 15 respectively, for the deflate literal/length code. The
438 // possible codes are counted for each number of coded symbols from two to the
439 // maximum. The counts for each of those and the total number of codes are
440 // shown. The maximum number of inflate table entires is then calculated across
441 // all possible codes. Each new maximum number of table entries and the
442 // associated sub-code (starting at root + 1 == 10 bits) is shown.
443 //
444 // To count and examine Huffman codes that are not length-limited, provide a
445 // maximum length equal to the number of symbols minus one.
446 //
447 // For the deflate literal/length code, use "enough". For the deflate distance
448 // code, use "enough 30 6".
449 int main(int argc, char **argv) {
450     int syms;           // total number of symbols to code
451     int n;              // number of symbols to code for this run
452     big_t got;          // return value of count()
453     big_t sum;          // accumulated number of codes over n
454     code_t word;        // for counting bits in code_t
455
456     // set up globals for cleanup()
457     g.code = NULL;
458     g.num = NULL;
459     g.done = NULL;
460
461     // get arguments -- default to the deflate literal/length code
462     syms = 286;
463     g.root = 9;
464     g.max = 15;
465     if (argc > 1) {
466         syms = atoi(argv[1]);
467         if (argc > 2) {
468             g.root = atoi(argv[2]);
469             if (argc > 3)
470                 g.max = atoi(argv[3]);
471         }
472     }
473     if (argc > 4 || syms < 2 || g.root < 1 || g.max < 1) {
474         fputs("invalid arguments, need: [sym >= 2 [root >= 1 [max >= 1]]]\n",
475               stderr);
476         return 1;
477     }
478
479     // if not restricting the code length, the longest is syms - 1
480     if (g.max > syms - 1)
481         g.max = syms - 1;
482
483     // determine the number of bits in a code_t
484     for (n = 0, word = 1; word; n++, word <<= 1)
485         ;
486
487     // make sure that the calculation of most will not overflow
488     if (g.max > n || (code_t)(syms - 2) >= (((code_t)0 - 1) >> (g.max - 1))) {
489         fputs("abort: code length too long for internal types\n", stderr);
490         return 1;
491     }
492
493     // reject impossible code requests
494     if ((code_t)(syms - 1) > ((code_t)1 << g.max) - 1) {
495         fprintf(stderr, "%d symbols cannot be coded in %d bits\n",
496                 syms, g.max);
497         return 1;
498     }
499
500     // allocate code vector
501     g.code = calloc(g.max + 1, sizeof(int));
502     if (g.code == NULL) {
503         fputs("abort: unable to allocate enough memory\n", stderr);
504         return 1;
505     }
506
507     // determine size of saved results array, checking for overflows,
508     // allocate and clear the array (set all to zero with calloc())
509     if (syms == 2)              // iff max == 1
510         g.num = NULL;           // won't be saving any results
511     else {
512         g.size = syms >> 1;
513         if (g.size > ((size_t)0 - 1) / (n = (syms - 1) >> 1) ||
514                 (g.size *= n, g.size > ((size_t)0 - 1) / (n = g.max - 1)) ||
515                 (g.size *= n, g.size > ((size_t)0 - 1) / sizeof(big_t)) ||
516                 (g.num = calloc(g.size, sizeof(big_t))) == NULL) {
517             fputs("abort: unable to allocate enough memory\n", stderr);
518             cleanup();
519             return 1;
520         }
521     }
522
523     // count possible codes for all numbers of symbols, add up counts
524     sum = 0;
525     for (n = 2; n <= syms; n++) {
526         got = count(n, 1, 2);
527         sum += got;
528         if (got == (big_t)0 - 1 || sum < got) {     // overflow
529             fputs("abort: can't count that high!\n", stderr);
530             cleanup();
531             return 1;
532         }
533         printf("%"PRIbig" %d-codes\n", got, n);
534     }
535     printf("%"PRIbig" total codes for 2 to %d symbols", sum, syms);
536     if (g.max < syms - 1)
537         printf(" (%d-bit length limit)\n", g.max);
538     else
539         puts(" (no length limit)");
540
541     // allocate and clear done array for beenhere()
542     if (syms == 2)
543         g.done = NULL;
544     else if (g.size > ((size_t)0 - 1) / sizeof(struct tab) ||
545              (g.done = calloc(g.size, sizeof(struct tab))) == NULL) {
546         fputs("abort: unable to allocate enough memory\n", stderr);
547         cleanup();
548         return 1;
549     }
550
551     // find and show maximum inflate table usage
552     if (g.root > g.max)             // reduce root to max length
553         g.root = g.max;
554     if ((code_t)syms < ((code_t)1 << (g.root + 1)))
555         enough(syms);
556     else
557         puts("cannot handle minimum code lengths > root");
558
559     // done
560     cleanup();
561     return 0;
562 }