极速压缩：LZ4 C API完全指南与实战案例-优快云博客

极速压缩：LZ4 C API完全指南与实战案例

【免费下载链接】lz4 Extremely Fast Compression algorithm 项目地址: https://gitcode.com/GitHub_Trending/lz/lz4

在数据处理和存储领域，压缩算法扮演着至关重要的角色。LZ4作为一种超高速压缩算法，以其惊人的压缩和解压缩速度（每核超过500MB/s的压缩速度和多GB/s的解压速度）成为众多高性能场景的首选。本文将从实际应用角度，详细介绍LZ4 C API的核心功能和使用方法，帮助开发者快速掌握这一强大工具。

LZ4基础与API概览

LZ4是一种无损压缩算法，其核心优势在于极致的速度表现。LZ4压缩库提供了内存中的压缩和解压缩功能，完全由用户控制缓冲区。压缩可以通过三种方式进行：单步压缩（简单函数）、复用上下文的单步压缩（高级函数）以及无界多步压缩（流式压缩）。

LZ4的C API主要定义在lib/lz4.h头文件中，该文件包含了所有核心压缩和解压缩函数的声明。根据功能划分，API可以分为以下几类：

简单函数：如LZ4_compress_default和LZ4_decompress_safe，提供基本的压缩和解压缩功能
高级函数：如LZ4_compress_fast和LZ4_decompress_safe_partial，提供更多控制选项
流式压缩函数：如LZ4_createStream和LZ4_compress_fast_continue，支持连续数据压缩
流式解压缩函数：如LZ4_createStreamDecode和LZ4_decompress_safe_continue，支持连续数据解压缩

核心API函数详解

压缩函数

LZ4_compress_default

LZ4_compress_default是最常用的压缩函数，其原型如下：

int LZ4_compress_default(const char* src, char* dst, int srcSize, int dstCapacity);

该函数将src缓冲区中srcSize字节的数据压缩到dst缓冲区中，dst缓冲区的大小为dstCapacity。如果dstCapacity大于等于LZ4_compressBound(srcSize)，则压缩保证成功，并且运行速度更快。

返回值：压缩后的数据大小（字节数），如果压缩失败则返回0。

LZ4_compressBound

LZ4_compressBound函数用于计算给定输入大小的最大可能压缩输出大小，原型如下：

int LZ4_compressBound(int inputSize);

返回值：最坏情况下的最大输出大小，如果输入大小不正确则返回0。

解压缩函数

LZ4_decompress_safe

LZ4_decompress_safe是最常用的解压缩函数，其原型如下：

int LZ4_decompress_safe(const char* src, char* dst, int compressedSize, int dstCapacity);

该函数将src缓冲区中compressedSize字节的压缩数据解压缩到dst缓冲区中，dst缓冲区的大小为dstCapacity。

返回值：解压缩后的数据大小（字节数），如果发生错误（如目标缓冲区不够大或源数据损坏）则返回负值。

实战案例：基本压缩与解压缩

下面通过一个完整的示例来演示如何使用LZ4的基本API进行数据压缩和解压缩。这个示例来自examples/simple_buffer.c文件，展示了最基本的LZ4使用流程。

示例代码

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include "lz4.h"

void run_screaming(const char* message, const int code) {
  printf("%s \n", message);
  exit(code);
}

int main(void) {
  // 原始数据
  const char* const src = "Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipiscing elit. Lorem ipsum dolor site amat.";
  const int src_size = (int)(strlen(src) + 1); // +1 用于包含终止符'\0'
  
  // 计算最大可能的压缩大小
  const int max_dst_size = LZ4_compressBound(src_size);
  
  // 分配压缩缓冲区
  char* compressed_data = (char*)malloc((size_t)max_dst_size);
  if (compressed_data == NULL)
    run_screaming("Failed to allocate memory for *compressed_data.", 1);
  
  // 执行压缩
  const int compressed_data_size = LZ4_compress_default(src, compressed_data, src_size, max_dst_size);
  if (compressed_data_size <= 0)
    run_screaming("Compression failed.", 1);
  
  printf("Compression successful! Ratio: %.2f\n", (float)compressed_data_size/src_size);
  
  // 可以选择重新分配内存以释放未使用的空间
  compressed_data = (char *)realloc(compressed_data, (size_t)compressed_data_size);
  if (compressed_data == NULL)
    run_screaming("Failed to realloc memory.", 1);
  
  // 解压缩部分
  char* const regen_buffer = (char*)malloc(src_size);
  if (regen_buffer == NULL)
    run_screaming("Failed to allocate memory for regen_buffer.", 1);
  
  // 执行解压缩
  const int decompressed_size = LZ4_decompress_safe(compressed_data, regen_buffer, compressed_data_size, src_size);
  free(compressed_data); // 压缩数据已不再需要
  
  if (decompressed_size < 0)
    run_screaming("Decompression failed.", decompressed_size);
  
  if (decompressed_size != src_size)
    run_screaming("Decompressed size does not match original size.", 1);
  
  // 验证解压缩后的数据是否与原始数据一致
  if (memcmp(src, regen_buffer, src_size) != 0)
    run_screaming("Decompressed data is not identical to original.", 1);
  
  printf("Validation done. The decompressed string is:\n%s\n", regen_buffer);
  
  free(regen_buffer);
  return 0;
}

代码解析

这个示例展示了LZ4压缩和解压缩的完整流程，主要包含以下步骤：

准备原始数据：定义一个字符串作为原始数据，并计算其大小（包括终止符'\0'）。
计算最大压缩大小：使用LZ4_compressBound函数计算压缩所需的最大缓冲区大小。
分配内存：为压缩后的数据分配内存空间。
执行压缩：调用LZ4_compress_default函数进行压缩，并检查返回值以确保压缩成功。
（可选）优化内存使用：使用realloc调整压缩缓冲区大小，释放未使用的内存。
解压缩：分配解压缩缓冲区，调用LZ4_decompress_safe函数进行解压缩，并检查返回值。
验证结果：比较解压缩后的数据与原始数据，确保它们完全一致。

流式压缩与解压缩

对于大型文件或持续数据流，LZ4提供了流式压缩和解压缩API。这些API允许您分块处理数据，而不必一次性将整个数据加载到内存中。

流式压缩

流式压缩使用LZ4_stream_t结构体来跟踪压缩状态。主要函数包括：

LZ4_createStream：创建一个新的压缩流
LZ4_resetStream_fast：重置流以开始新的压缩序列
LZ4_loadDict：为压缩加载字典
LZ4_compress_fast_continue：继续压缩数据流
LZ4_saveDict：保存字典以便后续使用
LZ4_freeStream：释放压缩流

流式解压缩

流式解压缩使用LZ4_streamDecode_t结构体来跟踪解压缩状态。主要函数包括：

LZ4_createStreamDecode：创建一个新的解压缩流
LZ4_setStreamDecode：设置解压缩流，可选择加载字典
LZ4_decompress_safe_continue：继续解压缩数据流
LZ4_freeStreamDecode：释放解压缩流

流式压缩示例

下面是一个简化的流式压缩示例框架：

#include "lz4.h"

// 创建压缩流
LZ4_stream_t* stream = LZ4_createStream();
if (stream == NULL) {
    // 处理错误
}

// 重置流
LZ4_resetStream_fast(stream);

// 可选：加载字典
const char* dictionary = "my dictionary data";
int dictSize = strlen(dictionary);
LZ4_loadDict(stream, dictionary, dictSize);

// 分块压缩数据
while (has_more_data()) {
    // 获取数据块
    const char* block = get_next_block(&blockSize);
    
    // 分配输出缓冲区
    int maxCompressedSize = LZ4_compressBound(blockSize);
    char* compressedBlock = malloc(maxCompressedSize);
    
    // 压缩数据块
    int compressedSize = LZ4_compress_fast_continue(stream, block, compressedBlock, blockSize, maxCompressedSize, 1);
    
    if (compressedSize <= 0) {
        // 处理错误
    }
    
    // 写入压缩块...
    
    free(compressedBlock);
}

// 释放资源
LZ4_freeStream(stream);

高级功能

字典压缩

LZ4支持使用字典（dictionary）来提高压缩率，特别是对于小数据。字典是一段预先定义的数据，压缩器和解压缩器都需要使用相同的字典。

使用字典的步骤：

压缩端：使用LZ4_loadDict或LZ4_loadDictSlow加载字典
解压缩端：使用LZ4_setStreamDecode加载相同的字典

部分解压缩

LZ4_decompress_safe_partial函数允许您只解压缩部分数据，这对于只需要大型压缩数据的前一部分时非常有用：

int LZ4_decompress_safe_partial(const char* src, char* dst, int srcSize, int targetOutputSize, int dstCapacity);

性能优化建议

缓冲区大小：如果可能，确保目标缓冲区大小至少为LZ4_compressBound(srcSize)，这将确保压缩成功并提高性能。
内存对齐：对输入和输出缓冲区进行适当的内存对齐可以提高性能，尤其是在大端系统上。
多线程：LZ4本身不是线程安全的，但您可以为每个线程创建单独的LZ4_stream_t或LZ4_streamDecode_t实例，实现并行处理。
字典使用：对于重复出现的小数据，使用字典可以显著提高压缩率。
选择合适的API：根据您的具体需求选择合适的API函数。简单函数对于一次性压缩/解压缩很方便，而流式API更适合处理大型或持续的数据。

总结

LZ4提供了一套强大而灵活的C API，可满足各种压缩需求。从简单的内存中数据压缩到复杂的流式数据处理，LZ4都能以极高的速度完成任务。通过本文介绍的API函数和示例代码，您应该能够快速上手LZ4，并将其集成到您的项目中。

要了解更多细节，请参考官方文档：

希望本文能帮助您充分利用LZ4的强大功能，为您的应用程序带来高性能的数据压缩能力。

【免费下载链接】lz4 Extremely Fast Compression algorithm 项目地址: https://gitcode.com/GitHub_Trending/lz/lz4

创作声明：本文部分内容由AI辅助生成（AIGC），仅供参考