zstd

以下为Zstandard（zstd）压缩算法从原理到代码实现的技术调研报告，结合流程图、结构图及完整C++代码实现：

一、核心原理与技术架构

1.1 算法原理 Zstd基于LZ77衍生算法与熵编码（FSE/Huffman）的混合架构：

• 字典压缩：通过ZSTD_trainFromBuffer预生成高频数据字典，提升小文件压缩率（压缩率提升30%-50%）。
• 多阶段编码：LZ77处理冗余数据 → FSE（有限状态熵）优化压缩比 → Huffman二次压缩高频符号。

1.2 数据结构 压缩后的二进制格式包含：

struct ZSTD_Header {
    uint32_t magic_number;  // 0xFD2FB528 
    uint32_t window_size;   // 滑动窗口尺寸 
    uint8_t dict_id[4]();     // 字典标识符（可选）
    uint32_t content_size;  // 原始数据长度（可选）
};

二、参数优化策略

2.1 基础参数配置

// 压缩级别（1-22，默认3）
ZSTD_CCtx_setParameter(cctx, ZSTD_c_compressionLevel, 5); 

// 窗口尺寸（影响内存占用）
ZSTD_CCtx_setParameter(cctx, ZSTD_c_windowLog, 22); // 4MB窗口 

// 启用长距离匹配（适合大文件）
ZSTD_CCtx_setParameter(cctx, ZSTD_c_enableLongDistanceMatching, 1);

2.2 高级优化参数

// 多线程压缩（需编译时启用ZSTD_MULTITHREAD）
ZSTD_CCtx_setParameter(cctx, ZSTD_c_nbWorkers, 4); 

// 字典压缩模式 
ZSTD_CCtx_refCDict(cctx, cdict); 

// 实时模式（牺牲压缩率提升速度）
ZSTD_CCtx_setParameter(cctx, ZSTD_c_strategy, ZSTD_fast); 

三、完整C++实现（单文件压缩/解压）

#include <zstd.h>
#include <fstream>
#include <vector>

// 压缩函数 
bool zstd_compress(const char* input_path, const char* output_path, int level=3) {
    std::ifstream fin(input_path, std::ios::binary);
    std::vector<char> input((std::istreambuf_iterator<char>(fin)), 
                           std::istreambuf_iterator<char>());

    size_t bound = ZSTD_compressBound(input.size()); 
    std::vector<char> output(bound);

    ZSTD_CCtx* cctx = ZSTD_createCCtx();
    size_t csize = ZSTD_compressCCtx(cctx, 
        output.data(),  bound, 
        input.data(),  input.size(),  
        level);

    if (ZSTD_isError(csize)) {
        ZSTD_freeCCtx(cctx);
        return false;
    }

    std::ofstream fout(output_path, std::ios::binary);
    fout.write(output.data(),  csize);

    ZSTD_freeCCtx(cctx);
    return true;
}

// 解压函数 
bool zstd_decompress(const char* input_path, const char* output_path) {
    std::ifstream fin(input_path, std::ios::binary);
    std::vector<char> input((std::istreambuf_iterator<char>(fin)), 
                           std::istreambuf_iterator<char>());

    unsigned long long rsize = ZSTD_getFrameContentSize(input.data(),  input.size()); 
    std::vector<char> output(rsize);

    ZSTD_DCtx* dctx = ZSTD_createDCtx();
    size_t dsize = ZSTD_decompressDCtx(dctx, 
        output.data(),  rsize, 
        input.data(),  input.size()); 

    if (ZSTD_isError(dsize)) {
        ZSTD_freeDCtx(dctx);
        return false;
    }

    std::ofstream fout(output_path, std::ios::binary);
    fout.write(output.data(),  dsize);

    ZSTD_freeDCtx(dctx);
    return true;
}

四、性能优化关键点

• 上下文复用：重复使用ZSTD_CCtx对象减少内存分配开销。
• 流式处理：对大型文件分块处理，示例代码：

ZSTD_inBuffer input = { src_buffer, src_size, 0 };
ZSTD_outBuffer output = { dst_buffer, dst_size, 0 };
while (input.pos  < input.size)  {
    ZSTD_compressStream2(cctx, &output, &input, ZSTD_e_continue);
}

• 内存管理：通过ZSTD_c_ldmHashLog调整哈希表尺寸平衡速度与内存。

五、测试数据对比

完整代码

Github