git.sesse.net Git - narabu/blob - ryg_rans/main.cpp

   1 #include "platform.h"
   2 #include <stdio.h>
   3 #include <stdarg.h>
   4 #include <stdlib.h>
   5 #include <stdint.h>
   6 #include <string.h>
   7 #include <assert.h>
   8
   9 #include "rans_byte.h"
  10
  11 // This is just the sample program. All the meat is in rans_byte.h.
  12
  13 static void panic(const char *fmt, ...)
  14 {
  15     va_list arg;
  16
  17     va_start(arg, fmt);
  18     fputs("Error: ", stderr);
  19     vfprintf(stderr, fmt, arg);
  20     va_end(arg);
  21     fputs("\n", stderr);
  22
  23     exit(1);
  24 }
  25
  26 static uint8_t* read_file(char const* filename, size_t* out_size)
  27 {
  28     FILE* f = fopen(filename, "rb");
  29     if (!f)
  30         panic("file not found: %s\n", filename);
  31
  32     fseek(f, 0, SEEK_END);
  33     size_t size = ftell(f);
  34     fseek(f, 0, SEEK_SET);
  35
  36     uint8_t* buf = new uint8_t[size];
  37     if (fread(buf, size, 1, f) != 1)
  38         panic("read failed\n");
  39
  40     fclose(f);
  41     if (out_size)
  42         *out_size = size;
  43
  44     return buf;
  45 }
  46
  47 // ---- Stats
  48
  49 struct SymbolStats
  50 {
  51     uint32_t freqs[256];
  52     uint32_t cum_freqs[257];
  53
  54     void count_freqs(uint8_t const* in, size_t nbytes);
  55     void calc_cum_freqs();
  56     void normalize_freqs(uint32_t target_total);
  57 };
  58
  59 void SymbolStats::count_freqs(uint8_t const* in, size_t nbytes)
  60 {
  61     for (int i=0; i < 256; i++)
  62         freqs[i] = 0;
  63
  64     for (size_t i=0; i < nbytes; i++)
  65         freqs[in[i]]++;
  66 }
  67
  68 void SymbolStats::calc_cum_freqs()
  69 {
  70     cum_freqs[0] = 0;
  71     for (int i=0; i < 256; i++)
  72         cum_freqs[i+1] = cum_freqs[i] + freqs[i];
  73 }
  74
  75 void SymbolStats::normalize_freqs(uint32_t target_total)
  76 {
  77     assert(target_total >= 256);
  78
  79     calc_cum_freqs();
  80     uint32_t cur_total = cum_freqs[256];
  81
  82     // resample distribution based on cumulative freqs
  83     for (int i = 1; i <= 256; i++)
  84         cum_freqs[i] = ((uint64_t)target_total * cum_freqs[i])/cur_total;
  85
  86     // if we nuked any non-0 frequency symbol to 0, we need to steal
  87     // the range to make the frequency nonzero from elsewhere.
  88     //
  89     // this is not at all optimal, i'm just doing the first thing that comes to mind.
  90     for (int i=0; i < 256; i++) {
  91         if (freqs[i] && cum_freqs[i+1] == cum_freqs[i]) {
  92             // symbol i was set to zero freq
  93
  94             // find best symbol to steal frequency from (try to steal from low-freq ones)
  95             uint32_t best_freq = ~0u;
  96             int best_steal = -1;
  97             for (int j=0; j < 256; j++) {
  98                 uint32_t freq = cum_freqs[j+1] - cum_freqs[j];
  99                 if (freq > 1 && freq < best_freq) {
 100                     best_freq = freq;
 101                     best_steal = j;
 102                 }
 103             }
 104             assert(best_steal != -1);
 105
 106             // and steal from it!
 107             if (best_steal < i) {
 108                 for (int j = best_steal + 1; j <= i; j++)
 109                     cum_freqs[j]--;
 110             } else {
 111                 assert(best_steal > i);
 112                 for (int j = i + 1; j <= best_steal; j++)
 113                     cum_freqs[j]++;
 114             }
 115         }
 116     }
 117
 118     // calculate updated freqs and make sure we didn't screw anything up
 119     assert(cum_freqs[0] == 0 && cum_freqs[256] == target_total);
 120     for (int i=0; i < 256; i++) {
 121         if (freqs[i] == 0)
 122             assert(cum_freqs[i+1] == cum_freqs[i]);
 123         else
 124             assert(cum_freqs[i+1] > cum_freqs[i]);
 125
 126         // calc updated freq
 127         freqs[i] = cum_freqs[i+1] - cum_freqs[i];
 128     }
 129 }
 130
 131 int main()
 132 {
 133     size_t in_size;
 134     uint8_t* in_bytes = read_file("book1", &in_size);
 135
 136     static const uint32_t prob_bits = 14;
 137     static const uint32_t prob_scale = 1 << prob_bits;
 138
 139     SymbolStats stats;
 140     stats.count_freqs(in_bytes, in_size);
 141     stats.normalize_freqs(prob_scale);
 142
 143     // cumlative->symbol table
 144     // this is super brute force
 145     uint8_t cum2sym[prob_scale];
 146     for (int s=0; s < 256; s++)
 147         for (uint32_t i=stats.cum_freqs[s]; i < stats.cum_freqs[s+1]; i++)
 148             cum2sym[i] = s;
 149
 150     static size_t out_max_size = 32<<20; // 32MB
 151     uint8_t* out_buf = new uint8_t[out_max_size];
 152     uint8_t* dec_bytes = new uint8_t[in_size];
 153
 154     // try rANS encode
 155     uint8_t *rans_begin;
 156     RansEncSymbol esyms[256];
 157     RansDecSymbol dsyms[256];
 158
 159     for (int i=0; i < 256; i++) {
 160         RansEncSymbolInit(&esyms[i], stats.cum_freqs[i], stats.freqs[i], prob_bits);
 161         RansDecSymbolInit(&dsyms[i], stats.cum_freqs[i], stats.freqs[i]);
 162     }
 163
 164     // ---- regular rANS encode/decode. Typical usage.
 165
 166     memset(dec_bytes, 0xcc, in_size);
 167
 168     printf("rANS encode:\n");
 169     for (int run=0; run < 5; run++) {
 170         double start_time = timer();
 171         uint64_t enc_start_time = __rdtsc();
 172
 173         RansState rans;
 174         RansEncInit(&rans);
 175
 176         uint8_t* ptr = out_buf + out_max_size; // *end* of output buffer
 177         for (size_t i=in_size; i > 0; i--) { // NB: working in reverse!
 178             int s = in_bytes[i-1];
 179             RansEncPutSymbol(&rans, &ptr, &esyms[s]);
 180         }
 181         RansEncFlush(&rans, &ptr);
 182         rans_begin = ptr;
 183
 184         uint64_t enc_clocks = __rdtsc() - enc_start_time;
 185         double enc_time = timer() - start_time;
 186         printf("%"PRIu64" clocks, %.1f clocks/symbol (%5.1fMiB/s)\n", enc_clocks, 1.0 * enc_clocks / in_size, 1.0 * in_size / (enc_time * 1048576.0));
 187     }
 188     printf("rANS: %d bytes\n", (int) (out_buf + out_max_size - rans_begin));
 189
 190     // try rANS decode
 191     for (int run=0; run < 5; run++) {
 192         double start_time = timer();
 193         uint64_t dec_start_time = __rdtsc();
 194
 195         RansState rans;
 196         uint8_t* ptr = rans_begin;
 197         RansDecInit(&rans, &ptr);
 198
 199         for (size_t i=0; i < in_size; i++) {
 200             uint32_t s = cum2sym[RansDecGet(&rans, prob_bits)];
 201             dec_bytes[i] = (uint8_t) s;
 202             RansDecAdvanceSymbol(&rans, &ptr, &dsyms[s], prob_bits);
 203         }
 204
 205         uint64_t dec_clocks = __rdtsc() - dec_start_time;
 206         double dec_time = timer() - start_time;
 207         printf("%"PRIu64" clocks, %.1f clocks/symbol (%5.1fMiB/s)\n", dec_clocks, 1.0 * dec_clocks / in_size, 1.0 * in_size / (dec_time * 1048576.0));
 208     }
 209
 210     // check decode results
 211     if (memcmp(in_bytes, dec_bytes, in_size) == 0)
 212         printf("decode ok!\n");
 213     else
 214         printf("ERROR: bad decoder!\n");
 215
 216     // ---- interleaved rANS encode/decode. This is the kind of thing you might do to optimize critical paths.
 217
 218     memset(dec_bytes, 0xcc, in_size);
 219
 220     // try interleaved rANS encode
 221     printf("\ninterleaved rANS encode:\n");
 222     for (int run=0; run < 5; run++) {
 223         double start_time = timer();
 224         uint64_t enc_start_time = __rdtsc();
 225
 226         RansState rans0, rans1;
 227         RansEncInit(&rans0);
 228         RansEncInit(&rans1);
 229
 230         uint8_t* ptr = out_buf + out_max_size; // *end* of output buffer
 231
 232         // odd number of bytes?
 233         if (in_size & 1) {
 234             int s = in_bytes[in_size - 1];
 235             RansEncPutSymbol(&rans0, &ptr, &esyms[s]);
 236         }
 237
 238         for (size_t i=(in_size & ~1); i > 0; i -= 2) { // NB: working in reverse!
 239             int s1 = in_bytes[i-1];
 240             int s0 = in_bytes[i-2];
 241             RansEncPutSymbol(&rans1, &ptr, &esyms[s1]);
 242             RansEncPutSymbol(&rans0, &ptr, &esyms[s0]);
 243         }
 244         RansEncFlush(&rans1, &ptr);
 245         RansEncFlush(&rans0, &ptr);
 246         rans_begin = ptr;
 247
 248         uint64_t enc_clocks = __rdtsc() - enc_start_time;
 249         double enc_time = timer() - start_time;
 250         printf("%"PRIu64" clocks, %.1f clocks/symbol (%5.1fMiB/s)\n", enc_clocks, 1.0 * enc_clocks / in_size, 1.0 * in_size / (enc_time * 1048576.0));
 251     }
 252     printf("interleaved rANS: %d bytes\n", (int) (out_buf + out_max_size - rans_begin));
 253
 254     // try interleaved rANS decode
 255     for (int run=0; run < 5; run++) {
 256         double start_time = timer();
 257         uint64_t dec_start_time = __rdtsc();
 258
 259         RansState rans0, rans1;
 260         uint8_t* ptr = rans_begin;
 261         RansDecInit(&rans0, &ptr);
 262         RansDecInit(&rans1, &ptr);
 263
 264         for (size_t i=0; i < (in_size & ~1); i += 2) {
 265             uint32_t s0 = cum2sym[RansDecGet(&rans0, prob_bits)];
 266             uint32_t s1 = cum2sym[RansDecGet(&rans1, prob_bits)];
 267             dec_bytes[i+0] = (uint8_t) s0;
 268             dec_bytes[i+1] = (uint8_t) s1;
 269             RansDecAdvanceSymbolStep(&rans0, &dsyms[s0], prob_bits);
 270             RansDecAdvanceSymbolStep(&rans1, &dsyms[s1], prob_bits);
 271             RansDecRenorm(&rans0, &ptr);
 272             RansDecRenorm(&rans1, &ptr);
 273         }
 274
 275         // last byte, if number of bytes was odd
 276         if (in_size & 1) {
 277             uint32_t s0 = cum2sym[RansDecGet(&rans0, prob_bits)];
 278             dec_bytes[in_size - 1] = (uint8_t) s0;
 279             RansDecAdvanceSymbol(&rans0, &ptr, &dsyms[s0], prob_bits);
 280         }
 281
 282         uint64_t dec_clocks = __rdtsc() - dec_start_time;
 283         double dec_time = timer() - start_time;
 284         printf("%"PRIu64" clocks, %.1f clocks/symbol (%5.1fMB/s)\n", dec_clocks, 1.0 * dec_clocks / in_size, 1.0 * in_size / (dec_time * 1048576.0));
 285     }
 286
 287     // check decode results
 288     if (memcmp(in_bytes, dec_bytes, in_size) == 0)
 289         printf("decode ok!\n");
 290     else
 291         printf("ERROR: bad decoder!\n");
 292
 293     delete[] out_buf;
 294     delete[] dec_bytes;
 295     delete[] in_bytes;
 296     return 0;
 297 }