git.sesse.net Git - narabu/blob - ryg_rans/main64.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 "rans64.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     static size_t out_max_elems = out_max_size / sizeof(uint32_t);
 152     uint32_t* out_buf = new uint32_t[out_max_elems];
 153     uint32_t* out_end = out_buf + out_max_elems;
 154     uint8_t* dec_bytes = new uint8_t[in_size];
 155
 156     // try rANS encode
 157     uint32_t *rans_begin;
 158     Rans64EncSymbol esyms[256];
 159     Rans64DecSymbol dsyms[256];
 160
 161     for (int i=0; i < 256; i++) {
 162         Rans64EncSymbolInit(&esyms[i], stats.cum_freqs[i], stats.freqs[i], prob_bits);
 163         Rans64DecSymbolInit(&dsyms[i], stats.cum_freqs[i], stats.freqs[i]);
 164     }
 165
 166     // ---- regular rANS encode/decode. Typical usage.
 167
 168     memset(dec_bytes, 0xcc, in_size);
 169
 170     printf("rANS encode:\n");
 171     for (int run=0; run < 5; run++) {
 172         double start_time = timer();
 173         uint64_t enc_start_time = __rdtsc();
 174
 175         Rans64State rans;
 176         Rans64EncInit(&rans);
 177
 178         uint32_t* ptr = out_end; // *end* of output buffer
 179         for (size_t i=in_size; i > 0; i--) { // NB: working in reverse!
 180             int s = in_bytes[i-1];
 181             Rans64EncPutSymbol(&rans, &ptr, &esyms[s], prob_bits);
 182         }
 183         Rans64EncFlush(&rans, &ptr);
 184         rans_begin = ptr;
 185
 186         uint64_t enc_clocks = __rdtsc() - enc_start_time;
 187         double enc_time = timer() - start_time;
 188         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));
 189     }
 190     printf("rANS: %d bytes\n", (int) ((out_end - rans_begin) * sizeof(uint32_t)));
 191
 192     // try rANS decode
 193     for (int run=0; run < 5; run++) {
 194         double start_time = timer();
 195         uint64_t dec_start_time = __rdtsc();
 196
 197         Rans64State rans;
 198         uint32_t* ptr = rans_begin;
 199         Rans64DecInit(&rans, &ptr);
 200
 201         for (size_t i=0; i < in_size; i++) {
 202             uint32_t s = cum2sym[Rans64DecGet(&rans, prob_bits)];
 203             dec_bytes[i] = (uint8_t) s;
 204             Rans64DecAdvanceSymbol(&rans, &ptr, &dsyms[s], prob_bits);
 205         }
 206
 207         uint64_t dec_clocks = __rdtsc() - dec_start_time;
 208         double dec_time = timer() - start_time;
 209         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));
 210     }
 211
 212     // check decode results
 213     if (memcmp(in_bytes, dec_bytes, in_size) == 0)
 214         printf("decode ok!\n");
 215     else
 216         printf("ERROR: bad decoder!\n");
 217
 218     // ---- interleaved rANS encode/decode. This is the kind of thing you might do to optimize critical paths.
 219
 220     memset(dec_bytes, 0xcc, in_size);
 221
 222     // try interleaved rANS encode
 223     printf("\ninterleaved rANS encode:\n");
 224     for (int run=0; run < 5; run++) {
 225         double start_time = timer();
 226         uint64_t enc_start_time = __rdtsc();
 227
 228         Rans64State rans0, rans1;
 229         Rans64EncInit(&rans0);
 230         Rans64EncInit(&rans1);
 231
 232         uint32_t* ptr = out_end;
 233
 234         // odd number of bytes?
 235         if (in_size & 1) {
 236             int s = in_bytes[in_size - 1];
 237             Rans64EncPutSymbol(&rans0, &ptr, &esyms[s], prob_bits);
 238         }
 239
 240         for (size_t i=(in_size & ~1); i > 0; i -= 2) { // NB: working in reverse!
 241             int s1 = in_bytes[i-1];
 242             int s0 = in_bytes[i-2];
 243             Rans64EncPutSymbol(&rans1, &ptr, &esyms[s1], prob_bits);
 244             Rans64EncPutSymbol(&rans0, &ptr, &esyms[s0], prob_bits);
 245         }
 246         Rans64EncFlush(&rans1, &ptr);
 247         Rans64EncFlush(&rans0, &ptr);
 248         rans_begin = ptr;
 249
 250         uint64_t enc_clocks = __rdtsc() - enc_start_time;
 251         double enc_time = timer() - start_time;
 252         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));
 253     }
 254     printf("interleaved rANS: %d bytes\n", (int) ((out_end - rans_begin) * sizeof(uint32_t)));
 255
 256     // try interleaved rANS decode
 257     for (int run=0; run < 5; run++) {
 258         double start_time = timer();
 259         uint64_t dec_start_time = __rdtsc();
 260
 261         Rans64State rans0, rans1;
 262         uint32_t* ptr = rans_begin;
 263         Rans64DecInit(&rans0, &ptr);
 264         Rans64DecInit(&rans1, &ptr);
 265
 266         for (size_t i=0; i < (in_size & ~1); i += 2) {
 267             uint32_t s0 = cum2sym[Rans64DecGet(&rans0, prob_bits)];
 268             uint32_t s1 = cum2sym[Rans64DecGet(&rans1, prob_bits)];
 269             dec_bytes[i+0] = (uint8_t) s0;
 270             dec_bytes[i+1] = (uint8_t) s1;
 271             Rans64DecAdvanceSymbolStep(&rans0, &dsyms[s0], prob_bits);
 272             Rans64DecAdvanceSymbolStep(&rans1, &dsyms[s1], prob_bits);
 273             Rans64DecRenorm(&rans0, &ptr);
 274             Rans64DecRenorm(&rans1, &ptr);
 275         }
 276
 277         // last byte, if number of bytes was odd
 278         if (in_size & 1) {
 279             uint32_t s0 = cum2sym[Rans64DecGet(&rans0, prob_bits)];
 280             dec_bytes[in_size - 1] = (uint8_t) s0;
 281             Rans64DecAdvanceSymbol(&rans0, &ptr, &dsyms[s0], prob_bits);
 282         }
 283
 284         uint64_t dec_clocks = __rdtsc() - dec_start_time;
 285         double dec_time = timer() - start_time;
 286         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));
 287     }
 288
 289     // check decode results
 290     if (memcmp(in_bytes, dec_bytes, in_size) == 0)
 291         printf("decode ok!\n");
 292     else
 293         printf("ERROR: bad decoder!\n");
 294
 295     delete[] out_buf;
 296     delete[] dec_bytes;
 297     delete[] in_bytes;
 298     return 0;
 299 }