文件压缩原理

文章摘要：文件压缩原理引言如果您从互联网上下载了许多程序和文件，可能会遇到很多ZIP文件。这种压缩机制是一种很方便的发明，尤其是对网络用户，因为它可以减小文件中的比特和字节总数，使文件能够通过较慢的互联网连接实现更快传输，此外还可以减少文件的磁盘占用空间。在下载了文件后，计算机可使用WinZip或Stuffit这样的程序来展开文件，将其复原到原始大小。如果一切正常，展开的文件与压缩前的原始文件将完全相同。乍一听好像很神秘：您是怎样减少比特和字节的数量并将它们原封不动地还原回去的呢？等一切水落石出之后，您会发现这个过程背后的基本理念其实非常简单明了。在本文中，我们将讨论这种通过简单压缩来明显减小文件的方法

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文件压缩原理

引言

如果您从互联网上下载了许多程序和文件，可能会遇到很多ZIP文件。这种压缩机制是一种很方便的发明，尤其是对网络用户，因为它可以减小文件中的比特和字节总数，使文件能够通过较慢的互联网连接实现更快传输，此外还可以减少文件的磁盘占用空间。在下载了文件后，计算机可使用WinZip或Stuffit这样的程序来展开文件，将其复原到原始大小。如果一切正常，展开的文件与压缩前的原始文件将完全相同。

乍一听好像很神秘：您是怎样减少比特和字节的数量并将它们原封不动地还原回去的呢？等一切水落石出之后，您会发现这个过程背后的基本理念其实非常简单明了。在本文中，我们将讨论这种通过简单压缩来明显减小文件的方法。

大多数计算机文件类型都包含相当多的冗余内容——它们会反复列出一些相同的信息。文件压缩程序就是要消除这种冗余现象。与反复列出某一块信息不同，文件压缩程序只列出该信息一次，然后当它在原始程序中出现时再重新引用它。

以我们熟悉的信息类型——单词——为例子。

肯尼迪（John F. Kennedy）在1961年的就职演说中曾说过下面这段著名的话：

这段话有17个单词，包含61个字母、16个空格、1个破折号和1个句点。如果每个字母、空格或标点都占用1个内存单元，那么文件的总大小为79个单元。为了减小文件的大小，我们需要找出冗余的部分。

我们立刻发现：

如果忽略大小写字母间的区别，这个句子几乎有一半是冗余的。九个单词（ask、not、what、your、country、can、do、for、you）几乎提供了组成整句话所需的所有东西。为了构造出另一半句子，我们只需要拿出前半段句子中的单词，然后加上空格和标点就行了。

大多数压缩程序使用基于自适应字典的LZ算法来缩小文件。“LZ”指的是此算法的发明者Lempel和Ziv，“字典”指的是对数据块进行归类的方法。

排列字典的机制有很多种，它也可以像编号列表那样简单。在我们检查肯尼迪这句著名讲话时，可以挑出重复的单词，并将它们放到编号索引中。然后，我们直接写入编号而不是写入整个单词。

因此，如果我们的字典是：

ask
what
your
country
can
do
for
you

我们的句子现在就应该是这样的：

1 not 2 3 4 5 6 7 8-- 1 2 8 5 6 7 3 4

如果您了解这种机制，那么只需使用该字典和编号模式即可轻松重新构造出原始句子。这就是在展开某个下载文件时，计算机中的解压缩程序所做的工作。你可能还遇到过能够自行解压缩的压缩文件。若要创建这种文件，编程人员需要在被压缩的文件中设置一个简单的解压缩程序。在下载完毕后，它可以自动重新构造出原始文件。

但是使用这种机制究竟能够节省多少空间呢？“1 not 2 3 4 5 6 7 8——1 2 8 5 6 7 3 4”当然短于“Ask not what your country can do for you-- ask what you can do for your country.”，但应注意的是，我们需要随文件一起保存这个字典。

在实际压缩方案中，计算出各种文件需求是一个相当复杂的过程。让我们回过头考虑一下上面的例子。每个字符和空格都占用1个内存单元，整个原句要占用79个单元。压缩后的句子（包括空格）占用了37个单元，而字典（单词和编号）也占用了37个单元。也就是说，文件的大小为74个单元，因此我们并没有把文件大小减少很多。

但这只是一个句子的情况！可以想象的是，如果用该压缩程序处理完肯尼迪讲话的其余部分，我们会发现这些单词以及其他单词重复了更多次。而且，正如下一节所言，为了得到尽可能高的组织效率，可以对字典进行重写。

压缩程序

在上一页的例子中，我们挑出了所有重复的单词并将它们放在一个字典中。对于我们来说，这是最显而易见的字典编写方法。但是压缩程序却不这样认为：它对单词没有概念——它只会寻找各个模式。为了尽可能减小文件的大小，它会仔细挑选出最优模式。

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