深入理解数据压缩流程及 zlib 库中相关函数

数据压缩是一种常见的操作，可以有效地减小数据的体积，节省存储空间和网络带宽。在本文中，我们将深入讨论数据压缩的流程，并详细解释 zlib 库中相关函数的使用，包括 deflateInit2()、deflate()、deflateEnd() 等。我们将通过一个具体的例子来展示如何使用这些函数来实现数据的压缩操作。

先来讲讲这三个最重要的函数吧。

函数作用

deflateInit2()

函数的主要作用是初始化压缩器，并设置相关的参数。在调用这个函数之后，我们就可以使用返回的 z_stream 结构体来执行压缩操作。通过设置不同的参数，我们可以定制压缩器的行为，以满足不同的压缩需求。

deflate()

函数的主要作用是执行压缩操作。在调用这个函数之前，我们需要将待压缩的数据和输出缓冲区的信息设置到 z_stream 结构体中，然后调用 deflate() 函数来执行压缩操作。压缩器将会尽可能多地将输入数据压缩到输出缓冲区中，并返回压缩操作的状态。根据返回值，我们可以判断压缩操作是否成功，并进行相应的错误处理或者下一步操作。

deflateEnd()

函数的主要作用是结束压缩器的工作，并释放相关资源。在调用这个函数之前，我们需要确保所有的压缩操作已经完成，不再需要压缩器的工作了。调用这个函数后，压缩器将释放所占用的内存空间，并结束其工作状态，不再接受新的压缩任务。

通常情况下，我们在完成所有的压缩操作后，应该调用 deflateEnd() 函数来释放压缩器所占用的资源，以确保程序的内存使用情况正常，并避免出现内存泄漏等问题。

函数接口讲解

1.deflateInit2()；

int deflateInit2(z_stream *strm, int level, int method, int windowBits, int memLevel, int strategy);

参数说明：

strm：指向一个 z_stream 结构的指针，该结构包含了要初始化的压缩器的相关信息。
level：压缩级别，取值范围为 0 到 9，表示压缩程度从不压缩到最大压缩。常用的值包括 Z_DEFAULT_COMPRESSION （默认压缩级别）和 Z_NO_COMPRESSION （不压缩）。
method：压缩方法，通常为 Z_DEFLATED，表示使用 DEFLATE 压缩算法。
windowBits：窗口大小，通常取值为 -15 到 -8，其中 -15 表示使用默认窗口大小（最大压缩），而其他值可以用于指定自定义的窗口大小。
memLevel：内存级别，用于控制内存的使用，取值范围为 1 到 9。
strategy：压缩策略，包括 Z_DEFAULT_STRATEGY（默认策略）、Z_FILTERED（滤波器策略）和 Z_HUFFMAN_ONLY（仅霍夫曼编码）等。

strategy压缩策略如何选择

Z_DEFAULT_STRATEGY（默认策略）：
- 这是默认的压缩策略，它在大多数情况下表现良好。
- 它使用 zlib 库内部的启发式算法来选择最佳的压缩方法。
- 在大多数情况下，Z_DEFAULT_STRATEGY 提供了良好的压缩比和速度。
Z_FILTERED（滤波器策略）：
- 滤波器策略主要适用于数据流中包含重复模式的情况，例如，图像数据或者音频数据。
- 这个策略使用了更复杂的滤波器算法，以便更好地识别和利用数据中的重复模式。
- 滤波器策略通常可以获得更好的压缩比，但可能会导致压缩速度变慢。
Z_HUFFMAN_ONLY（仅霍夫曼编码）：
- 这个策略强制使用霍夫曼编码来压缩数据，而不使用其他压缩算法。
- 霍夫曼编码通常在文本数据或者其他具有高度可预测性的数据上表现良好，但在一般情况下可能不如其他算法那样有效。
- Z_HUFFMAN_ONLY 策略通常会牺牲一些压缩比以换取更快的压缩速度。

综合来说，选择合适的压缩策略取决于应用场景和数据特点。对于大多数通用数据，Z_DEFAULT_STRATEGY 是一个良好的选择。如果数据中存在明显的重复模式，可以考虑使用 Z_FILTERED 策略来获得更好的压缩效果。而 Z_HUFFMAN_ONLY 策略则适用于特定类型的数据，例如文本数据。

2.int deflate();

int deflate(z_stream *strm, int flush);

参数说明：

strm：指向一个 z_stream 结构体的指针，包含了压缩器的相关信息，包括输入数据和输出缓冲区等。
flush：操作标志，用于指定执行压缩操作的方式。可选的值有：
- Z_NO_FLUSH：普通压缩操作，压缩器将尽可能多地将输入数据压缩到输出缓冲区中，但不保证输出缓冲区被填满。
- Z_SYNC_FLUSH：同步刷新操作，压缩器将立即将尽可能多的输入数据压缩到输出缓冲区中，并且保证输出缓冲区被填满。
- Z_FULL_FLUSH：完全刷新操作，类似于 Z_SYNC_FLUSH，但同时清空压缩器的内部状态，使得压缩后的数据可以独立解压缩。
- Z_FINISH：结束操作，表示输入数据已经全部传递给压缩器，压缩器在压缩完成后返回。

返回值：

deflate() 函数返回一个整数值，表示压缩操作的状态。可能的返回值有：

Z_OK：表示压缩操作成功。
Z_STREAM_END：表示输入数据已经被完全压缩，并且压缩器处于结束状态。
Z_BUF_ERROR：表示输出缓冲区不足，需要更大的缓冲区才能继续执行压缩操作。
Z_STREAM_ERROR：表示压缩器内部状态错误，通常是由于参数设置不正确或者其他原因造成的。

3.deflateEnd()

int deflateEnd(z_stream *strm);

参数说明：

strm：指向一个 z_stream 结构体的指针，用于传递压缩器的相关信息。

返回值：

deflateEnd() 函数返回一个整数值，表示结束压缩器工作的状态。可能的返回值有：

Z_OK：表示压缩器工作结束成功，相关资源已被释放。
Z_STREAM_ERROR：表示压缩器内部状态错误，通常是由于参数设置不正确或者其他原因造成的。

数据压缩流程概述

数据压缩的流程一般包括以下几个步骤：

设置压缩器参数：初始化压缩器并设置相关的参数，包括压缩级别、压缩方法、窗口大小等。
传递待压缩数据：将待压缩的数据传递给压缩器。
执行压缩：执行压缩操作，并将压缩后的数据写入输出缓冲区。
写入压缩后的数据：将压缩后的数据写入到输出文件或输出流中。
结束压缩：释放压缩器所占用的资源，并结束压缩操作。

在下面的示例中，我们将详细讨论每个步骤，并演示如何使用 zlib 库中的函数来实现这些操作。

2. 流程详解

2.1. 设置压缩器参数

在使用 zlib 库进行数据压缩之前，我们需要初始化一个压缩流 z_stream，并设置相关的参数。下面是设置压缩器参数的代码示例：

z_stream zs;
zs.zalloc = Z_NULL;
zs.zfree = Z_NULL;
zs.opaque = Z_NULL;
if (deflateInit2(&zs, Z_DEFAULT_COMPRESSION, Z_DEFLATED, 15 | 16, 8, Z_FILTERED) != Z_OK)
{std::cout << "Failed to initialize zlib deflate!" << std::endl;// 处理初始化失败的情况
}

在这段代码中，我们初始化了一个 z_stream 结构体，并将其相关参数设置为 Z_NULL。然后，我们使用 deflateInit2() 函数初始化压缩器，并设置了压缩级别、压缩方法、窗口大小等参数。如果初始化失败，函数将返回 Z_OK，我们需要进行错误处理。

1. zs.zalloc

zs.zalloc 是一个指向内存分配函数的指针。当 zlib 需要分配内存来存储压缩或解压缩所需的数据结构时，它会调用这个指针指向的函数来分配内存。通常情况下，我们可以将这个指针设置为 Z_NULL，表示使用默认的内存分配函数（即 malloc() 函数）。如果需要使用自定义的内存分配函数，我们可以将这个指针设置为指向我们自定义的分配函数。

2. zs.zfree

zs.zfree 是一个指向内存释放函数的指针。当 zlib 需要释放之前分配的内存时，它会调用这个指针指向的函数来释放内存。通常情况下，我们可以将这个指针设置为 Z_NULL，表示使用默认的内存释放函数（即 free() 函数）。如果需要使用自定义的内存释放函数，我们可以将这个指针设置为指向我们自定义的释放函数。

3. zs.opaque

zs.opaque 是一个指向透明对象的指针，用于传递额外的参数给内存分配和释放函数。当 zlib 调用内存分配和释放函数时，它会将 zs.opaque 指针指向的对象传递给这些函数，以便我们可以在函数中访问和使用这些额外的参数。通常情况下，我们可以将这个指针设置为 Z_NULL，表示不需要传递额外的参数。如果需要传递额外的参数给内存分配和释放函数，我们可以将这个指针设置为指向我们所需的对象。

2.2. 传递待压缩数据

接下来，我们需要将待压缩的数据传递给压缩器。这里我们将使用 zs.next_in 指针来指向待压缩的数据，并使用 zs.avail_in 来指定待压缩数据的大小。下面是传递待压缩数据的代码示例：

zs.next_in = (Bytef *)body.c_str();
zs.avail_in = body.size();

在这段代码中，我们将待压缩的数据的指针和大小设置到 z_stream 结构体中，以便压缩器可以对其进行压缩操作。

具体讲解：

zs.next_in = (Bytef *)body.c_str();：
- zs.next_in 是指向将要被压缩的数据的指针。
- body.c_str() 返回一个指向字符串 body 存储的字符数组的指针，类型为 const char *。
- (Bytef *) 这部分是类型转换，将 const char * 转换为 Bytef * 类型，Bytef 类型是 zlib 库定义的无符号字节类型，用于表示字节数据。
- 这样，zs.next_in 就指向了 body 字符串的首地址，即要被压缩的数据的起始位置。
zs.avail_in = body.size();：
- zs.avail_in 表示待压缩的数据的字节大小。
- body.size() 返回字符串 body 中字符的数量，即待压缩的数据的大小。
- 这样，zs.avail_in 就设置为了待压缩数据的字节大小。

这两行代码的作用是将待压缩的数据的指针和大小设置到压缩流结构体 z_stream 中，以便后续的压缩操作可以正确地处理这些数据。

2.3. 执行压缩

一旦设置了压缩器的参数和输入数据，我们就可以执行压缩操作了。我们使用 deflate() 函数来执行压缩操作，并将压缩后的数据写入输出缓冲区。下面是执行压缩操作的代码示例：

char outbuffer[32768];
//这两行代码用于设置 zlib 压缩流 z_stream 的输出参数
zs.next_out = reinterpret_cast<Bytef *>(outbuffer);
zs.avail_out = sizeof(outbuffer);if (deflate(&zs, Z_FINISH) == Z_STREAM_ERROR)
{std::cout << "Failed to deflate data!" << std::endl;// 处理压缩失败的情况
}

在这段代码中，我们准备了一个输出缓冲区 outbuffer，并将其地址设置到 zs.next_out 指针中。然后，我们指定输出缓冲区的大小到 zs.avail_out 中，并使用 deflate() 函数执行压缩操作。如果压缩操作失败，函数将返回 Z_STREAM_ERROR，我们需要进行错误处理。

具体讲解：

zs.next_out = reinterpret_cast<Bytef *>(outbuffer);：
- zs.next_out 是指向用于存储压缩后数据的缓冲区的指针。
- reinterpret_cast<Bytef *>(outbuffer) 将 outbuffer 缓冲区的地址转换为 Bytef * 类型，Bytef 类型是 zlib 库定义的无符号字节类型，用于表示字节数据。
- 这样，zs.next_out 就指向了用于存储压缩后数据的缓冲区的起始位置。
zs.avail_out = sizeof(outbuffer);：
- zs.avail_out 表示输出缓冲区的大小，即缓冲区可用于存储的字节数。
- sizeof(outbuffer) 返回 outbuffer 缓冲区的大小，即缓冲区的总容量。
- 这样，zs.avail_out 就设置为了输出缓冲区的大小。

这两行代码的作用是将用于存储压缩后数据的缓冲区的指针和大小设置到压缩流结构体 z_stream 中，以便 deflate() 函数可以将压缩后的数据写入到这个缓冲区中。

2.4. 写入压缩后的数据

压缩操作完成后，我们将压缩后的数据写入到输出文件或输出流中。在这个示例中，我们将压缩后的数据写入到输出文件中。下面是写入压缩后的数据的代码示例：

ofs.write(outbuffer, sizeof(outbuffer) - zs.avail_out);

在这段代码中，我们使用 write() 函数将压缩后的数据写入到输出文件中。我们从输出缓冲区中写入数据的大小是 sizeof(outbuffer) - zs.avail_out，即实际压缩后数据的大小。

2.5. 结束压缩

最后，我们需要结束压缩器的工作，并释放相关资源。我们使用 deflateEnd() 函数来结束压缩器的工作，释放压缩器所占用的内存空间。下面是结束压缩器工作的代码示例：

deflateEnd(&zs);

在这段代码中，我们调用 deflateEnd() 函数结束压缩器的工作，并传入 z_stream 结构体的指针作为参数。这样，压缩器就会释放所占用的资源，并结束压缩操作。

具体讲解：

deflateEnd() 函数用于结束压缩器的工作，并释放相关资源。这个函数会清理 z_stream 结构体和与之关联的内存空间，以及释放压缩所需的其他资源。具体来说，deflateEnd() 函数会完成以下操作：

清理和释放与给定的 z_stream 结构体相关联的压缩状态。
释放任何由压缩器分配的内存，例如压缩器使用的内部缓冲区。
结束压缩器的工作并释放相关资源，使得压缩器可以被重新初始化或销毁。

在使用 deflate() 函数完成所有压缩操作后，应该调用 deflateEnd() 函数来释放压缩器所占用的资源。这样可以确保程序在完成压缩任务后正确释放内存，并避免内存泄漏等问题。

实现一个压缩函数的完整API实例

        bool SetCompressedContent(const std::string &body){std::ofstream ofs;ofs.open(_name + ".gz", std::ios::binary); // 以二进制写入模式打开压缩文件if (!ofs.is_open()){std::cout << "Failed to open compressed file!" << std::endl;return false;}z_stream zs;zs.zalloc = Z_NULL;zs.zfree = Z_NULL;zs.opaque = Z_NULL;if (deflateInit2(&zs, Z_DEFAULT_COMPRESSION, Z_DEFLATED, 15 | 16, 8, Z_FILTERED) != Z_OK){std::cout << "Failed to initialize zlib deflate!" << std::endl;ofs.close();return false;}zs.next_in = (Bytef *)body.c_str();zs.avail_in = body.size();char outbuffer[32768];do{zs.next_out = reinterpret_cast<Bytef *>(outbuffer);zs.avail_out = sizeof(outbuffer);if (deflate(&zs, Z_FINISH) == Z_STREAM_ERROR){std::cout << "Failed to deflate data!" << std::endl;deflateEnd(&zs);ofs.close();return false;}ofs.write(outbuffer, sizeof(outbuffer) - zs.avail_out);} while (zs.avail_out == 0);deflateEnd(&zs);ofs.close();return true;}