Java压缩算法大全&性能对比

深碍√TFBOYSˉ_ 2023-10-06 21:22 50阅读 0赞

### 前言 ###

游戏开发中，经常在玩家进入游戏的时候进行必要的信息初始化，往往这个初始化信息数据包是相对来说还是比较大的，一般在30-40kb左右，还是有必要进行压缩一下再发送消息。

不光游戏中，我们日常编程中也有其他地方可以用到，刚好前段时间看过，里面列举了一些常用的压缩算法，如下图所示：

![图片][f18d3e11deac210e95bfd83b846ec042.png]

`是否可切分`表示：是否可以搜索数据流的任意位置并进一步往下读取数据，这项功能在Hadoop的MapReduce中尤其适合。

下面对这几种压缩格式进行简单的介绍，并进行`压力测试`，进行`性能比较`

### DEFLATE压缩格式 ###

DEFLATE是同时使用了`LZ77`算法与`哈夫曼编码`（Huffman Coding）的一个无损数据压缩算法。

DEFLATE压缩与解压的源代码可以在自由、通用的压缩库zlib上找到，zlib官网：http://www.zlib.net/

jdk中对zlib压缩库提供了支持，压缩类`Deflater`和解压类`Inflater`，Deflater和Inflater都提供了`native`方法

private native int deflateBytes(long addr, 
                                    byte[] b, 
                                    int off, 
                                    int len,
                                    int flush);

private native int inflateBytes(long addr, 
                                    byte[] b, 
                                    int off, 
                                    int len)
                      throws DataFormatException;

所有可以直接使用jdk提供的压缩类Deflater和解压类Inflater

实现代码如下：

public static byte[] compress(byte input[]) {
        ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();
        Deflater compressor = new Deflater(1);
        try {
            compressor.setInput(input);
            compressor.finish();
            final byte[] buf = new byte[2048];
            while (!compressor.finished()) {
                int count = compressor.deflate(buf);
                bos.write(buf, 0, count);
            }
        } finally {
            compressor.end();
        }
        return bos.toByteArray();
    }
    
    public static byte[] uncompress(byte[] input) throws DataFormatException {
        ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();
        Inflater decompressor = new Inflater();
        try {
            decompressor.setInput(input);
            final byte[] buf = new byte[2048];
            while (!decompressor.finished()) {
                int count = decompressor.inflate(buf);
                bos.write(buf, 0, count);
            }
        } finally {
            decompressor.end();
        }
        return bos.toByteArray();
    }

可以指定算法的压缩级别，这样你可以在压缩时间和输出文件大小上进行平衡。

可选的级别有：`0`（不压缩），以及`1`(快速压缩)到`9`（慢速压缩）。

这里使用的是以速度为优先。

### gzip压缩格式 ###

gzip的实现算法还是`deflate`，只是在deflate格式上增加了`文件头`和`文件尾`。

同样jdk也对gzip提供了支持，分别是`GZIPOutputStream` 和 `GZIPInputStream`类。

同样可以发现GZIPOutputStream是继承于`DeflaterOutputStream`的，GZIPInputStream继承于`InflaterInputStream`，并且可以在源码中发现writeHeader和writeTrailer方法：

private void writeHeader() throws IOException {
         ......
    }
    private void writeTrailer(byte[] buf, int offset) throws IOException {
         ......
    }

具体的代码实现如下：

public static byte[] compress(byte srcBytes[]) {
        ByteArrayOutputStream out = new ByteArrayOutputStream();
        GZIPOutputStream gzip;
        try {
            gzip = new GZIPOutputStream(out);
            gzip.write(srcBytes);
            gzip.close();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return out.toByteArray();
    }
    
    public static byte[] uncompress(byte[] bytes) {
        ByteArrayOutputStream out = new ByteArrayOutputStream();
        ByteArrayInputStream in = new ByteArrayInputStream(bytes);
        try {
            GZIPInputStream ungzip = new GZIPInputStream(in);
            byte[] buffer = new byte[2048];
            int n;
            while ((n = ungzip.read(buffer)) >= 0) {
                out.write(buffer, 0, n);
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    
        return out.toByteArray();
    }

### bzip2压缩格式 ###

bzip2是Julian Seward开发并按照自由软件／开源软件协议发布的数据压缩算法及程序。

Seward在1996年7月第一次公开发布了bzip2 0.15版，在随后几年中这个压缩工具稳定性得到改善并且日渐流行，Seward在2000年晚些时候发布了1.0版。

bzip2比传统的gzip的压缩`效率更高`，但是它的压缩`速度较慢`。

jdk中没有对bzip2实现，但是在commons-compress中进行了实现，maven引入：

<dependency>
        <groupId>org.apache.commons</groupId>
        <artifactId>commons-compress</artifactId>
        <version>1.12</version>
    </dependency>

具体的代码实现如下：

public static byte[] compress(byte srcBytes[]) throws IOException {
        ByteArrayOutputStream out = new ByteArrayOutputStream();
        BZip2CompressorOutputStream bcos = new BZip2CompressorOutputStream(out);
        bcos.write(srcBytes);
        bcos.close();
        return out.toByteArray();
    }
    
    public static byte[] uncompress(byte[] bytes) {
        ByteArrayOutputStream out = new ByteArrayOutputStream();
        ByteArrayInputStream in = new ByteArrayInputStream(bytes);
        try {
            BZip2CompressorInputStream ungzip = new BZip2CompressorInputStream(
                    in);
            byte[] buffer = new byte[2048];
            int n;
            while ((n = ungzip.read(buffer)) >= 0) {
                out.write(buffer, 0, n);
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    
        return out.toByteArray();
    }

下面的介绍的lzo，lz4以及snappy这3中压缩算法，均已压缩速度为优先，但压缩效率稍逊一筹。

### lzo压缩格式 ###

LZO是致力于解压速度的一种数据压缩算法，LZO是Lempel-Ziv-Oberhumer的缩写。这个算法是`无损算法`。

需要引入第三方库，maven引入：

<dependency>
        <groupId>org.anarres.lzo</groupId>
        <artifactId>lzo-core</artifactId>
        <version>1.0.5</version>
    </dependency>

具体实现代码：

public static byte[] compress(byte srcBytes[]) throws IOException {
        LzoCompressor compressor = LzoLibrary.getInstance().newCompressor(
                LzoAlgorithm.LZO1X, null);
    
        ByteArrayOutputStream os = new ByteArrayOutputStream();
        LzoOutputStream cs = new LzoOutputStream(os, compressor);
        cs.write(srcBytes);
        cs.close();
    
        return os.toByteArray();
    }
    
    public static byte[] uncompress(byte[] bytes) throws IOException {
        LzoDecompressor decompressor = LzoLibrary.getInstance()
                .newDecompressor(LzoAlgorithm.LZO1X, null);
        ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();
        ByteArrayInputStream is = new ByteArrayInputStream(bytes);
        LzoInputStream us = new LzoInputStream(is, decompressor);
        int count;
        byte[] buffer = new byte[2048];
        while ((count = us.read(buffer)) != -1) {
            baos.write(buffer, 0, count);
        }
        return baos.toByteArray();
    }

### lz4压缩格式 ###

LZ4是一种无损数据压缩算法，着重于压缩和解压缩速度更多wikilz4

maven引入第三方库：

<dependency>
        <groupId>net.jpountz.lz4</groupId>
        <artifactId>lz4</artifactId>
        <version>1.2.0</version>
    </dependency>

具体代码实现：

public static byte[] compress(byte srcBytes[]) throws IOException {
        LZ4Factory factory = LZ4Factory.fastestInstance();
        ByteArrayOutputStream byteOutput = new ByteArrayOutputStream();
        LZ4Compressor compressor = factory.fastCompressor();
        LZ4BlockOutputStream compressedOutput = new LZ4BlockOutputStream(
                byteOutput, 2048, compressor);
        compressedOutput.write(srcBytes);
        compressedOutput.close();
        return byteOutput.toByteArray();
    }
    
    public static byte[] uncompress(byte[] bytes) throws IOException {
        LZ4Factory factory = LZ4Factory.fastestInstance();
        ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();
        LZ4FastDecompressor decompresser = factory.fastDecompressor();
        LZ4BlockInputStream lzis = new LZ4BlockInputStream(
                new ByteArrayInputStream(bytes), decompresser);
        int count;
        byte[] buffer = new byte[2048];
        while ((count = lzis.read(buffer)) != -1) {
            baos.write(buffer, 0, count);
        }
        lzis.close();
        return baos.toByteArray();
    }

### snappy压缩格式 ###

Snappy（以前称Zippy）是Google基于LZ77的思路用C++语言编写的快速数据压缩与解压程序库，并在2011年开源。

它的目标并非最大压缩率或与其他压缩程序库的兼容性，而是非常高的速度和合理的压缩率。

maven引入第三方库：

<dependency>
        <groupId>org.xerial.snappy</groupId>
        <artifactId>snappy-java</artifactId>
        <version>1.1.2.6</version>
    </dependency>

具体代码实现：

public static byte[] compress(byte srcBytes[]) throws IOException {
        return  Snappy.compress(srcBytes);
    }
    
    public static byte[] uncompress(byte[] bytes) throws IOException {
        return Snappy.uncompress(bytes);
    }

### 压力测试 ###

以下对35kb玩家数据进行压缩和解压测试，相对来说35kb数据还是很小量的数据。

所有以下测试结果只是针对指定的数据量区间进行测试的结果，并不能说明哪种压缩算法好与不好。

对35kb数据进行2000次压缩和解压缩测试，测试代码如下：

public static void main(String[] args) throws Exception {
        FileInputStream fis = new FileInputStream(new File("player.dat"));
        FileChannel channel = fis.getChannel();
        ByteBuffer bb = ByteBuffer.allocate((int) channel.size());
        channel.read(bb);
        byte[] beforeBytes = bb.array();
    
        int times = 2000;
        System.out.println("压缩前大小：" + beforeBytes.length + " bytes");
        long startTime1 = System.currentTimeMillis();
        byte[] afterBytes = null;
        for (int i = 0; i < times; i++) {
            afterBytes = GZIPUtil.compress(beforeBytes);
        }
        long endTime1 = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("压缩后大小：" + afterBytes.length + " bytes");
        System.out.println("压缩次数：" + times + "，时间：" + (endTime1 - startTime1)
                + "ms");
    
        byte[] resultBytes = null;
        long startTime2 = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < times; i++) {
            resultBytes = GZIPUtil.uncompress(afterBytes);
        }
        System.out.println("解压缩后大小：" + resultBytes.length + " bytes");
        long endTime2 = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("解压缩次数：" + times + "，时间：" + (endTime2 - startTime2)
                + "ms");
    }

代码中的GZIPUtil根据不同的算法进行替换，测试结果如下图所示：

![图片][307a4826278dd2868cefc3e3b7df3d45.png]

分别对压缩前大小、压缩后大小、压缩时间、解压缩时间、cpu高峰进行了统计

### 总结 ###

从结果来看，deflate、gzip和bzip2更关注压缩率，压缩和解压缩时间会更长；

lzo，lz4以及snappy这3中压缩算法，均已压缩速度为优先，压缩率会稍逊一筹；lzo，lz4以及snappy在cpu高峰更低一点。

因为在容忍的压缩率之内，我们更加关注压缩和解压缩时间，以及cpu使用，所有最终使用了snappy。

不难发现snappy在压缩和解压缩时间以及cpu高峰都是最低的，并且在压力率上也没有太多的劣势。

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