Lucene单值编码压缩算法源码解析

算法简介

Lucene单值编码压缩算法是一种占用空间极小、压缩率极高的算法，主要用于Lucene搜索引擎中的索引数据存储。该算法的核心思想是将一个整数序列转化为一个字节数组，最终实现对数据的高效压缩。

算法原理

Lucene单值编码压缩算法采用可变字节长度编码方式，即不同数值的编码长度可能不同。对于一个整数，首先根据它的大小选择合适的长度进行编码，然后将编码结果写入字节数组中。具体分为以下两个步骤：

1. 选择编码长度：可变长度编码方式具体是从高位向低位逐个填写，如果当前位是整数的最高位，则需要使用最大的编码长度；否则需要根据当前值的大小选择合适的长度。具体编码规则如下：

2. 如果整数的值在0-127之间，则占用一个字节；

3. 如果整数的值在128-16383之间，则占用两个字节；

4. 如果整数的值在16384-2097151之间，则占用三个字节；

5. 如果整数的值在2097152-268435455之间，则占用四个字节。

6. 编码整数：将整数的每个字节写入字节数组中，由于可变长度编码方式不同数值的编码长度不同，所以不能直接按照二进制位写入，而需要在最高位中标记出这是最后一个字节，以便在解码时正确计算数字长度。具体编码规则如下：

7. 对于占用一个字节的整数，写入字节的值即为整数的值。

8. 对于占用两个字节的整数，首先将最高位设为1，将整数右移7位后的结果写入字节的最后7位，然后将最高位设为0，将整数右移7位后的结果写入字节的最后7位。

9. 对于占用三个字节的整数，与占用两个字节的整数编码方式类似，只不过需要写入三个字节，并将最高位设为1或0来标记高字节和低字节。

10. 对于占用四个字节的整数，同样参照占用两个字节的整数编码方式，只不过需要写入四个字节，前两个字节表示高字节，后两个字节表示低字节。

示例

下面给出两个示例，其中第一个示例展示了如何将整数序列压缩为字节数组，第二个示例展示了如何将字节数组解压缩为整数序列。

压缩整数序列示例

对于一个包含100个整数的数组，我们想要将它用Lucene单值编码压缩算法压缩为一个字节数组，并且不损失精度。具体实现代码如下：

import array
import struct

def compress_ints(ints):
    # Calculate the maximum number of bytes needed to compress the integers.
    max_size = 0
    for i in range(len(ints)):
        size = 1
        value = ints[i]
        while value >= 128:
            size += 1
            value >>= 7
        max_size += size

    # Allocate a byte array to store the compressed integers.
    buf = bytearray(max_size)

    # Compress each integer.
    pos = 0
    for i in range(len(ints)):
        value = ints[i]
        while value >= 128:
            buf[pos] = (value & 0x7f) | 0x80
            pos += 1
            value >>= 7
        buf[pos] = value
        pos += 1

    # Return the compressed byte array.
    return buf

在上述代码中，我们首先计算需要的最大字节数和一个字节数组的空间，然后使用循环遍历数组中的每个整数，并将每个整数按照可变长度编码方式写入字节数组中。最后返回压缩后的字节数组。

解压缩字节数组示例

对于一个包含100个整数的字节数组，我们想要将它用Lucene单值编码压缩算法进行解压缩，以得到原始的整数序列。具体实现代码如下：

import array
import struct

def decompress_ints(buf):
    ints = []
    pos = 0
    while pos < len(buf):
        value = 0
        shift = 0
        while True:
            b = buf[pos]
            pos += 1
            value |= (b & 0x7f) << shift
            shift += 7
            if (b & 0x80) == 0:
                break
        ints.append(value)
    return ints

在上述代码中，我们首先创建一个空的整数序列，并使用循环遍历字节数组中的每个字节，解码出其中的每个整数。最后返回解压缩后的整数序列。

结论

Lucene单值编码压缩算法是一种极为高效的数据压缩算法，具有占用空间极小、压缩率极高的特点，适用于需要占用极少空间的场景，如搜索引擎中的索引数据存储。