LZW数据压缩算法的原理分析

LZW数据压缩算法是一种基于字典的数据压缩算法，它通过构建字典来实现对输入数据的压缩。其主要流程如下：

1.初始化：先将所有单个字符加入字典中。

2.构建字典：从输入数据中读取第一个字符，然后依次读取字符直到在字典中找不到该字符串。将这个字符串（除最后一个字符）在字典中的下标输出并加入字典中，然后从下一个字符重新开始读取。

3.压缩：每次从输入数据中读取一个字符，判断是否在字典中存在。若存在，则将该字符加入已经匹配的字符串中，继续读取下一个字符；若不存在，则将已匹配的字符串在字典中的下标输出并加入字典中，然后从该字符开始重新匹配。

4.输出：将最后的已匹配的字符串在字典中的下标输出。

下面分别介绍该算法的每个步骤：

初始化

在LZW数据压缩算法中，需要一个字典来保存编码过的字符串和相应的编码。初始字典中应包含所有可能出现的单个字符和其编码。一般来说，在8位ASCII字符中，包含256个字符，因此把所有的这些字符与其编码加入到字典中。

构建字典

在开始压缩输入数据之前，需要先用输入数据构建字典。从输入数据中读取第一个字符，并将其作为当前未编码的字符串。继续读取下一个字符，将其加入到当前字符串的末尾，如果当前字符串在字典中出现过，则继续读取下一个字符，直到当前字符串在字典中不存在。此时字典新增一个编码，其值为当前已有编码数量，然后将当前字符串的前缀（去掉最后一个字符）在字典中的下标输出，并将当前字符串加入到字典中。

举个例子，假如输入数据为“ABAABABAABA”，初始字典为：

编码	字符
0	A
1	B
2	C
...	...

在生成编码前，字典中只包含单个字符的编码。读取到第二个字符'B'时，字符串为"AB"，在字典中不存在该字符串，因此将其在字典中的前缀'A'的下标0输出，将字符串"AB"加入到字典中。接着继续读取到字符'A'，字符串变为"ABA"，但在字典中已经存在，因此继续读取下一个字符'B'，得到字符串"ABAB"，在字典中仍存在，继续读取'B'，此时字符串为"ABABA"，在字典中不存在，因此字典新增一个编码，其值为3，将"ABAB"在字典中的前缀"ABA"的下标1输出，然后将"ABABA"加入到字典中。

接下来的过程同上，直到将数据中所有字符串都加入到字典中。

压缩

LZW压缩算法的核心部分是处理输入数据和字典大小的比对。在压缩阶段，每次从输入数据中读入一个字符，与之前匹配的字符串组成一个新的字符串，判断该字符串是否出现在字典中。若出现，则继续读入下一个字符，重新组成新字符串进行匹配；若未出现，则将之前匹配的字符串在字典中的下标输出，并将该新字符串加入到字典中。

举个例子，假如输入数据为“ABAABABAABA”，经过字典构建后，字典为：

编码	字符
0	A
1	B
2	C
3	AB
4	BA
5	ABA
6	ABAB
7	BAA
8	BAAB
9	BAABA

开始压缩时，将第一个字符'A'读入，与之前未匹配的字符组成新字符串"AA"，判断字典中是否存在该字符串，不存在，则将“A”的编码0输出，并将字符串“AA”加入到字典中作为第10个编码。接着读入'B'，与“A”组成新字符串“AB”，在字典中搜索到该字符串对应的编码3，继续读入'A'，与“AB”组成新字符串"ABA"，在字典中没有该字符串，因此将“AB”的编码3输出，并将字符串"ABA"加入到字典中作为第11个编码。以此类推，压缩完成后得到的压缩数据为：0 1 3 0 4 6 11 3 0。

输出

在压缩结束后，需要将未输出的字符串在字典中的编码输出。

举个例子，“ABAABABAABA”这个字符串在经过压缩后，最后一个未输出的字符串为“A”，因此其在字典中的编码为0，因此在输出压缩数据的最后加入一个“0”。

至此，已经完整介绍了LZW数据压缩算法的原理分析，包括初始化、构建字典、压缩和输出四个关键步骤。