]> CyberLeo.Net >> Repos - FreeBSD/FreeBSD.git/blob - contrib/zstd/doc/zstd_compression_format.md
Import zstandard 1.3.1
[FreeBSD/FreeBSD.git] / contrib / zstd / doc / zstd_compression_format.md
1 Zstandard Compression Format
2 ============================
3
4 ### Notices
5
6 Copyright (c) 2016-present Yann Collet, Facebook, Inc.
7
8 Permission is granted to copy and distribute this document
9 for any purpose and without charge,
10 including translations into other languages
11 and incorporation into compilations,
12 provided that the copyright notice and this notice are preserved,
13 and that any substantive changes or deletions from the original
14 are clearly marked.
15 Distribution of this document is unlimited.
16
17 ### Version
18
19 0.2.6 (19/08/17)
20
21
22 Introduction
23 ------------
24
25 The purpose of this document is to define a lossless compressed data format,
26 that is independent of CPU type, operating system,
27 file system and character set, suitable for
28 file compression, pipe and streaming compression,
29 using the [Zstandard algorithm](http://www.zstandard.org).
30
31 The data can be produced or consumed,
32 even for an arbitrarily long sequentially presented input data stream,
33 using only an a priori bounded amount of intermediate storage,
34 and hence can be used in data communications.
35 The format uses the Zstandard compression method,
36 and optional [xxHash-64 checksum method](http://www.xxhash.org),
37 for detection of data corruption.
38
39 The data format defined by this specification
40 does not attempt to allow random access to compressed data.
41
42 This specification is intended for use by implementers of software
43 to compress data into Zstandard format and/or decompress data from Zstandard format.
44 The text of the specification assumes a basic background in programming
45 at the level of bits and other primitive data representations.
46
47 Unless otherwise indicated below,
48 a compliant compressor must produce data sets
49 that conform to the specifications presented here.
50 It doesn’t need to support all options though.
51
52 A compliant decompressor must be able to decompress
53 at least one working set of parameters
54 that conforms to the specifications presented here.
55 It may also ignore informative fields, such as checksum.
56 Whenever it does not support a parameter defined in the compressed stream,
57 it must produce a non-ambiguous error code and associated error message
58 explaining which parameter is unsupported.
59
60 ### Overall conventions
61 In this document:
62 - square brackets i.e. `[` and `]` are used to indicate optional fields or parameters.
63 - the naming convention for identifiers is `Mixed_Case_With_Underscores`
64
65 ### Definitions
66 Content compressed by Zstandard is transformed into a Zstandard __frame__.
67 Multiple frames can be appended into a single file or stream.
68 A frame is completely independent, has a defined beginning and end,
69 and a set of parameters which tells the decoder how to decompress it.
70
71 A frame encapsulates one or multiple __blocks__.
72 Each block can be compressed or not,
73 and has a guaranteed maximum content size, which depends on frame parameters.
74 Unlike frames, each block depends on previous blocks for proper decoding.
75 However, each block can be decompressed without waiting for its successor,
76 allowing streaming operations.
77
78 Overview
79 ---------
80 - [Frames](#frames)
81   - [Zstandard frames](#zstandard-frames)
82     - [Blocks](#blocks)
83       - [Literals Section](#literals-section)
84       - [Sequences Section](#sequences-section)
85       - [Sequence Execution](#sequence-execution)
86   - [Skippable frames](#skippable-frames)
87 - [Entropy Encoding](#entropy-encoding)
88   - [FSE](#fse)
89   - [Huffman Coding](#huffman-coding)
90 - [Dictionary Format](#dictionary-format)
91
92 Frames
93 ------
94 Zstandard compressed data is made of up one or more __frames__.
95 Each frame is independent and can be decompressed indepedently of other frames.
96 The decompressed content of multiple concatenated frames is the concatenation of
97 each frames decompressed content.
98
99 There are two frame formats defined by Zstandard:
100   Zstandard frames and Skippable frames.
101 Zstandard frames contain compressed data, while
102 skippable frames contain no data and can be used for metadata.
103
104 ## Zstandard frames
105 The structure of a single Zstandard frame is following:
106
107 | `Magic_Number` | `Frame_Header` |`Data_Block`| [More data blocks] | [`Content_Checksum`] |
108 |:--------------:|:--------------:|:----------:| ------------------ |:--------------------:|
109 |  4 bytes       |  2-14 bytes    |  n bytes   |                    |     0-4 bytes        |
110
111 __`Magic_Number`__
112
113 4 Bytes, __little-endian__ format.
114 Value : 0xFD2FB528
115
116 __`Frame_Header`__
117
118 2 to 14 Bytes, detailed in [`Frame_Header`](#frame_header).
119
120 __`Data_Block`__
121
122 Detailed in [`Blocks`](#blocks).
123 That’s where compressed data is stored.
124
125 __`Content_Checksum`__
126
127 An optional 32-bit checksum, only present if `Content_Checksum_flag` is set.
128 The content checksum is the result
129 of [xxh64() hash function](http://www.xxhash.org)
130 digesting the original (decoded) data as input, and a seed of zero.
131 The low 4 bytes of the checksum are stored in __little-endian__ format.
132
133 ### `Frame_Header`
134
135 The `Frame_Header` has a variable size, with a minimum of 2 bytes,
136 and up to 14 bytes depending on optional parameters.
137 The structure of `Frame_Header` is following:
138
139 | `Frame_Header_Descriptor` | [`Window_Descriptor`] | [`Dictionary_ID`] | [`Frame_Content_Size`] |
140 | ------------------------- | --------------------- | ----------------- | ---------------------- |
141 | 1 byte                    | 0-1 byte              | 0-4 bytes         | 0-8 bytes              |
142
143 #### `Frame_Header_Descriptor`
144
145 The first header's byte is called the `Frame_Header_Descriptor`.
146 It describes which other fields are present.
147 Decoding this byte is enough to tell the size of `Frame_Header`.
148
149 | Bit number | Field name                |
150 | ---------- | ----------                |
151 | 7-6        | `Frame_Content_Size_flag` |
152 | 5          | `Single_Segment_flag`     |
153 | 4          | `Unused_bit`              |
154 | 3          | `Reserved_bit`            |
155 | 2          | `Content_Checksum_flag`   |
156 | 1-0        | `Dictionary_ID_flag`      |
157
158 In this table, bit 7 is the highest bit, while bit 0 is the lowest one.
159
160 __`Frame_Content_Size_flag`__
161
162 This is a 2-bits flag (`= Frame_Header_Descriptor >> 6`),
163 specifying if `Frame_Content_Size` (the decompressed data size)
164 is provided within the header.
165 `Flag_Value` provides `FCS_Field_Size`,
166 which is the number of bytes used by `Frame_Content_Size`
167 according to the following table:
168
169 |  `Flag_Value`  |    0   |  1  |  2  |  3  |
170 | -------------- | ------ | --- | --- | --- |
171 |`FCS_Field_Size`| 0 or 1 |  2  |  4  |  8  |
172
173 When `Flag_Value` is `0`, `FCS_Field_Size` depends on `Single_Segment_flag` :
174 if `Single_Segment_flag` is set, `Field_Size` is 1.
175 Otherwise, `Field_Size` is 0 : `Frame_Content_Size` is not provided.
176
177 __`Single_Segment_flag`__
178
179 If this flag is set,
180 data must be regenerated within a single continuous memory segment.
181
182 In this case, `Window_Descriptor` byte is skipped,
183 but `Frame_Content_Size` is necessarily present.
184 As a consequence, the decoder must allocate a memory segment
185 of size equal or bigger than `Frame_Content_Size`.
186
187 In order to preserve the decoder from unreasonable memory requirements,
188 a decoder is allowed to reject a compressed frame
189 which requests a memory size beyond decoder's authorized range.
190
191 For broader compatibility, decoders are recommended to support
192 memory sizes of at least 8 MB.
193 This is only a recommendation,
194 each decoder is free to support higher or lower limits,
195 depending on local limitations.
196
197 __`Unused_bit`__
198
199 The value of this bit should be set to zero.
200 A decoder compliant with this specification version shall not interpret it.
201 It might be used in a future version,
202 to signal a property which is not mandatory to properly decode the frame.
203
204 __`Reserved_bit`__
205
206 This bit is reserved for some future feature.
207 Its value _must be zero_.
208 A decoder compliant with this specification version must ensure it is not set.
209 This bit may be used in a future revision,
210 to signal a feature that must be interpreted to decode the frame correctly.
211
212 __`Content_Checksum_flag`__
213
214 If this flag is set, a 32-bits `Content_Checksum` will be present at frame's end.
215 See `Content_Checksum` paragraph.
216
217 __`Dictionary_ID_flag`__
218
219 This is a 2-bits flag (`= FHD & 3`),
220 telling if a dictionary ID is provided within the header.
221 It also specifies the size of this field as `Field_Size`.
222
223 |`Flag_Value`|  0  |  1  |  2  |  3  |
224 | ---------- | --- | --- | --- | --- |
225 |`Field_Size`|  0  |  1  |  2  |  4  |
226
227 #### `Window_Descriptor`
228
229 Provides guarantees on minimum memory buffer required to decompress a frame.
230 This information is important for decoders to allocate enough memory.
231
232 The `Window_Descriptor` byte is optional.
233 When `Single_Segment_flag` is set, `Window_Descriptor` is not present.
234 In this case, `Window_Size` is `Frame_Content_Size`,
235 which can be any value from 0 to 2^64-1 bytes (16 ExaBytes).
236
237 | Bit numbers |     7-3    |     2-0    |
238 | ----------- | ---------- | ---------- |
239 | Field name  | `Exponent` | `Mantissa` |
240
241 The minimum memory buffer size is called `Window_Size`.
242 It is described by the following formulas :
243 ```
244 windowLog = 10 + Exponent;
245 windowBase = 1 << windowLog;
246 windowAdd = (windowBase / 8) * Mantissa;
247 Window_Size = windowBase + windowAdd;
248 ```
249 The minimum `Window_Size` is 1 KB.
250 The maximum `Window_Size` is `(1<<41) + 7*(1<<38)` bytes, which is 3.75 TB.
251
252 To properly decode compressed data,
253 a decoder will need to allocate a buffer of at least `Window_Size` bytes.
254
255 In order to preserve decoder from unreasonable memory requirements,
256 a decoder is allowed to reject a compressed frame
257 which requests a memory size beyond decoder's authorized range.
258
259 For improved interoperability,
260 decoders are recommended to be compatible with `Window_Size >= 8 MB`,
261 and encoders are recommended to not request more than 8 MB.
262 It's merely a recommendation though,
263 decoders are free to support larger or lower limits,
264 depending on local limitations.
265
266 #### `Dictionary_ID`
267
268 This is a variable size field, which contains
269 the ID of the dictionary required to properly decode the frame.
270 `Dictionary_ID` field is optional. When it's not present,
271 it's up to the decoder to make sure it uses the correct dictionary.
272
273 Field size depends on `Dictionary_ID_flag`.
274 1 byte can represent an ID 0-255.
275 2 bytes can represent an ID 0-65535.
276 4 bytes can represent an ID 0-4294967295.
277 Format is __little-endian__.
278
279 It's allowed to represent a small ID (for example `13`)
280 with a large 4-bytes dictionary ID, even if it is less efficient.
281
282 _Reserved ranges :_
283 If the frame is going to be distributed in a private environment,
284 any dictionary ID can be used.
285 However, for public distribution of compressed frames using a dictionary,
286 the following ranges are reserved and shall not be used :
287 - low range  : `<= 32767`
288 - high range : `>= (1 << 31)`
289
290 #### `Frame_Content_Size`
291
292 This is the original (uncompressed) size. This information is optional.
293 `Frame_Content_Size` uses a variable number of bytes, provided by `FCS_Field_Size`.
294 `FCS_Field_Size` is provided by the value of `Frame_Content_Size_flag`.
295 `FCS_Field_Size` can be equal to 0 (not present), 1, 2, 4 or 8 bytes.
296
297 | `FCS_Field_Size` |    Range   |
298 | ---------------- | ---------- |
299 |        0         |   unknown  |
300 |        1         |   0 - 255  |
301 |        2         | 256 - 65791|
302 |        4         | 0 - 2^32-1 |
303 |        8         | 0 - 2^64-1 |
304
305 `Frame_Content_Size` format is __little-endian__.
306 When `FCS_Field_Size` is 1, 4 or 8 bytes, the value is read directly.
307 When `FCS_Field_Size` is 2, _the offset of 256 is added_.
308 It's allowed to represent a small size (for example `18`) using any compatible variant.
309
310
311 Blocks
312 -------
313
314 After `Magic_Number` and `Frame_Header`, there are some number of blocks.
315 Each frame must have at least one block,
316 but there is no upper limit on the number of blocks per frame.
317
318 The structure of a block is as follows:
319
320 | `Block_Header` | `Block_Content` |
321 |:--------------:|:---------------:|
322 |    3 bytes     |     n bytes     |
323
324 `Block_Header` uses 3 bytes, written using __little-endian__ convention.
325 It contains 3 fields :
326
327 | `Last_Block` | `Block_Type` | `Block_Size` |
328 |:------------:|:------------:|:------------:|
329 |    bit 0     |  bits 1-2    |  bits 3-23   |
330
331 __`Last_Block`__
332
333 The lowest bit signals if this block is the last one.
334 The frame will end after this last block.
335 It may be followed by an optional `Content_Checksum`
336 (see [Zstandard Frames](#zstandard-frames)).
337
338 __`Block_Type`__
339
340 The next 2 bits represent the `Block_Type`.
341 There are 4 block types :
342
343 |    Value     |      0      |      1      |         2          |     3     |
344 | ------------ | ----------- | ----------- | ------------------ | --------- |
345 | `Block_Type` | `Raw_Block` | `RLE_Block` | `Compressed_Block` | `Reserved`|
346
347 - `Raw_Block` - this is an uncompressed block.
348   `Block_Content` contains `Block_Size` bytes.
349
350 - `RLE_Block` - this is a single byte, repeated `Block_Size` times.
351   `Block_Content` consists of a single byte.
352   On the decompression side, this byte must be repeated `Block_Size` times.
353
354 - `Compressed_Block` - this is a [Zstandard compressed block](#compressed-blocks),
355   explained later on.
356   `Block_Size` is the length of `Block_Content`, the compressed data.
357   The decompressed size is not known,
358   but its maximum possible value is guaranteed (see below)
359
360 - `Reserved` - this is not a block.
361   This value cannot be used with current version of this specification.
362
363 __`Block_Size`__
364
365 The upper 21 bits of `Block_Header` represent the `Block_Size`.
366
367 Block sizes must respect a few rules :
368 - For `Compressed_Block`, `Block_Size` is always strictly less than decompressed size.
369 - Block decompressed size is always <= `Window_Size`
370 - Block decompressed size is always <= 128 KB.
371
372 A block can contain any number of bytes (even empty),
373 up to `Block_Maximum_Decompressed_Size`, which is the smallest of :
374 - `Window_Size`
375 - 128 KB
376
377
378 Compressed Blocks
379 -----------------
380 To decompress a compressed block, the compressed size must be provided
381 from `Block_Size` field within `Block_Header`.
382
383 A compressed block consists of 2 sections :
384 - [Literals Section](#literals-section)
385 - [Sequences Section](#sequences-section)
386
387 The results of the two sections are then combined to produce the decompressed
388 data in [Sequence Execution](#sequence-execution)
389
390 #### Prerequisites
391 To decode a compressed block, the following elements are necessary :
392 - Previous decoded data, up to a distance of `Window_Size`,
393   or all previously decoded data when `Single_Segment_flag` is set.
394 - List of "recent offsets" from previous `Compressed_Block`.
395 - Decoding tables of previous `Compressed_Block` for each symbol type
396   (literals, literals lengths, match lengths, offsets).
397
398 Literals Section
399 ----------------
400 All literals are regrouped in the first part of the block.
401 They can be decoded first, and then copied during [Sequence Execution],
402 or they can be decoded on the flow during [Sequence Execution].
403
404 Literals can be stored uncompressed or compressed using Huffman prefix codes.
405 When compressed, an optional tree description can be present,
406 followed by 1 or 4 streams.
407
408 | `Literals_Section_Header` | [`Huffman_Tree_Description`] | Stream1 | [Stream2] | [Stream3] | [Stream4] |
409 | ------------------------- | ---------------------------- | ------- | --------- | --------- | --------- |
410
411
412 #### `Literals_Section_Header`
413
414 Header is in charge of describing how literals are packed.
415 It's a byte-aligned variable-size bitfield, ranging from 1 to 5 bytes,
416 using __little-endian__ convention.
417
418 | `Literals_Block_Type` | `Size_Format` | `Regenerated_Size` | [`Compressed_Size`] |
419 | --------------------- | ------------- | ------------------ | ------------------- |
420 |       2 bits          |  1 - 2 bits   |    5 - 20 bits     |     0 - 18 bits     |
421
422 In this representation, bits on the left are the lowest bits.
423
424 __`Literals_Block_Type`__
425
426 This field uses 2 lowest bits of first byte, describing 4 different block types :
427
428 | `Literals_Block_Type`       | Value |
429 | --------------------------- | ----- |
430 | `Raw_Literals_Block`        |   0   |
431 | `RLE_Literals_Block`        |   1   |
432 | `Compressed_Literals_Block` |   2   |
433 | `Treeless_Literals_Block`   |   3   |
434
435 - `Raw_Literals_Block` - Literals are stored uncompressed.
436 - `RLE_Literals_Block` - Literals consist of a single byte value
437         repeated `Regenerated_Size` times.
438 - `Compressed_Literals_Block` - This is a standard Huffman-compressed block,
439         starting with a Huffman tree description.
440         See details below.
441 - `Treeless_Literals_Block` - This is a Huffman-compressed block,
442         using Huffman tree _from previous Huffman-compressed literals block_.
443         `Huffman_Tree_Description` will be skipped.
444         Note: If this mode is triggered without any previous Huffman-table in the frame
445         (or [dictionary](#dictionary-format)), this should be treated as data corruption.
446
447 __`Size_Format`__
448
449 `Size_Format` is divided into 2 families :
450
451 - For `Raw_Literals_Block` and `RLE_Literals_Block`,
452   it's only necessary to decode `Regenerated_Size`.
453   There is no `Compressed_Size` field.
454 - For `Compressed_Block` and `Treeless_Literals_Block`,
455   it's required to decode both `Compressed_Size`
456   and `Regenerated_Size` (the decompressed size).
457   It's also necessary to decode the number of streams (1 or 4).
458
459 For values spanning several bytes, convention is __little-endian__.
460
461 __`Size_Format` for `Raw_Literals_Block` and `RLE_Literals_Block`__ :
462
463 - Value ?0 : `Size_Format` uses 1 bit.
464                `Regenerated_Size` uses 5 bits (0-31).
465                `Literals_Section_Header` has 1 byte.
466                `Regenerated_Size = Header[0]>>3`
467 - Value 01 : `Size_Format` uses 2 bits.
468                `Regenerated_Size` uses 12 bits (0-4095).
469                `Literals_Section_Header` has 2 bytes.
470                `Regenerated_Size = (Header[0]>>4) + (Header[1]<<4)`
471 - Value 11 : `Size_Format` uses 2 bits.
472                `Regenerated_Size` uses 20 bits (0-1048575).
473                `Literals_Section_Header` has 3 bytes.
474                `Regenerated_Size = (Header[0]>>4) + (Header[1]<<4) + (Header[2]<<12)`
475
476 Only Stream1 is present for these cases.
477 Note : it's allowed to represent a short value (for example `13`)
478 using a long format, even if it's less efficient.
479
480 __`Size_Format` for `Compressed_Literals_Block` and `Treeless_Literals_Block`__ :
481
482 - Value 00 : _A single stream_.
483                Both `Regenerated_Size` and `Compressed_Size` use 10 bits (0-1023).
484                `Literals_Section_Header` has 3 bytes.
485 - Value 01 : 4 streams.
486                Both `Regenerated_Size` and `Compressed_Size` use 10 bits (0-1023).
487                `Literals_Section_Header` has 3 bytes.
488 - Value 10 : 4 streams.
489                Both `Regenerated_Size` and `Compressed_Size` use 14 bits (0-16383).
490                `Literals_Section_Header` has 4 bytes.
491 - Value 11 : 4 streams.
492                Both `Regenerated_Size` and `Compressed_Size` use 18 bits (0-262143).
493                `Literals_Section_Header` has 5 bytes.
494
495 Both `Compressed_Size` and `Regenerated_Size` fields follow __little-endian__ convention.
496 Note: `Compressed_Size` __includes__ the size of the Huffman Tree description
497 _when_ it is present.
498
499 ### Raw Literals Block
500 The data in Stream1 is `Regenerated_Size` bytes long,
501 it contains the raw literals data to be used during [Sequence Execution].
502
503 ### RLE Literals Block
504 Stream1 consists of a single byte which should be repeated `Regenerated_Size` times
505 to generate the decoded literals.
506
507 ### Compressed Literals Block and Treeless Literals Block
508 Both of these modes contain Huffman encoded data.
509 `Treeless_Literals_Block` does not have a `Huffman_Tree_Description`.
510
511 #### `Huffman_Tree_Description`
512 This section is only present when `Literals_Block_Type` type is `Compressed_Literals_Block` (`2`).
513 The format of the Huffman tree description can be found at [Huffman Tree description](#huffman-tree-description).
514 The size of `Huffman_Tree_Description` is determined during decoding process,
515 it must be used to determine where streams begin.
516 `Total_Streams_Size = Compressed_Size - Huffman_Tree_Description_Size`.
517
518 For `Treeless_Literals_Block`,
519 the Huffman table comes from previously compressed literals block.
520
521 Huffman compressed data consists of either 1 or 4 Huffman-coded streams.
522
523 If only one stream is present, it is a single bitstream occupying the entire
524 remaining portion of the literals block, encoded as described within
525 [Huffman-Coded Streams](#huffman-coded-streams).
526
527 If there are four streams, the literals section header only provides enough
528 information to know the decompressed and compressed sizes of all four streams _combined_.
529 The decompressed size of each stream is equal to `(Regenerated_Size+3)/4`,
530 except for the last stream which may be up to 3 bytes smaller,
531 to reach a total decompressed size as specified in `Regenerated_Size`.
532
533 The compressed size of each stream is provided explicitly:
534 the first 6 bytes of the compressed data consist of three 2-byte __little-endian__ fields,
535 describing the compressed sizes of the first three streams.
536 `Stream4_Size` is computed from total `Total_Streams_Size` minus sizes of other streams.
537
538 `Stream4_Size = Total_Streams_Size - 6 - Stream1_Size - Stream2_Size - Stream3_Size`.
539
540 Note: remember that `Total_Streams_Size` can be smaller than `Compressed_Size` in header,
541 because `Compressed_Size` also contains `Huffman_Tree_Description_Size` when it is present.
542
543 Each of these 4 bitstreams is then decoded independently as a Huffman-Coded stream,
544 as described at [Huffman-Coded Streams](#huffman-coded-streams)
545
546
547 Sequences Section
548 -----------------
549 A compressed block is a succession of _sequences_ .
550 A sequence is a literal copy command, followed by a match copy command.
551 A literal copy command specifies a length.
552 It is the number of bytes to be copied (or extracted) from the Literals Section.
553 A match copy command specifies an offset and a length.
554
555 When all _sequences_ are decoded,
556 if there are literals left in the _literal section_,
557 these bytes are added at the end of the block.
558
559 This is described in more detail in [Sequence Execution](#sequence-execution)
560
561 The `Sequences_Section` regroup all symbols required to decode commands.
562 There are 3 symbol types : literals lengths, offsets and match lengths.
563 They are encoded together, interleaved, in a single _bitstream_.
564
565 The `Sequences_Section` starts by a header,
566 followed by optional probability tables for each symbol type,
567 followed by the bitstream.
568
569 | `Sequences_Section_Header` | [`Literals_Length_Table`] | [`Offset_Table`] | [`Match_Length_Table`] | bitStream |
570 | -------------------------- | ------------------------- | ---------------- | ---------------------- | --------- |
571
572 To decode the `Sequences_Section`, it's required to know its size.
573 This size is deduced from `Block_Size - Literals_Section_Size`.
574
575
576 #### `Sequences_Section_Header`
577
578 Consists of 2 items:
579 - `Number_of_Sequences`
580 - Symbol compression modes
581
582 __`Number_of_Sequences`__
583
584 This is a variable size field using between 1 and 3 bytes.
585 Let's call its first byte `byte0`.
586 - `if (byte0 == 0)` : there are no sequences.
587             The sequence section stops there.
588             Decompressed content is defined entirely as Literals Section content.
589 - `if (byte0 < 128)` : `Number_of_Sequences = byte0` . Uses 1 byte.
590 - `if (byte0 < 255)` : `Number_of_Sequences = ((byte0-128) << 8) + byte1` . Uses 2 bytes.
591 - `if (byte0 == 255)`: `Number_of_Sequences = byte1 + (byte2<<8) + 0x7F00` . Uses 3 bytes.
592
593 __Symbol compression modes__
594
595 This is a single byte, defining the compression mode of each symbol type.
596
597 |Bit number|          7-6            |      5-4       |        3-2           |     1-0    |
598 | -------- | ----------------------- | -------------- | -------------------- | ---------- |
599 |Field name| `Literals_Lengths_Mode` | `Offsets_Mode` | `Match_Lengths_Mode` | `Reserved` |
600
601 The last field, `Reserved`, must be all-zeroes.
602
603 `Literals_Lengths_Mode`, `Offsets_Mode` and `Match_Lengths_Mode` define the `Compression_Mode` of
604 literals lengths, offsets, and match lengths symbols respectively.
605
606 They follow the same enumeration :
607
608 |        Value       |         0         |      1     |           2           |       3       |
609 | ------------------ | ----------------- | ---------- | --------------------- | ------------- |
610 | `Compression_Mode` | `Predefined_Mode` | `RLE_Mode` | `FSE_Compressed_Mode` | `Repeat_Mode` |
611
612 - `Predefined_Mode` : A predefined FSE distribution table is used, defined in
613           [default distributions](#default-distributions).
614           No distribution table will be present.
615 - `RLE_Mode` : The table description consists of a single byte.
616           This code will be repeated for all sequences.
617 - `Repeat_Mode` : The table used in the previous compressed block will be used again.
618           No distribution table will be present.
619           Note: this includes RLE mode, so if `Repeat_Mode` follows `RLE_Mode`, the same symbol will be repeated.
620           If this mode is used without any previous sequence table in the frame
621           (or [dictionary](#dictionary-format)) to repeat, this should be treated as corruption.
622 - `FSE_Compressed_Mode` : standard FSE compression.
623           A distribution table will be present.
624           The format of this distribution table is described in [FSE Table Description](#fse-table-description).
625           Note that the maximum allowed accuracy log for literals length and match length tables is 9,
626           and the maximum accuracy log for the offsets table is 8.
627
628 #### The codes for literals lengths, match lengths, and offsets.
629
630 Each symbol is a _code_ in its own context,
631 which specifies `Baseline` and `Number_of_Bits` to add.
632 _Codes_ are FSE compressed,
633 and interleaved with raw additional bits in the same bitstream.
634
635 ##### Literals length codes
636
637 Literals length codes are values ranging from `0` to `35` included.
638 They define lengths from 0 to 131071 bytes.
639 The literals length is equal to the decoded `Baseline` plus
640 the result of reading `Number_of_Bits` bits from the bitstream,
641 as a __little-endian__ value.
642
643 | `Literals_Length_Code` |         0-15           |
644 | ---------------------- | ---------------------- |
645 | length                 | `Literals_Length_Code` |
646 | `Number_of_Bits`       |          0             |
647
648 | `Literals_Length_Code` |  16  |  17  |  18  |  19  |  20  |  21  |  22  |  23  |
649 | ---------------------- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
650 | `Baseline`             |  16  |  18  |  20  |  22  |  24  |  28  |  32  |  40  |
651 | `Number_of_Bits`       |   1  |   1  |   1  |   1  |   2  |   2  |   3  |   3  |
652
653 | `Literals_Length_Code` |  24  |  25  |  26  |  27  |  28  |  29  |  30  |  31  |
654 | ---------------------- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
655 | `Baseline`             |  48  |  64  |  128 |  256 |  512 | 1024 | 2048 | 4096 |
656 | `Number_of_Bits`       |   4  |   6  |   7  |   8  |   9  |  10  |  11  |  12  |
657
658 | `Literals_Length_Code` |  32  |  33  |  34  |  35  |
659 | ---------------------- | ---- | ---- | ---- | ---- |
660 | `Baseline`             | 8192 |16384 |32768 |65536 |
661 | `Number_of_Bits`       |  13  |  14  |  15  |  16  |
662
663
664 ##### Match length codes
665
666 Match length codes are values ranging from `0` to `52` included.
667 They define lengths from 3 to 131074 bytes.
668 The match length is equal to the decoded `Baseline` plus
669 the result of reading `Number_of_Bits` bits from the bitstream,
670 as a __little-endian__ value.
671
672 | `Match_Length_Code` |         0-31            |
673 | ------------------- | ----------------------- |
674 | value               | `Match_Length_Code` + 3 |
675 | `Number_of_Bits`    |          0              |
676
677 | `Match_Length_Code` |  32  |  33  |  34  |  35  |  36  |  37  |  38  |  39  |
678 | ------------------- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
679 | `Baseline`          |  35  |  37  |  39  |  41  |  43  |  47  |  51  |  59  |
680 | `Number_of_Bits`    |   1  |   1  |   1  |   1  |   2  |   2  |   3  |   3  |
681
682 | `Match_Length_Code` |  40  |  41  |  42  |  43  |  44  |  45  |  46  |  47  |
683 | ------------------- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
684 | `Baseline`          |  67  |  83  |  99  |  131 |  259 |  515 | 1027 | 2051 |
685 | `Number_of_Bits`    |   4  |   4  |   5  |   7  |   8  |   9  |  10  |  11  |
686
687 | `Match_Length_Code` |  48  |  49  |  50  |  51  |  52  |
688 | ------------------- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
689 | `Baseline`          | 4099 | 8195 |16387 |32771 |65539 |
690 | `Number_of_Bits`    |  12  |  13  |  14  |  15  |  16  |
691
692 ##### Offset codes
693
694 Offset codes are values ranging from `0` to `N`.
695
696 A decoder is free to limit its maximum `N` supported.
697 Recommendation is to support at least up to `22`.
698 For information, at the time of this writing.
699 the reference decoder supports a maximum `N` value of `28` in 64-bits mode.
700
701 An offset code is also the number of additional bits to read in __little-endian__ fashion,
702 and can be translated into an `Offset_Value` using the following formulas :
703
704 ```
705 Offset_Value = (1 << offsetCode) + readNBits(offsetCode);
706 if (Offset_Value > 3) offset = Offset_Value - 3;
707 ```
708 It means that maximum `Offset_Value` is `(2^(N+1))-1` and it supports back-reference distance up to `(2^(N+1))-4`
709 but is limited by [maximum back-reference distance](#window_descriptor).
710
711 `Offset_Value` from 1 to 3 are special : they define "repeat codes".
712 This is described in more detail in [Repeat Offsets](#repeat-offsets).
713
714 #### Decoding Sequences
715 FSE bitstreams are read in reverse direction than written. In zstd,
716 the compressor writes bits forward into a block and the decompressor
717 must read the bitstream _backwards_.
718
719 To find the start of the bitstream it is therefore necessary to
720 know the offset of the last byte of the block which can be found
721 by counting `Block_Size` bytes after the block header.
722
723 After writing the last bit containing information, the compressor
724 writes a single `1`-bit and then fills the byte with 0-7 `0` bits of
725 padding. The last byte of the compressed bitstream cannot be `0` for
726 that reason.
727
728 When decompressing, the last byte containing the padding is the first
729 byte to read. The decompressor needs to skip 0-7 initial `0`-bits and
730 the first `1`-bit it occurs. Afterwards, the useful part of the bitstream
731 begins.
732
733 FSE decoding requires a 'state' to be carried from symbol to symbol.
734 For more explanation on FSE decoding, see the [FSE section](#fse).
735
736 For sequence decoding, a separate state keeps track of each
737 literal lengths, offsets, and match lengths symbols.
738 Some FSE primitives are also used.
739 For more details on the operation of these primitives, see the [FSE section](#fse).
740
741 ##### Starting states
742 The bitstream starts with initial FSE state values,
743 each using the required number of bits in their respective _accuracy_,
744 decoded previously from their normalized distribution.
745
746 It starts by `Literals_Length_State`,
747 followed by `Offset_State`,
748 and finally `Match_Length_State`.
749
750 Reminder : always keep in mind that all values are read _backward_,
751 so the 'start' of the bitstream is at the highest position in memory,
752 immediately before the last `1`-bit for padding.
753
754 After decoding the starting states, a single sequence is decoded
755 `Number_Of_Sequences` times.
756 These sequences are decoded in order from first to last.
757 Since the compressor writes the bitstream in the forward direction,
758 this means the compressor must encode the sequences starting with the last
759 one and ending with the first.
760
761 ##### Decoding a sequence
762 For each of the symbol types, the FSE state can be used to determine the appropriate code.
763 The code then defines the baseline and number of bits to read for each type.
764 See the [description of the codes] for how to determine these values.
765
766 [description of the codes]: #the-codes-for-literals-lengths-match-lengths-and-offsets
767
768 Decoding starts by reading the `Number_of_Bits` required to decode `Offset`.
769 It then does the same for `Match_Length`, and then for `Literals_Length`.
770 This sequence is then used for [sequence execution](#sequence-execution).
771
772 If it is not the last sequence in the block,
773 the next operation is to update states.
774 Using the rules pre-calculated in the decoding tables,
775 `Literals_Length_State` is updated,
776 followed by `Match_Length_State`,
777 and then `Offset_State`.
778 See the [FSE section](#fse) for details on how to update states from the bitstream.
779
780 This operation will be repeated `Number_of_Sequences` times.
781 At the end, the bitstream shall be entirely consumed,
782 otherwise the bitstream is considered corrupted.
783
784 #### Default Distributions
785 If `Predefined_Mode` is selected for a symbol type,
786 its FSE decoding table is generated from a predefined distribution table defined here.
787 For details on how to convert this distribution into a decoding table, see the [FSE section].
788
789 [FSE section]: #from-normalized-distribution-to-decoding-tables
790
791 ##### Literals Length
792 The decoding table uses an accuracy log of 6 bits (64 states).
793 ```
794 short literalsLength_defaultDistribution[36] =
795         { 4, 3, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 1, 1, 1,
796           2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 3, 2, 1, 1, 1, 1, 1,
797          -1,-1,-1,-1 };
798 ```
799
800 ##### Match Length
801 The decoding table uses an accuracy log of 6 bits (64 states).
802 ```
803 short matchLengths_defaultDistribution[53] =
804         { 1, 4, 3, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1,
805           1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1,
806           1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1,-1,-1,
807          -1,-1,-1,-1,-1 };
808 ```
809
810 ##### Offset Codes
811 The decoding table uses an accuracy log of 5 bits (32 states),
812 and supports a maximum `N` value of 28, allowing offset values up to 536,870,908 .
813
814 If any sequence in the compressed block requires a larger offset than this,
815 it's not possible to use the default distribution to represent it.
816 ```
817 short offsetCodes_defaultDistribution[29] =
818         { 1, 1, 1, 1, 1, 1, 2, 2, 2, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1,
819           1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1,-1,-1,-1,-1,-1 };
820 ```
821
822
823 Sequence Execution
824 ------------------
825 Once literals and sequences have been decoded,
826 they are combined to produce the decoded content of a block.
827
828 Each sequence consists of a tuple of (`literals_length`, `offset_value`, `match_length`),
829 decoded as described in the [Sequences Section](#sequences-section).
830 To execute a sequence, first copy `literals_length` bytes from the literals section
831 to the output.
832
833 Then `match_length` bytes are copied from previous decoded data.
834 The offset to copy from is determined by `offset_value`:
835 if `offset_value > 3`, then the offset is `offset_value - 3`.
836 If `offset_value` is from 1-3, the offset is a special repeat offset value.
837 See the [repeat offset](#repeat-offsets) section for how the offset is determined
838 in this case.
839
840 The offset is defined as from the current position, so an offset of 6
841 and a match length of 3 means that 3 bytes should be copied from 6 bytes back.
842 Note that all offsets leading to previously decoded data
843 must be smaller than `Window_Size` defined in `Frame_Header_Descriptor`.
844
845 #### Repeat offsets
846 As seen in [Sequence Execution](#sequence-execution),
847 the first 3 values define a repeated offset and we will call them
848 `Repeated_Offset1`, `Repeated_Offset2`, and `Repeated_Offset3`.
849 They are sorted in recency order, with `Repeated_Offset1` meaning "most recent one".
850
851 If `offset_value == 1`, then the offset used is `Repeated_Offset1`, etc.
852
853 There is an exception though, when current sequence's `literals_length = 0`.
854 In this case, repeated offsets are shifted by one,
855 so an `offset_value` of 1 means `Repeated_Offset2`,
856 an `offset_value` of 2 means `Repeated_Offset3`,
857 and an `offset_value` of 3 means `Repeated_Offset1 - 1_byte`.
858
859 For the first block, the starting offset history is populated with the following values : 1, 4 and 8 (in order).
860
861 Then each block gets its starting offset history from the ending values of the most recent `Compressed_Block`.
862 Note that blocks which are not `Compressed_Block` are skipped, they do not contribute to offset history.
863
864 [Offset Codes]: #offset-codes
865
866 ###### Offset updates rules
867
868 The newest offset takes the lead in offset history,
869 shifting others back (up to its previous place if it was already present).
870
871 This means that when `Repeated_Offset1` (most recent) is used, history is unmodified.
872 When `Repeated_Offset2` is used, it's swapped with `Repeated_Offset1`.
873 If any other offset is used, it becomes `Repeated_Offset1` and the rest are shift back by one.
874
875
876 Skippable Frames
877 ----------------
878
879 | `Magic_Number` | `Frame_Size` | `User_Data` |
880 |:--------------:|:------------:|:-----------:|
881 |   4 bytes      |  4 bytes     |   n bytes   |
882
883 Skippable frames allow the insertion of user-defined data
884 into a flow of concatenated frames.
885 Its design is pretty straightforward,
886 with the sole objective to allow the decoder to quickly skip
887 over user-defined data and continue decoding.
888
889 Skippable frames defined in this specification are compatible with [LZ4] ones.
890
891 [LZ4]:http://www.lz4.org
892
893 __`Magic_Number`__
894
895 4 Bytes, __little-endian__ format.
896 Value : 0x184D2A5?, which means any value from 0x184D2A50 to 0x184D2A5F.
897 All 16 values are valid to identify a skippable frame.
898
899 __`Frame_Size`__
900
901 This is the size, in bytes, of the following `User_Data`
902 (without including the magic number nor the size field itself).
903 This field is represented using 4 Bytes, __little-endian__ format, unsigned 32-bits.
904 This means `User_Data` can’t be bigger than (2^32-1) bytes.
905
906 __`User_Data`__
907
908 The `User_Data` can be anything. Data will just be skipped by the decoder.
909
910
911 Entropy Encoding
912 ----------------
913 Two types of entropy encoding are used by the Zstandard format:
914 FSE, and Huffman coding.
915
916 FSE
917 ---
918 FSE, short for Finite State Entropy, is an entropy codec based on [ANS].
919 FSE encoding/decoding involves a state that is carried over between symbols,
920 so decoding must be done in the opposite direction as encoding.
921 Therefore, all FSE bitstreams are read from end to beginning.
922
923 For additional details on FSE, see [Finite State Entropy].
924
925 [Finite State Entropy]:https://github.com/Cyan4973/FiniteStateEntropy/
926
927 FSE decoding involves a decoding table which has a power of 2 size, and contain three elements:
928 `Symbol`, `Num_Bits`, and `Baseline`.
929 The `log2` of the table size is its `Accuracy_Log`.
930 The FSE state represents an index in this table.
931
932 To obtain the initial state value, consume `Accuracy_Log` bits from the stream as a __little-endian__ value.
933 The next symbol in the stream is the `Symbol` indicated in the table for that state.
934 To obtain the next state value,
935 the decoder should consume `Num_Bits` bits from the stream as a __little-endian__ value and add it to `Baseline`.
936
937 [ANS]: https://en.wikipedia.org/wiki/Asymmetric_Numeral_Systems
938
939 ### FSE Table Description
940 To decode FSE streams, it is necessary to construct the decoding table.
941 The Zstandard format encodes FSE table descriptions as follows:
942
943 An FSE distribution table describes the probabilities of all symbols
944 from `0` to the last present one (included)
945 on a normalized scale of `1 << Accuracy_Log` .
946
947 It's a bitstream which is read forward, in __little-endian__ fashion.
948 It's not necessary to know its exact size,
949 since it will be discovered and reported by the decoding process.
950
951 The bitstream starts by reporting on which scale it operates.
952 `Accuracy_Log = low4bits + 5`.
953
954 Then follows each symbol value, from `0` to last present one.
955 The number of bits used by each field is variable.
956 It depends on :
957
958 - Remaining probabilities + 1 :
959   __example__ :
960   Presuming an `Accuracy_Log` of 8,
961   and presuming 100 probabilities points have already been distributed,
962   the decoder may read any value from `0` to `255 - 100 + 1 == 156` (inclusive).
963   Therefore, it must read `log2sup(156) == 8` bits.
964
965 - Value decoded : small values use 1 less bit :
966   __example__ :
967   Presuming values from 0 to 156 (inclusive) are possible,
968   255-156 = 99 values are remaining in an 8-bits field.
969   They are used this way :
970   first 99 values (hence from 0 to 98) use only 7 bits,
971   values from 99 to 156 use 8 bits.
972   This is achieved through this scheme :
973
974   | Value read | Value decoded | Number of bits used |
975   | ---------- | ------------- | ------------------- |
976   |   0 -  98  |   0 -  98     |  7                  |
977   |  99 - 127  |  99 - 127     |  8                  |
978   | 128 - 226  |   0 -  98     |  7                  |
979   | 227 - 255  | 128 - 156     |  8                  |
980
981 Symbols probabilities are read one by one, in order.
982
983 Probability is obtained from Value decoded by following formula :
984 `Proba = value - 1`
985
986 It means value `0` becomes negative probability `-1`.
987 `-1` is a special probability, which means "less than 1".
988 Its effect on distribution table is described in the [next section].
989 For the purpose of calculating total allocated probability points, it counts as one.
990
991 [next section]:#from-normalized-distribution-to-decoding-tables
992
993 When a symbol has a __probability__ of `zero`,
994 it is followed by a 2-bits repeat flag.
995 This repeat flag tells how many probabilities of zeroes follow the current one.
996 It provides a number ranging from 0 to 3.
997 If it is a 3, another 2-bits repeat flag follows, and so on.
998
999 When last symbol reaches cumulated total of `1 << Accuracy_Log`,
1000 decoding is complete.
1001 If the last symbol makes cumulated total go above `1 << Accuracy_Log`,
1002 distribution is considered corrupted.
1003
1004 Then the decoder can tell how many bytes were used in this process,
1005 and how many symbols are present.
1006 The bitstream consumes a round number of bytes.
1007 Any remaining bit within the last byte is just unused.
1008
1009 ##### From normalized distribution to decoding tables
1010
1011 The distribution of normalized probabilities is enough
1012 to create a unique decoding table.
1013
1014 It follows the following build rule :
1015
1016 The table has a size of `Table_Size = 1 << Accuracy_Log`.
1017 Each cell describes the symbol decoded,
1018 and instructions to get the next state.
1019
1020 Symbols are scanned in their natural order for "less than 1" probabilities.
1021 Symbols with this probability are being attributed a single cell,
1022 starting from the end of the table.
1023 These symbols define a full state reset, reading `Accuracy_Log` bits.
1024
1025 All remaining symbols are sorted in their natural order.
1026 Starting from symbol `0` and table position `0`,
1027 each symbol gets attributed as many cells as its probability.
1028 Cell allocation is spreaded, not linear :
1029 each successor position follow this rule :
1030
1031 ```
1032 position += (tableSize>>1) + (tableSize>>3) + 3;
1033 position &= tableSize-1;
1034 ```
1035
1036 A position is skipped if already occupied by a "less than 1" probability symbol.
1037 `position` does not reset between symbols, it simply iterates through
1038 each position in the table, switching to the next symbol when enough
1039 states have been allocated to the current one.
1040
1041 The result is a list of state values.
1042 Each state will decode the current symbol.
1043
1044 To get the `Number_of_Bits` and `Baseline` required for next state,
1045 it's first necessary to sort all states in their natural order.
1046 The lower states will need 1 more bit than higher ones.
1047
1048 __Example__ :
1049 Presuming a symbol has a probability of 5.
1050 It receives 5 state values. States are sorted in natural order.
1051
1052 Next power of 2 is 8.
1053 Space of probabilities is divided into 8 equal parts.
1054 Presuming the `Accuracy_Log` is 7, it defines 128 states.
1055 Divided by 8, each share is 16 large.
1056
1057 In order to reach 8, 8-5=3 lowest states will count "double",
1058 taking shares twice larger,
1059 requiring one more bit in the process.
1060
1061 Numbering starts from higher states using less bits.
1062
1063 | state order      |   0   |   1   |    2   |   3  |   4   |
1064 | ---------------- | ----- | ----- | ------ | ---- | ----- |
1065 | width            |  32   |  32   |   32   |  16  |  16   |
1066 | `Number_of_Bits` |   5   |   5   |    5   |   4  |   4   |
1067 | range number     |   2   |   4   |    6   |   0  |   1   |
1068 | `Baseline`       |  32   |  64   |   96   |   0  |  16   |
1069 | range            | 32-63 | 64-95 | 96-127 | 0-15 | 16-31 |
1070
1071 The next state is determined from current state
1072 by reading the required `Number_of_Bits`, and adding the specified `Baseline`.
1073
1074 See [Appendix A] for the results of this process applied to the default distributions.
1075
1076 [Appendix A]: #appendix-a---decoding-tables-for-predefined-codes
1077
1078 Huffman Coding
1079 --------------
1080 Zstandard Huffman-coded streams are read backwards,
1081 similar to the FSE bitstreams.
1082 Therefore, to find the start of the bitstream, it is therefore to
1083 know the offset of the last byte of the Huffman-coded stream.
1084
1085 After writing the last bit containing information, the compressor
1086 writes a single `1`-bit and then fills the byte with 0-7 `0` bits of
1087 padding. The last byte of the compressed bitstream cannot be `0` for
1088 that reason.
1089
1090 When decompressing, the last byte containing the padding is the first
1091 byte to read. The decompressor needs to skip 0-7 initial `0`-bits and
1092 the first `1`-bit it occurs. Afterwards, the useful part of the bitstream
1093 begins.
1094
1095 The bitstream contains Huffman-coded symbols in __little-endian__ order,
1096 with the codes defined by the method below.
1097
1098 ### Huffman Tree Description
1099 Prefix coding represents symbols from an a priori known alphabet
1100 by bit sequences (codewords), one codeword for each symbol,
1101 in a manner such that different symbols may be represented
1102 by bit sequences of different lengths,
1103 but a parser can always parse an encoded string
1104 unambiguously symbol-by-symbol.
1105
1106 Given an alphabet with known symbol frequencies,
1107 the Huffman algorithm allows the construction of an optimal prefix code
1108 using the fewest bits of any possible prefix codes for that alphabet.
1109
1110 Prefix code must not exceed a maximum code length.
1111 More bits improve accuracy but cost more header size,
1112 and require more memory or more complex decoding operations.
1113 This specification limits maximum code length to 11 bits.
1114
1115
1116 ##### Representation
1117
1118 All literal values from zero (included) to last present one (excluded)
1119 are represented by `Weight` with values from `0` to `Max_Number_of_Bits`.
1120 Transformation from `Weight` to `Number_of_Bits` follows this formula :
1121 ```
1122 Number_of_Bits = Weight ? (Max_Number_of_Bits + 1 - Weight) : 0
1123 ```
1124 The last symbol's `Weight` is deduced from previously decoded ones,
1125 by completing to the nearest power of 2.
1126 This power of 2 gives `Max_Number_of_Bits`, the depth of the current tree.
1127
1128 __Example__ :
1129 Let's presume the following Huffman tree must be described :
1130
1131 |     literal      |  0  |  1  |  2  |  3  |  4  |  5  |
1132 | ---------------- | --- | --- | --- | --- | --- | --- |
1133 | `Number_of_Bits` |  1  |  2  |  3  |  0  |  4  |  4  |
1134
1135 The tree depth is 4, since its smallest element uses 4 bits.
1136 Value `5` will not be listed as it can be determined from the values for 0-4,
1137 nor will values above `5` as they are all 0.
1138 Values from `0` to `4` will be listed using `Weight` instead of `Number_of_Bits`.
1139 Weight formula is :
1140 ```
1141 Weight = Number_of_Bits ? (Max_Number_of_Bits + 1 - Number_of_Bits) : 0
1142 ```
1143 It gives the following series of weights :
1144
1145 | literal  |  0  |  1  |  2  |  3  |  4  |
1146 | -------- | --- | --- | --- | --- | --- |
1147 | `Weight` |  4  |  3  |  2  |  0  |  1  |
1148
1149 The decoder will do the inverse operation :
1150 having collected weights of literals from `0` to `4`,
1151 it knows the last literal, `5`, is present with a non-zero weight.
1152 The weight of `5` can be determined by advancing to the next power of 2.
1153 The sum of `2^(Weight-1)` (excluding 0's) is :
1154 `8 + 4 + 2 + 0 + 1 = 15`.
1155 Nearest power of 2 is 16.
1156 Therefore, `Max_Number_of_Bits = 4` and `Weight[5] = 1`.
1157
1158 ##### Huffman Tree header
1159
1160 This is a single byte value (0-255),
1161 which describes how to decode the list of weights.
1162
1163 - if `headerByte` >= 128 : this is a direct representation,
1164   where each `Weight` is written directly as a 4 bits field (0-15).
1165   They are encoded forward, 2 weights to a byte with the first weight taking
1166   the top four bits and the second taking the bottom four (e.g. the following
1167   operations could be used to read the weights:
1168   `Weight[0] = (Byte[0] >> 4), Weight[1] = (Byte[0] & 0xf)`, etc.).
1169   The full representation occupies `((Number_of_Symbols+1)/2)` bytes,
1170   meaning it uses a last full byte even if `Number_of_Symbols` is odd.
1171   `Number_of_Symbols = headerByte - 127`.
1172   Note that maximum `Number_of_Symbols` is 255-127 = 128.
1173   A larger series must necessarily use FSE compression.
1174
1175 - if `headerByte` < 128 :
1176   the series of weights is compressed by FSE.
1177   The length of the FSE-compressed series is equal to `headerByte` (0-127).
1178
1179 ##### Finite State Entropy (FSE) compression of Huffman weights
1180
1181 In this case, the series of Huffman weights is compressed using FSE compression.
1182 It's a single bitstream with 2 interleaved states,
1183 sharing a single distribution table.
1184
1185 To decode an FSE bitstream, it is necessary to know its compressed size.
1186 Compressed size is provided by `headerByte`.
1187 It's also necessary to know its _maximum possible_ decompressed size,
1188 which is `255`, since literal values span from `0` to `255`,
1189 and last symbol's weight is not represented.
1190
1191 An FSE bitstream starts by a header, describing probabilities distribution.
1192 It will create a Decoding Table.
1193 For a list of Huffman weights, the maximum accuracy log is 7 bits.
1194 For more description see the [FSE header description](#fse-table-description)
1195
1196 The Huffman header compression uses 2 states,
1197 which share the same FSE distribution table.
1198 The first state (`State1`) encodes the even indexed symbols,
1199 and the second (`State2`) encodes the odd indexes.
1200 `State1` is initialized first, and then `State2`, and they take turns
1201 decoding a single symbol and updating their state.
1202 For more details on these FSE operations, see the [FSE section](#fse).
1203
1204 The number of symbols to decode is determined
1205 by tracking bitStream overflow condition:
1206 If updating state after decoding a symbol would require more bits than
1207 remain in the stream, it is assumed that extra bits are 0.  Then,
1208 the symbols for each of the final states are decoded and the process is complete.
1209
1210 ##### Conversion from weights to Huffman prefix codes
1211
1212 All present symbols shall now have a `Weight` value.
1213 It is possible to transform weights into Number_of_Bits, using this formula:
1214 ```
1215 Number_of_Bits = Number_of_Bits ? Max_Number_of_Bits + 1 - Weight : 0
1216 ```
1217 Symbols are sorted by `Weight`. Within same `Weight`, symbols keep natural order.
1218 Symbols with a `Weight` of zero are removed.
1219 Then, starting from lowest weight, prefix codes are distributed in order.
1220
1221 __Example__ :
1222 Let's presume the following list of weights has been decoded :
1223
1224 | Literal  |  0  |  1  |  2  |  3  |  4  |  5  |
1225 | -------- | --- | --- | --- | --- | --- | --- |
1226 | `Weight` |  4  |  3  |  2  |  0  |  1  |  1  |
1227
1228 Sorted by weight and then natural order,
1229 it gives the following distribution :
1230
1231 | Literal          |  3  |  4  |  5  |  2  |  1  |   0  |
1232 | ---------------- | --- | --- | --- | --- | --- | ---- |
1233 | `Weight`         |  0  |  1  |  1  |  2  |  3  |   4  |
1234 | `Number_of_Bits` |  0  |  4  |  4  |  3  |  2  |   1  |
1235 | prefix codes     | N/A | 0000| 0001| 001 | 01  |   1  |
1236
1237 ### Huffman-coded Streams
1238 Given a Huffman decoding table,
1239 it's possible to decode a Huffman-coded stream.
1240
1241 Each bitstream must be read _backward_,
1242 that is starting from the end down to the beginning.
1243 Therefore it's necessary to know the size of each bitstream.
1244
1245 It's also necessary to know exactly which _bit_ is the latest.
1246 This is detected by a final bit flag :
1247 the highest bit of latest byte is a final-bit-flag.
1248 Consequently, a last byte of `0` is not possible.
1249 And the final-bit-flag itself is not part of the useful bitstream.
1250 Hence, the last byte contains between 0 and 7 useful bits.
1251
1252 Starting from the end,
1253 it's possible to read the bitstream in a __little-endian__ fashion,
1254 keeping track of already used bits. Since the bitstream is encoded in reverse
1255 order, starting from the end read symbols in forward order.
1256
1257 For example, if the literal sequence "0145" was encoded using above prefix code,
1258 it would be encoded (in reverse order) as:
1259
1260 |Symbol  |   5  |   4  |  1 | 0 | Padding |
1261 |--------|------|------|----|---|---------|
1262 |Encoding|`0000`|`0001`|`01`|`1`| `00001` |
1263
1264 Resulting in following 2-bytes bitstream :
1265 ```
1266 00010000 00001101
1267 ```
1268
1269 Here is an alternative representation with the symbol codes separated by underscore:
1270 ```
1271 0001_0000 00001_1_01
1272 ```
1273
1274 Reading highest `Max_Number_of_Bits` bits,
1275 it's possible to compare extracted value to decoding table,
1276 determining the symbol to decode and number of bits to discard.
1277
1278 The process continues up to reading the required number of symbols per stream.
1279 If a bitstream is not entirely and exactly consumed,
1280 hence reaching exactly its beginning position with _all_ bits consumed,
1281 the decoding process is considered faulty.
1282
1283
1284 Dictionary Format
1285 -----------------
1286
1287 Zstandard is compatible with "raw content" dictionaries,
1288 free of any format restriction, except that they must be at least 8 bytes.
1289 These dictionaries function as if they were just the `Content` part
1290 of a formatted dictionary.
1291
1292 But dictionaries created by `zstd --train` follow a format, described here.
1293
1294 __Pre-requisites__ : a dictionary has a size,
1295                      defined either by a buffer limit, or a file size.
1296
1297 | `Magic_Number` | `Dictionary_ID` | `Entropy_Tables` | `Content` |
1298 | -------------- | --------------- | ---------------- | --------- |
1299
1300 __`Magic_Number`__ : 4 bytes ID, value 0xEC30A437, __little-endian__ format
1301
1302 __`Dictionary_ID`__ : 4 bytes, stored in __little-endian__ format.
1303               `Dictionary_ID` can be any value, except 0 (which means no `Dictionary_ID`).
1304               It's used by decoders to check if they use the correct dictionary.
1305
1306 _Reserved ranges :_
1307               If the frame is going to be distributed in a private environment,
1308               any `Dictionary_ID` can be used.
1309               However, for public distribution of compressed frames,
1310               the following ranges are reserved and shall not be used :
1311
1312               - low range  : <= 32767
1313               - high range : >= (2^31)
1314
1315 __`Entropy_Tables`__ : following the same format as the tables in compressed blocks.
1316               See the relevant [FSE](#fse-table-description)
1317               and [Huffman](#huffman-tree-description) sections for how to decode these tables.
1318               They are stored in following order :
1319               Huffman tables for literals, FSE table for offsets,
1320               FSE table for match lengths, and FSE table for literals lengths.
1321               These tables populate the Repeat Stats literals mode and
1322               Repeat distribution mode for sequence decoding.
1323               It's finally followed by 3 offset values, populating recent offsets (instead of using `{1,4,8}`),
1324               stored in order, 4-bytes __little-endian__ each, for a total of 12 bytes.
1325               Each recent offset must have a value < dictionary size.
1326
1327 __`Content`__ : The rest of the dictionary is its content.
1328               The content act as a "past" in front of data to compress or decompress,
1329               so it can be referenced in sequence commands.
1330               As long as the amount of data decoded from this frame is less than or
1331               equal to `Window_Size`, sequence commands may specify offsets longer
1332               than the total length of decoded output so far to reference back to the
1333               dictionary.  After the total output has surpassed `Window_Size` however,
1334               this is no longer allowed and the dictionary is no longer accessible.
1335
1336 [compressed blocks]: #the-format-of-compressed_block
1337
1338
1339 Appendix A - Decoding tables for predefined codes
1340 -------------------------------------------------
1341
1342 This appendix contains FSE decoding tables
1343 for the predefined literal length, match length, and offset codes.
1344 The tables have been constructed using the algorithm as given above in chapter
1345 "from normalized distribution to decoding tables".
1346 The tables here can be used as examples
1347 to crosscheck that an implementation build its decoding tables correctly.
1348
1349 #### Literal Length Code:
1350
1351 | State | Symbol | Number_Of_Bits | Base |
1352 | ----- | ------ | -------------- | ---- |
1353 |     0 |      0 |              4 |    0 |
1354 |     1 |      0 |              4 |   16 |
1355 |     2 |      1 |              5 |   32 |
1356 |     3 |      3 |              5 |    0 |
1357 |     4 |      4 |              5 |    0 |
1358 |     5 |      6 |              5 |    0 |
1359 |     6 |      7 |              5 |    0 |
1360 |     7 |      9 |              5 |    0 |
1361 |     8 |     10 |              5 |    0 |
1362 |     9 |     12 |              5 |    0 |
1363 |    10 |     14 |              6 |    0 |
1364 |    11 |     16 |              5 |    0 |
1365 |    12 |     18 |              5 |    0 |
1366 |    13 |     19 |              5 |    0 |
1367 |    14 |     21 |              5 |    0 |
1368 |    15 |     22 |              5 |    0 |
1369 |    16 |     24 |              5 |    0 |
1370 |    17 |     25 |              5 |   32 |
1371 |    18 |     26 |              5 |    0 |
1372 |    19 |     27 |              6 |    0 |
1373 |    20 |     29 |              6 |    0 |
1374 |    21 |     31 |              6 |    0 |
1375 |    22 |      0 |              4 |   32 |
1376 |    23 |      1 |              4 |    0 |
1377 |    24 |      2 |              5 |    0 |
1378 |    25 |      4 |              5 |   32 |
1379 |    26 |      5 |              5 |    0 |
1380 |    27 |      7 |              5 |   32 |
1381 |    28 |      8 |              5 |    0 |
1382 |    29 |     10 |              5 |   32 |
1383 |    30 |     11 |              5 |    0 |
1384 |    31 |     13 |              6 |    0 |
1385 |    32 |     16 |              5 |   32 |
1386 |    33 |     17 |              5 |    0 |
1387 |    34 |     19 |              5 |   32 |
1388 |    35 |     20 |              5 |    0 |
1389 |    36 |     22 |              5 |   32 |
1390 |    37 |     23 |              5 |    0 |
1391 |    38 |     25 |              4 |    0 |
1392 |    39 |     25 |              4 |   16 |
1393 |    40 |     26 |              5 |   32 |
1394 |    41 |     28 |              6 |    0 |
1395 |    42 |     30 |              6 |    0 |
1396 |    43 |      0 |              4 |   48 |
1397 |    44 |      1 |              4 |   16 |
1398 |    45 |      2 |              5 |   32 |
1399 |    46 |      3 |              5 |   32 |
1400 |    47 |      5 |              5 |   32 |
1401 |    48 |      6 |              5 |   32 |
1402 |    49 |      8 |              5 |   32 |
1403 |    50 |      9 |              5 |   32 |
1404 |    51 |     11 |              5 |   32 |
1405 |    52 |     12 |              5 |   32 |
1406 |    53 |     15 |              6 |    0 |
1407 |    54 |     17 |              5 |   32 |
1408 |    55 |     18 |              5 |   32 |
1409 |    56 |     20 |              5 |   32 |
1410 |    57 |     21 |              5 |   32 |
1411 |    58 |     23 |              5 |   32 |
1412 |    59 |     24 |              5 |   32 |
1413 |    60 |     35 |              6 |    0 |
1414 |    61 |     34 |              6 |    0 |
1415 |    62 |     33 |              6 |    0 |
1416 |    63 |     32 |              6 |    0 |
1417
1418 #### Match Length Code:
1419
1420 | State | Symbol | Number_Of_Bits | Base |
1421 | ----- | ------ | -------------- | ---- |
1422 |     0 |      0 |              6 |    0 |
1423 |     1 |      1 |              4 |    0 |
1424 |     2 |      2 |              5 |   32 |
1425 |     3 |      3 |              5 |    0 |
1426 |     4 |      5 |              5 |    0 |
1427 |     5 |      6 |              5 |    0 |
1428 |     6 |      8 |              5 |    0 |
1429 |     7 |     10 |              6 |    0 |
1430 |     8 |     13 |              6 |    0 |
1431 |     9 |     16 |              6 |    0 |
1432 |    10 |     19 |              6 |    0 |
1433 |    11 |     22 |              6 |    0 |
1434 |    12 |     25 |              6 |    0 |
1435 |    13 |     28 |              6 |    0 |
1436 |    14 |     31 |              6 |    0 |
1437 |    15 |     33 |              6 |    0 |
1438 |    16 |     35 |              6 |    0 |
1439 |    17 |     37 |              6 |    0 |
1440 |    18 |     39 |              6 |    0 |
1441 |    19 |     41 |              6 |    0 |
1442 |    20 |     43 |              6 |    0 |
1443 |    21 |     45 |              6 |    0 |
1444 |    22 |      1 |              4 |   16 |
1445 |    23 |      2 |              4 |    0 |
1446 |    24 |      3 |              5 |   32 |
1447 |    25 |      4 |              5 |    0 |
1448 |    26 |      6 |              5 |   32 |
1449 |    27 |      7 |              5 |    0 |
1450 |    28 |      9 |              6 |    0 |
1451 |    29 |     12 |              6 |    0 |
1452 |    30 |     15 |              6 |    0 |
1453 |    31 |     18 |              6 |    0 |
1454 |    32 |     21 |              6 |    0 |
1455 |    33 |     24 |              6 |    0 |
1456 |    34 |     27 |              6 |    0 |
1457 |    35 |     30 |              6 |    0 |
1458 |    36 |     32 |              6 |    0 |
1459 |    37 |     34 |              6 |    0 |
1460 |    38 |     36 |              6 |    0 |
1461 |    39 |     38 |              6 |    0 |
1462 |    40 |     40 |              6 |    0 |
1463 |    41 |     42 |              6 |    0 |
1464 |    42 |     44 |              6 |    0 |
1465 |    43 |      1 |              4 |   32 |
1466 |    44 |      1 |              4 |   48 |
1467 |    45 |      2 |              4 |   16 |
1468 |    46 |      4 |              5 |   32 |
1469 |    47 |      5 |              5 |   32 |
1470 |    48 |      7 |              5 |   32 |
1471 |    49 |      8 |              5 |   32 |
1472 |    50 |     11 |              6 |    0 |
1473 |    51 |     14 |              6 |    0 |
1474 |    52 |     17 |              6 |    0 |
1475 |    53 |     20 |              6 |    0 |
1476 |    54 |     23 |              6 |    0 |
1477 |    55 |     26 |              6 |    0 |
1478 |    56 |     29 |              6 |    0 |
1479 |    57 |     52 |              6 |    0 |
1480 |    58 |     51 |              6 |    0 |
1481 |    59 |     50 |              6 |    0 |
1482 |    60 |     49 |              6 |    0 |
1483 |    61 |     48 |              6 |    0 |
1484 |    62 |     47 |              6 |    0 |
1485 |    63 |     46 |              6 |    0 |
1486
1487 #### Offset Code:
1488
1489 | State | Symbol | Number_Of_Bits | Base |
1490 | ----- | ------ | -------------- | ---- |
1491 |     0 |      0 |              5 |    0 |
1492 |     1 |      6 |              4 |    0 |
1493 |     2 |      9 |              5 |    0 |
1494 |     3 |     15 |              5 |    0 |
1495 |     4 |     21 |              5 |    0 |
1496 |     5 |      3 |              5 |    0 |
1497 |     6 |      7 |              4 |    0 |
1498 |     7 |     12 |              5 |    0 |
1499 |     8 |     18 |              5 |    0 |
1500 |     9 |     23 |              5 |    0 |
1501 |    10 |      5 |              5 |    0 |
1502 |    11 |      8 |              4 |    0 |
1503 |    12 |     14 |              5 |    0 |
1504 |    13 |     20 |              5 |    0 |
1505 |    14 |      2 |              5 |    0 |
1506 |    15 |      7 |              4 |   16 |
1507 |    16 |     11 |              5 |    0 |
1508 |    17 |     17 |              5 |    0 |
1509 |    18 |     22 |              5 |    0 |
1510 |    19 |      4 |              5 |    0 |
1511 |    20 |      8 |              4 |   16 |
1512 |    21 |     13 |              5 |    0 |
1513 |    22 |     19 |              5 |    0 |
1514 |    23 |      1 |              5 |    0 |
1515 |    24 |      6 |              4 |   16 |
1516 |    25 |     10 |              5 |    0 |
1517 |    26 |     16 |              5 |    0 |
1518 |    27 |     28 |              5 |    0 |
1519 |    28 |     27 |              5 |    0 |
1520 |    29 |     26 |              5 |    0 |
1521 |    30 |     25 |              5 |    0 |
1522 |    31 |     24 |              5 |    0 |
1523
1524 Version changes
1525 ---------------
1526 - 0.2.6 : fixed an error in huffman example, by Ulrich Kunitz
1527 - 0.2.5 : minor typos and clarifications
1528 - 0.2.4 : section restructuring, by Sean Purcell
1529 - 0.2.3 : clarified several details, by Sean Purcell
1530 - 0.2.2 : added predefined codes, by Johannes Rudolph
1531 - 0.2.1 : clarify field names, by Przemyslaw Skibinski
1532 - 0.2.0 : numerous format adjustments for zstd v0.8+
1533 - 0.1.2 : limit Huffman tree depth to 11 bits
1534 - 0.1.1 : reserved dictID ranges
1535 - 0.1.0 : initial release