]> CyberLeo.Net >> Repos - FreeBSD/FreeBSD.git/blob - doc/zstd_compression_format.md
import zstd 1.3.7
[FreeBSD/FreeBSD.git] / 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 0.3.0 (25/09/18)
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 The text of the specification assumes a basic background in programming
31 at the level of bits and other primitive data representations.
32
33 The data can be produced or consumed,
34 even for an arbitrarily long sequentially presented input data stream,
35 using only an a priori bounded amount of intermediate storage,
36 and hence can be used in data communications.
37 The format uses the Zstandard compression method,
38 and optional [xxHash-64 checksum method](http://www.xxhash.org),
39 for detection of data corruption.
40
41 The data format defined by this specification
42 does not attempt to allow random access to compressed data.
43
44 Unless otherwise indicated below,
45 a compliant compressor must produce data sets
46 that conform to the specifications presented here.
47 It doesn’t need to support all options though.
48
49 A compliant decompressor must be able to decompress
50 at least one working set of parameters
51 that conforms to the specifications presented here.
52 It may also ignore informative fields, such as checksum.
53 Whenever it does not support a parameter defined in the compressed stream,
54 it must produce a non-ambiguous error code and associated error message
55 explaining which parameter is unsupported.
56
57 This specification is intended for use by implementers of software
58 to compress data into Zstandard format and/or decompress data from Zstandard format.
59 The Zstandard format is supported by an open source reference implementation,
60 written in portable C, and available at : https://github.com/facebook/zstd .
61
62
63 ### Overall conventions
64 In this document:
65 - square brackets i.e. `[` and `]` are used to indicate optional fields or parameters.
66 - the naming convention for identifiers is `Mixed_Case_With_Underscores`
67
68 ### Definitions
69 Content compressed by Zstandard is transformed into a Zstandard __frame__.
70 Multiple frames can be appended into a single file or stream.
71 A frame is completely independent, has a defined beginning and end,
72 and a set of parameters which tells the decoder how to decompress it.
73
74 A frame encapsulates one or multiple __blocks__.
75 Each block contains arbitrary content, which is described by its header,
76 and has a guaranteed maximum content size, which depends on frame parameters.
77 Unlike frames, each block depends on previous blocks for proper decoding.
78 However, each block can be decompressed without waiting for its successor,
79 allowing streaming operations.
80
81 Overview
82 ---------
83 - [Frames](#frames)
84   - [Zstandard frames](#zstandard-frames)
85     - [Blocks](#blocks)
86       - [Literals Section](#literals-section)
87       - [Sequences Section](#sequences-section)
88       - [Sequence Execution](#sequence-execution)
89   - [Skippable frames](#skippable-frames)
90 - [Entropy Encoding](#entropy-encoding)
91   - [FSE](#fse)
92   - [Huffman Coding](#huffman-coding)
93 - [Dictionary Format](#dictionary-format)
94
95 Frames
96 ------
97 Zstandard compressed data is made of one or more __frames__.
98 Each frame is independent and can be decompressed independently of other frames.
99 The decompressed content of multiple concatenated frames is the concatenation of
100 each frame decompressed content.
101
102 There are two frame formats defined by Zstandard:
103   Zstandard frames and Skippable frames.
104 Zstandard frames contain compressed data, while
105 skippable frames contain custom user metadata.
106
107 ## Zstandard frames
108 The structure of a single Zstandard frame is following:
109
110 | `Magic_Number` | `Frame_Header` |`Data_Block`| [More data blocks] | [`Content_Checksum`] |
111 |:--------------:|:--------------:|:----------:| ------------------ |:--------------------:|
112 |  4 bytes       |  2-14 bytes    |  n bytes   |                    |     0-4 bytes        |
113
114 __`Magic_Number`__
115
116 4 Bytes, __little-endian__ format.
117 Value : 0xFD2FB528
118 Note: This value was selected to be less probable to find at the beginning of some random file.
119 It avoids trivial patterns (0x00, 0xFF, repeated bytes, increasing bytes, etc.),
120 contains byte values outside of ASCII range,
121 and doesn't map into UTF8 space.
122 It reduces the chances that a text file represent this value by accident.
123
124 __`Frame_Header`__
125
126 2 to 14 Bytes, detailed in [`Frame_Header`](#frame_header).
127
128 __`Data_Block`__
129
130 Detailed in [`Blocks`](#blocks).
131 That’s where compressed data is stored.
132
133 __`Content_Checksum`__
134
135 An optional 32-bit checksum, only present if `Content_Checksum_flag` is set.
136 The content checksum is the result
137 of [xxh64() hash function](http://www.xxhash.org)
138 digesting the original (decoded) data as input, and a seed of zero.
139 The low 4 bytes of the checksum are stored in __little-endian__ format.
140
141 ### `Frame_Header`
142
143 The `Frame_Header` has a variable size, with a minimum of 2 bytes,
144 and up to 14 bytes depending on optional parameters.
145 The structure of `Frame_Header` is following:
146
147 | `Frame_Header_Descriptor` | [`Window_Descriptor`] | [`Dictionary_ID`] | [`Frame_Content_Size`] |
148 | ------------------------- | --------------------- | ----------------- | ---------------------- |
149 | 1 byte                    | 0-1 byte              | 0-4 bytes         | 0-8 bytes              |
150
151 #### `Frame_Header_Descriptor`
152
153 The first header's byte is called the `Frame_Header_Descriptor`.
154 It describes which other fields are present.
155 Decoding this byte is enough to tell the size of `Frame_Header`.
156
157 | Bit number | Field name                |
158 | ---------- | ----------                |
159 | 7-6        | `Frame_Content_Size_flag` |
160 | 5          | `Single_Segment_flag`     |
161 | 4          | `Unused_bit`              |
162 | 3          | `Reserved_bit`            |
163 | 2          | `Content_Checksum_flag`   |
164 | 1-0        | `Dictionary_ID_flag`      |
165
166 In this table, bit 7 is the highest bit, while bit 0 is the lowest one.
167
168 __`Frame_Content_Size_flag`__
169
170 This is a 2-bits flag (`= Frame_Header_Descriptor >> 6`),
171 specifying if `Frame_Content_Size` (the decompressed data size)
172 is provided within the header.
173 `Flag_Value` provides `FCS_Field_Size`,
174 which is the number of bytes used by `Frame_Content_Size`
175 according to the following table:
176
177 |  `Flag_Value`  |    0   |  1  |  2  |  3  |
178 | -------------- | ------ | --- | --- | --- |
179 |`FCS_Field_Size`| 0 or 1 |  2  |  4  |  8  |
180
181 When `Flag_Value` is `0`, `FCS_Field_Size` depends on `Single_Segment_flag` :
182 if `Single_Segment_flag` is set, `FCS_Field_Size` is 1.
183 Otherwise, `FCS_Field_Size` is 0 : `Frame_Content_Size` is not provided.
184
185 __`Single_Segment_flag`__
186
187 If this flag is set,
188 data must be regenerated within a single continuous memory segment.
189
190 In this case, `Window_Descriptor` byte is skipped,
191 but `Frame_Content_Size` is necessarily present.
192 As a consequence, the decoder must allocate a memory segment
193 of size equal or larger than `Frame_Content_Size`.
194
195 In order to preserve the decoder from unreasonable memory requirements,
196 a decoder is allowed to reject a compressed frame
197 which requests a memory size beyond decoder's authorized range.
198
199 For broader compatibility, decoders are recommended to support
200 memory sizes of at least 8 MB.
201 This is only a recommendation,
202 each decoder is free to support higher or lower limits,
203 depending on local limitations.
204
205 __`Unused_bit`__
206
207 A decoder compliant with this specification version shall not interpret this bit.
208 It might be used in any future version,
209 to signal a property which is transparent to properly decode the frame.
210 An encoder compliant with this specification version must set this bit to zero.
211
212 __`Reserved_bit`__
213
214 This bit is reserved for some future feature.
215 Its value _must be zero_.
216 A decoder compliant with this specification version must ensure it is not set.
217 This bit may be used in a future revision,
218 to signal a feature that must be interpreted to decode the frame correctly.
219
220 __`Content_Checksum_flag`__
221
222 If this flag is set, a 32-bits `Content_Checksum` will be present at frame's end.
223 See `Content_Checksum` paragraph.
224
225 __`Dictionary_ID_flag`__
226
227 This is a 2-bits flag (`= FHD & 3`),
228 telling if a dictionary ID is provided within the header.
229 It also specifies the size of this field as `DID_Field_Size`.
230
231 |`Flag_Value`    |  0  |  1  |  2  |  3  |
232 | -------------- | --- | --- | --- | --- |
233 |`DID_Field_Size`|  0  |  1  |  2  |  4  |
234
235 #### `Window_Descriptor`
236
237 Provides guarantees on minimum memory buffer required to decompress a frame.
238 This information is important for decoders to allocate enough memory.
239
240 The `Window_Descriptor` byte is optional.
241 When `Single_Segment_flag` is set, `Window_Descriptor` is not present.
242 In this case, `Window_Size` is `Frame_Content_Size`,
243 which can be any value from 0 to 2^64-1 bytes (16 ExaBytes).
244
245 | Bit numbers |     7-3    |     2-0    |
246 | ----------- | ---------- | ---------- |
247 | Field name  | `Exponent` | `Mantissa` |
248
249 The minimum memory buffer size is called `Window_Size`.
250 It is described by the following formulas :
251 ```
252 windowLog = 10 + Exponent;
253 windowBase = 1 << windowLog;
254 windowAdd = (windowBase / 8) * Mantissa;
255 Window_Size = windowBase + windowAdd;
256 ```
257 The minimum `Window_Size` is 1 KB.
258 The maximum `Window_Size` is `(1<<41) + 7*(1<<38)` bytes, which is 3.75 TB.
259
260 In general, larger `Window_Size` tend to improve compression ratio,
261 but at the cost of memory usage.
262
263 To properly decode compressed data,
264 a decoder will need to allocate a buffer of at least `Window_Size` bytes.
265
266 In order to preserve decoder from unreasonable memory requirements,
267 a decoder is allowed to reject a compressed frame
268 which requests a memory size beyond decoder's authorized range.
269
270 For improved interoperability,
271 it's recommended for decoders to support `Window_Size` of up to 8 MB,
272 and it's recommended for encoders to not generate frame requiring `Window_Size` larger than 8 MB.
273 It's merely a recommendation though,
274 decoders are free to support larger or lower limits,
275 depending on local limitations.
276
277 #### `Dictionary_ID`
278
279 This is a variable size field, which contains
280 the ID of the dictionary required to properly decode the frame.
281 `Dictionary_ID` field is optional. When it's not present,
282 it's up to the decoder to know which dictionary to use.
283
284 `Dictionary_ID` field size is provided by `DID_Field_Size`.
285 `DID_Field_Size` is directly derived from value of `Dictionary_ID_flag`.
286 1 byte can represent an ID 0-255.
287 2 bytes can represent an ID 0-65535.
288 4 bytes can represent an ID 0-4294967295.
289 Format is __little-endian__.
290
291 It's allowed to represent a small ID (for example `13`)
292 with a large 4-bytes dictionary ID, even if it is less efficient.
293
294 _Reserved ranges :_
295 Within private environments, any `Dictionary_ID` can be used.
296
297 However, for frames and dictionaries distributed in public space,
298 `Dictionary_ID` must be attributed carefully.
299 Rules for public environment are not yet decided,
300 but the following ranges are reserved for some future registrar :
301 - low range  : `<= 32767`
302 - high range : `>= (1 << 31)`
303
304 Outside of these ranges, any value of `Dictionary_ID`
305 which is both `>= 32768` and `< (1<<31)` can be used freely,
306 even in public environment.
307
308
309
310 #### `Frame_Content_Size`
311
312 This is the original (uncompressed) size. This information is optional.
313 `Frame_Content_Size` uses a variable number of bytes, provided by `FCS_Field_Size`.
314 `FCS_Field_Size` is provided by the value of `Frame_Content_Size_flag`.
315 `FCS_Field_Size` can be equal to 0 (not present), 1, 2, 4 or 8 bytes.
316
317 | `FCS_Field_Size` |    Range   |
318 | ---------------- | ---------- |
319 |        0         |   unknown  |
320 |        1         |   0 - 255  |
321 |        2         | 256 - 65791|
322 |        4         | 0 - 2^32-1 |
323 |        8         | 0 - 2^64-1 |
324
325 `Frame_Content_Size` format is __little-endian__.
326 When `FCS_Field_Size` is 1, 4 or 8 bytes, the value is read directly.
327 When `FCS_Field_Size` is 2, _the offset of 256 is added_.
328 It's allowed to represent a small size (for example `18`) using any compatible variant.
329
330
331 Blocks
332 -------
333
334 After `Magic_Number` and `Frame_Header`, there are some number of blocks.
335 Each frame must have at least one block,
336 but there is no upper limit on the number of blocks per frame.
337
338 The structure of a block is as follows:
339
340 | `Block_Header` | `Block_Content` |
341 |:--------------:|:---------------:|
342 |    3 bytes     |     n bytes     |
343
344 `Block_Header` uses 3 bytes, written using __little-endian__ convention.
345 It contains 3 fields :
346
347 | `Last_Block` | `Block_Type` | `Block_Size` |
348 |:------------:|:------------:|:------------:|
349 |    bit 0     |  bits 1-2    |  bits 3-23   |
350
351 __`Last_Block`__
352
353 The lowest bit signals if this block is the last one.
354 The frame will end after this last block.
355 It may be followed by an optional `Content_Checksum`
356 (see [Zstandard Frames](#zstandard-frames)).
357
358 __`Block_Type`__
359
360 The next 2 bits represent the `Block_Type`.
361 There are 4 block types :
362
363 |    Value     |      0      |      1      |         2          |     3     |
364 | ------------ | ----------- | ----------- | ------------------ | --------- |
365 | `Block_Type` | `Raw_Block` | `RLE_Block` | `Compressed_Block` | `Reserved`|
366
367 - `Raw_Block` - this is an uncompressed block.
368   `Block_Content` contains `Block_Size` bytes.
369
370 - `RLE_Block` - this is a single byte, repeated `Block_Size` times.
371   `Block_Content` consists of a single byte.
372   On the decompression side, this byte must be repeated `Block_Size` times.
373
374 - `Compressed_Block` - this is a [Zstandard compressed block](#compressed-blocks),
375   explained later on.
376   `Block_Size` is the length of `Block_Content`, the compressed data.
377   The decompressed size is not known,
378   but its maximum possible value is guaranteed (see below)
379
380 - `Reserved` - this is not a block.
381   This value cannot be used with current version of this specification.
382   If such a value is present, it is considered corrupted data.
383
384 __`Block_Size`__
385
386 The upper 21 bits of `Block_Header` represent the `Block_Size`.
387 `Block_Size` is the size of the block excluding the header.
388 A block can contain any number of bytes (even zero), up to
389 `Block_Maximum_Decompressed_Size`, which is the smallest of:
390 -  Window_Size
391 -  128 KB
392
393 A `Compressed_Block` has the extra restriction that `Block_Size` is always
394 strictly less than the decompressed size.
395 If this condition cannot be respected,
396 the block must be sent uncompressed instead (`Raw_Block`).
397
398
399 Compressed Blocks
400 -----------------
401 To decompress a compressed block, the compressed size must be provided
402 from `Block_Size` field within `Block_Header`.
403
404 A compressed block consists of 2 sections :
405 - [Literals Section](#literals-section)
406 - [Sequences Section](#sequences-section)
407
408 The results of the two sections are then combined to produce the decompressed
409 data in [Sequence Execution](#sequence-execution)
410
411 #### Prerequisites
412 To decode a compressed block, the following elements are necessary :
413 - Previous decoded data, up to a distance of `Window_Size`,
414   or beginning of the Frame, whichever is smaller.
415 - List of "recent offsets" from previous `Compressed_Block`.
416 - The previous Huffman tree, required by `Treeless_Literals_Block` type
417 - Previous FSE decoding tables, required by `Repeat_Mode`
418   for each symbol type (literals lengths, match lengths, offsets)
419
420 Note that decoding tables aren't always from the previous `Compressed_Block`.
421
422 - Every decoding table can come from a dictionary.
423 - The Huffman tree comes from the previous `Compressed_Literals_Block`.
424
425 Literals Section
426 ----------------
427 All literals are regrouped in the first part of the block.
428 They can be decoded first, and then copied during [Sequence Execution],
429 or they can be decoded on the flow during [Sequence Execution].
430
431 Literals can be stored uncompressed or compressed using Huffman prefix codes.
432 When compressed, an optional tree description can be present,
433 followed by 1 or 4 streams.
434
435 | `Literals_Section_Header` | [`Huffman_Tree_Description`] | [jumpTable] | Stream1 | [Stream2] | [Stream3] | [Stream4] |
436 | ------------------------- | ---------------------------- | ----------- | ------- | --------- | --------- | --------- |
437
438
439 ### `Literals_Section_Header`
440
441 Header is in charge of describing how literals are packed.
442 It's a byte-aligned variable-size bitfield, ranging from 1 to 5 bytes,
443 using __little-endian__ convention.
444
445 | `Literals_Block_Type` | `Size_Format` | `Regenerated_Size` | [`Compressed_Size`] |
446 | --------------------- | ------------- | ------------------ | ------------------- |
447 |       2 bits          |  1 - 2 bits   |    5 - 20 bits     |     0 - 18 bits     |
448
449 In this representation, bits on the left are the lowest bits.
450
451 __`Literals_Block_Type`__
452
453 This field uses 2 lowest bits of first byte, describing 4 different block types :
454
455 | `Literals_Block_Type`       | Value |
456 | --------------------------- | ----- |
457 | `Raw_Literals_Block`        |   0   |
458 | `RLE_Literals_Block`        |   1   |
459 | `Compressed_Literals_Block` |   2   |
460 | `Treeless_Literals_Block`   |   3   |
461
462 - `Raw_Literals_Block` - Literals are stored uncompressed.
463 - `RLE_Literals_Block` - Literals consist of a single byte value
464         repeated `Regenerated_Size` times.
465 - `Compressed_Literals_Block` - This is a standard Huffman-compressed block,
466         starting with a Huffman tree description.
467         See details below.
468 - `Treeless_Literals_Block` - This is a Huffman-compressed block,
469         using Huffman tree _from previous Huffman-compressed literals block_.
470         `Huffman_Tree_Description` will be skipped.
471         Note: If this mode is triggered without any previous Huffman-table in the frame
472         (or [dictionary](#dictionary-format)), this should be treated as data corruption.
473
474 __`Size_Format`__
475
476 `Size_Format` is divided into 2 families :
477
478 - For `Raw_Literals_Block` and `RLE_Literals_Block`,
479   it's only necessary to decode `Regenerated_Size`.
480   There is no `Compressed_Size` field.
481 - For `Compressed_Block` and `Treeless_Literals_Block`,
482   it's required to decode both `Compressed_Size`
483   and `Regenerated_Size` (the decompressed size).
484   It's also necessary to decode the number of streams (1 or 4).
485
486 For values spanning several bytes, convention is __little-endian__.
487
488 __`Size_Format` for `Raw_Literals_Block` and `RLE_Literals_Block`__ :
489
490 `Size_Format` uses 1 _or_ 2 bits.
491 Its value is : `Size_Format = (Literals_Section_Header[0]>>2) & 3`
492
493 - `Size_Format` == 00 or 10 : `Size_Format` uses 1 bit.
494                `Regenerated_Size` uses 5 bits (0-31).
495                `Literals_Section_Header` uses 1 byte.
496                `Regenerated_Size = Literals_Section_Header[0]>>3`
497 - `Size_Format` == 01 : `Size_Format` uses 2 bits.
498                `Regenerated_Size` uses 12 bits (0-4095).
499                `Literals_Section_Header` uses 2 bytes.
500                `Regenerated_Size = (Literals_Section_Header[0]>>4) + (Literals_Section_Header[1]<<4)`
501 - `Size_Format` == 11 : `Size_Format` uses 2 bits.
502                `Regenerated_Size` uses 20 bits (0-1048575).
503                `Literals_Section_Header` uses 3 bytes.
504                `Regenerated_Size = (Literals_Section_Header[0]>>4) + (Literals_Section_Header[1]<<4) + (Literals_Section_Header[2]<<12)`
505
506 Only Stream1 is present for these cases.
507 Note : it's allowed to represent a short value (for example `13`)
508 using a long format, even if it's less efficient.
509
510 __`Size_Format` for `Compressed_Literals_Block` and `Treeless_Literals_Block`__ :
511
512 `Size_Format` always uses 2 bits.
513
514 - `Size_Format` == 00 : _A single stream_.
515                Both `Regenerated_Size` and `Compressed_Size` use 10 bits (0-1023).
516                `Literals_Section_Header` uses 3 bytes.
517 - `Size_Format` == 01 : 4 streams.
518                Both `Regenerated_Size` and `Compressed_Size` use 10 bits (0-1023).
519                `Literals_Section_Header` uses 3 bytes.
520 - `Size_Format` == 10 : 4 streams.
521                Both `Regenerated_Size` and `Compressed_Size` use 14 bits (0-16383).
522                `Literals_Section_Header` uses 4 bytes.
523 - `Size_Format` == 11 : 4 streams.
524                Both `Regenerated_Size` and `Compressed_Size` use 18 bits (0-262143).
525                `Literals_Section_Header` uses 5 bytes.
526
527 Both `Compressed_Size` and `Regenerated_Size` fields follow __little-endian__ convention.
528 Note: `Compressed_Size` __includes__ the size of the Huffman Tree description
529 _when_ it is present.
530
531 #### Raw Literals Block
532 The data in Stream1 is `Regenerated_Size` bytes long,
533 it contains the raw literals data to be used during [Sequence Execution].
534
535 #### RLE Literals Block
536 Stream1 consists of a single byte which should be repeated `Regenerated_Size` times
537 to generate the decoded literals.
538
539 #### Compressed Literals Block and Treeless Literals Block
540 Both of these modes contain Huffman encoded data.
541
542 For `Treeless_Literals_Block`,
543 the Huffman table comes from previously compressed literals block,
544 or from a dictionary.
545
546
547 ### `Huffman_Tree_Description`
548 This section is only present when `Literals_Block_Type` type is `Compressed_Literals_Block` (`2`).
549 The format of the Huffman tree description can be found at [Huffman Tree description](#huffman-tree-description).
550 The size of `Huffman_Tree_Description` is determined during decoding process,
551 it must be used to determine where streams begin.
552 `Total_Streams_Size = Compressed_Size - Huffman_Tree_Description_Size`.
553
554
555 ### Jump Table
556 The Jump Table is only present when there are 4 Huffman-coded streams.
557
558 Reminder : Huffman compressed data consists of either 1 or 4 Huffman-coded streams.
559
560 If only one stream is present, it is a single bitstream occupying the entire
561 remaining portion of the literals block, encoded as described within
562 [Huffman-Coded Streams](#huffman-coded-streams).
563
564 If there are four streams, `Literals_Section_Header` only provided
565 enough information to know the decompressed and compressed sizes
566 of all four streams _combined_.
567 The decompressed size of _each_ stream is equal to `(Regenerated_Size+3)/4`,
568 except for the last stream which may be up to 3 bytes smaller,
569 to reach a total decompressed size as specified in `Regenerated_Size`.
570
571 The compressed size of each stream is provided explicitly in the Jump Table.
572 Jump Table is 6 bytes long, and consist of three 2-byte __little-endian__ fields,
573 describing the compressed sizes of the first three streams.
574 `Stream4_Size` is computed from total `Total_Streams_Size` minus sizes of other streams.
575
576 `Stream4_Size = Total_Streams_Size - 6 - Stream1_Size - Stream2_Size - Stream3_Size`.
577
578 Note: if `Stream1_Size + Stream2_Size + Stream3_Size > Total_Streams_Size`,
579 data is considered corrupted.
580
581 Each of these 4 bitstreams is then decoded independently as a Huffman-Coded stream,
582 as described at [Huffman-Coded Streams](#huffman-coded-streams)
583
584
585 Sequences Section
586 -----------------
587 A compressed block is a succession of _sequences_ .
588 A sequence is a literal copy command, followed by a match copy command.
589 A literal copy command specifies a length.
590 It is the number of bytes to be copied (or extracted) from the Literals Section.
591 A match copy command specifies an offset and a length.
592
593 When all _sequences_ are decoded,
594 if there are literals left in the _literals section_,
595 these bytes are added at the end of the block.
596
597 This is described in more detail in [Sequence Execution](#sequence-execution).
598
599 The `Sequences_Section` regroup all symbols required to decode commands.
600 There are 3 symbol types : literals lengths, offsets and match lengths.
601 They are encoded together, interleaved, in a single _bitstream_.
602
603 The `Sequences_Section` starts by a header,
604 followed by optional probability tables for each symbol type,
605 followed by the bitstream.
606
607 | `Sequences_Section_Header` | [`Literals_Length_Table`] | [`Offset_Table`] | [`Match_Length_Table`] | bitStream |
608 | -------------------------- | ------------------------- | ---------------- | ---------------------- | --------- |
609
610 To decode the `Sequences_Section`, it's required to know its size.
611 Its size is deduced from the size of `Literals_Section`:
612 `Sequences_Section_Size = Block_Size - Literals_Section_Size`.
613
614
615 #### `Sequences_Section_Header`
616
617 Consists of 2 items:
618 - `Number_of_Sequences`
619 - Symbol compression modes
620
621 __`Number_of_Sequences`__
622
623 This is a variable size field using between 1 and 3 bytes.
624 Let's call its first byte `byte0`.
625 - `if (byte0 == 0)` : there are no sequences.
626             The sequence section stops there.
627             Decompressed content is defined entirely as Literals Section content.
628             The FSE tables used in `Repeat_Mode` aren't updated.
629 - `if (byte0 < 128)` : `Number_of_Sequences = byte0` . Uses 1 byte.
630 - `if (byte0 < 255)` : `Number_of_Sequences = ((byte0-128) << 8) + byte1` . Uses 2 bytes.
631 - `if (byte0 == 255)`: `Number_of_Sequences = byte1 + (byte2<<8) + 0x7F00` . Uses 3 bytes.
632
633 __Symbol compression modes__
634
635 This is a single byte, defining the compression mode of each symbol type.
636
637 |Bit number|          7-6            |      5-4       |        3-2           |     1-0    |
638 | -------- | ----------------------- | -------------- | -------------------- | ---------- |
639 |Field name| `Literals_Lengths_Mode` | `Offsets_Mode` | `Match_Lengths_Mode` | `Reserved` |
640
641 The last field, `Reserved`, must be all-zeroes.
642
643 `Literals_Lengths_Mode`, `Offsets_Mode` and `Match_Lengths_Mode` define the `Compression_Mode` of
644 literals lengths, offsets, and match lengths symbols respectively.
645
646 They follow the same enumeration :
647
648 |        Value       |         0         |      1     |           2           |       3       |
649 | ------------------ | ----------------- | ---------- | --------------------- | ------------- |
650 | `Compression_Mode` | `Predefined_Mode` | `RLE_Mode` | `FSE_Compressed_Mode` | `Repeat_Mode` |
651
652 - `Predefined_Mode` : A predefined FSE distribution table is used, defined in
653           [default distributions](#default-distributions).
654           No distribution table will be present.
655 - `RLE_Mode` : The table description consists of a single byte, which contains the symbol's value.
656           This symbol will be used for all sequences.
657 - `FSE_Compressed_Mode` : standard FSE compression.
658           A distribution table will be present.
659           The format of this distribution table is described in [FSE Table Description](#fse-table-description).
660           Note that the maximum allowed accuracy log for literals length and match length tables is 9,
661           and the maximum accuracy log for the offsets table is 8.
662           `FSE_Compressed_Mode` must not be used when only one symbol is present,
663           `RLE_Mode` should be used instead (although any other mode will work).
664 - `Repeat_Mode` : The table used in the previous `Compressed_Block` with `Number_of_Sequences > 0` will be used again,
665           or if this is the first block, table in the dictionary will be used.
666           Note that this includes `RLE_mode`, so if `Repeat_Mode` follows `RLE_Mode`, the same symbol will be repeated.
667           It also includes `Predefined_Mode`, in which case `Repeat_Mode` will have same outcome as `Predefined_Mode`.
668           No distribution table will be present.
669           If this mode is used without any previous sequence table in the frame
670           (nor [dictionary](#dictionary-format)) to repeat, this should be treated as corruption.
671
672 #### The codes for literals lengths, match lengths, and offsets.
673
674 Each symbol is a _code_ in its own context,
675 which specifies `Baseline` and `Number_of_Bits` to add.
676 _Codes_ are FSE compressed,
677 and interleaved with raw additional bits in the same bitstream.
678
679 ##### Literals length codes
680
681 Literals length codes are values ranging from `0` to `35` included.
682 They define lengths from 0 to 131071 bytes.
683 The literals length is equal to the decoded `Baseline` plus
684 the result of reading `Number_of_Bits` bits from the bitstream,
685 as a __little-endian__ value.
686
687 | `Literals_Length_Code` |         0-15           |
688 | ---------------------- | ---------------------- |
689 | length                 | `Literals_Length_Code` |
690 | `Number_of_Bits`       |          0             |
691
692 | `Literals_Length_Code` |  16  |  17  |  18  |  19  |  20  |  21  |  22  |  23  |
693 | ---------------------- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
694 | `Baseline`             |  16  |  18  |  20  |  22  |  24  |  28  |  32  |  40  |
695 | `Number_of_Bits`       |   1  |   1  |   1  |   1  |   2  |   2  |   3  |   3  |
696
697 | `Literals_Length_Code` |  24  |  25  |  26  |  27  |  28  |  29  |  30  |  31  |
698 | ---------------------- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
699 | `Baseline`             |  48  |  64  |  128 |  256 |  512 | 1024 | 2048 | 4096 |
700 | `Number_of_Bits`       |   4  |   6  |   7  |   8  |   9  |  10  |  11  |  12  |
701
702 | `Literals_Length_Code` |  32  |  33  |  34  |  35  |
703 | ---------------------- | ---- | ---- | ---- | ---- |
704 | `Baseline`             | 8192 |16384 |32768 |65536 |
705 | `Number_of_Bits`       |  13  |  14  |  15  |  16  |
706
707
708 ##### Match length codes
709
710 Match length codes are values ranging from `0` to `52` included.
711 They define lengths from 3 to 131074 bytes.
712 The match length is equal to the decoded `Baseline` plus
713 the result of reading `Number_of_Bits` bits from the bitstream,
714 as a __little-endian__ value.
715
716 | `Match_Length_Code` |         0-31            |
717 | ------------------- | ----------------------- |
718 | value               | `Match_Length_Code` + 3 |
719 | `Number_of_Bits`    |          0              |
720
721 | `Match_Length_Code` |  32  |  33  |  34  |  35  |  36  |  37  |  38  |  39  |
722 | ------------------- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
723 | `Baseline`          |  35  |  37  |  39  |  41  |  43  |  47  |  51  |  59  |
724 | `Number_of_Bits`    |   1  |   1  |   1  |   1  |   2  |   2  |   3  |   3  |
725
726 | `Match_Length_Code` |  40  |  41  |  42  |  43  |  44  |  45  |  46  |  47  |
727 | ------------------- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
728 | `Baseline`          |  67  |  83  |  99  |  131 |  259 |  515 | 1027 | 2051 |
729 | `Number_of_Bits`    |   4  |   4  |   5  |   7  |   8  |   9  |  10  |  11  |
730
731 | `Match_Length_Code` |  48  |  49  |  50  |  51  |  52  |
732 | ------------------- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
733 | `Baseline`          | 4099 | 8195 |16387 |32771 |65539 |
734 | `Number_of_Bits`    |  12  |  13  |  14  |  15  |  16  |
735
736 ##### Offset codes
737
738 Offset codes are values ranging from `0` to `N`.
739
740 A decoder is free to limit its maximum `N` supported.
741 Recommendation is to support at least up to `22`.
742 For information, at the time of this writing.
743 the reference decoder supports a maximum `N` value of `31`.
744
745 An offset code is also the number of additional bits to read in __little-endian__ fashion,
746 and can be translated into an `Offset_Value` using the following formulas :
747
748 ```
749 Offset_Value = (1 << offsetCode) + readNBits(offsetCode);
750 if (Offset_Value > 3) offset = Offset_Value - 3;
751 ```
752 It means that maximum `Offset_Value` is `(2^(N+1))-1`
753 supporting back-reference distances up to `(2^(N+1))-4`,
754 but is limited by [maximum back-reference distance](#window_descriptor).
755
756 `Offset_Value` from 1 to 3 are special : they define "repeat codes".
757 This is described in more detail in [Repeat Offsets](#repeat-offsets).
758
759 #### Decoding Sequences
760 FSE bitstreams are read in reverse direction than written. In zstd,
761 the compressor writes bits forward into a block and the decompressor
762 must read the bitstream _backwards_.
763
764 To find the start of the bitstream it is therefore necessary to
765 know the offset of the last byte of the block which can be found
766 by counting `Block_Size` bytes after the block header.
767
768 After writing the last bit containing information, the compressor
769 writes a single `1`-bit and then fills the byte with 0-7 `0` bits of
770 padding. The last byte of the compressed bitstream cannot be `0` for
771 that reason.
772
773 When decompressing, the last byte containing the padding is the first
774 byte to read. The decompressor needs to skip 0-7 initial `0`-bits and
775 the first `1`-bit it occurs. Afterwards, the useful part of the bitstream
776 begins.
777
778 FSE decoding requires a 'state' to be carried from symbol to symbol.
779 For more explanation on FSE decoding, see the [FSE section](#fse).
780
781 For sequence decoding, a separate state keeps track of each
782 literal lengths, offsets, and match lengths symbols.
783 Some FSE primitives are also used.
784 For more details on the operation of these primitives, see the [FSE section](#fse).
785
786 ##### Starting states
787 The bitstream starts with initial FSE state values,
788 each using the required number of bits in their respective _accuracy_,
789 decoded previously from their normalized distribution.
790
791 It starts by `Literals_Length_State`,
792 followed by `Offset_State`,
793 and finally `Match_Length_State`.
794
795 Reminder : always keep in mind that all values are read _backward_,
796 so the 'start' of the bitstream is at the highest position in memory,
797 immediately before the last `1`-bit for padding.
798
799 After decoding the starting states, a single sequence is decoded
800 `Number_Of_Sequences` times.
801 These sequences are decoded in order from first to last.
802 Since the compressor writes the bitstream in the forward direction,
803 this means the compressor must encode the sequences starting with the last
804 one and ending with the first.
805
806 ##### Decoding a sequence
807 For each of the symbol types, the FSE state can be used to determine the appropriate code.
808 The code then defines the `Baseline` and `Number_of_Bits` to read for each type.
809 See the [description of the codes] for how to determine these values.
810
811 [description of the codes]: #the-codes-for-literals-lengths-match-lengths-and-offsets
812
813 Decoding starts by reading the `Number_of_Bits` required to decode `Offset`.
814 It then does the same for `Match_Length`, and then for `Literals_Length`.
815 This sequence is then used for [sequence execution](#sequence-execution).
816
817 If it is not the last sequence in the block,
818 the next operation is to update states.
819 Using the rules pre-calculated in the decoding tables,
820 `Literals_Length_State` is updated,
821 followed by `Match_Length_State`,
822 and then `Offset_State`.
823 See the [FSE section](#fse) for details on how to update states from the bitstream.
824
825 This operation will be repeated `Number_of_Sequences` times.
826 At the end, the bitstream shall be entirely consumed,
827 otherwise the bitstream is considered corrupted.
828
829 #### Default Distributions
830 If `Predefined_Mode` is selected for a symbol type,
831 its FSE decoding table is generated from a predefined distribution table defined here.
832 For details on how to convert this distribution into a decoding table, see the [FSE section].
833
834 [FSE section]: #from-normalized-distribution-to-decoding-tables
835
836 ##### Literals Length
837 The decoding table uses an accuracy log of 6 bits (64 states).
838 ```
839 short literalsLength_defaultDistribution[36] =
840         { 4, 3, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 1, 1, 1,
841           2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 3, 2, 1, 1, 1, 1, 1,
842          -1,-1,-1,-1 };
843 ```
844
845 ##### Match Length
846 The decoding table uses an accuracy log of 6 bits (64 states).
847 ```
848 short matchLengths_defaultDistribution[53] =
849         { 1, 4, 3, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1,
850           1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1,
851           1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1,-1,-1,
852          -1,-1,-1,-1,-1 };
853 ```
854
855 ##### Offset Codes
856 The decoding table uses an accuracy log of 5 bits (32 states),
857 and supports a maximum `N` value of 28, allowing offset values up to 536,870,908 .
858
859 If any sequence in the compressed block requires a larger offset than this,
860 it's not possible to use the default distribution to represent it.
861 ```
862 short offsetCodes_defaultDistribution[29] =
863         { 1, 1, 1, 1, 1, 1, 2, 2, 2, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1,
864           1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1,-1,-1,-1,-1,-1 };
865 ```
866
867
868 Sequence Execution
869 ------------------
870 Once literals and sequences have been decoded,
871 they are combined to produce the decoded content of a block.
872
873 Each sequence consists of a tuple of (`literals_length`, `offset_value`, `match_length`),
874 decoded as described in the [Sequences Section](#sequences-section).
875 To execute a sequence, first copy `literals_length` bytes
876 from the decoded literals to the output.
877
878 Then `match_length` bytes are copied from previous decoded data.
879 The offset to copy from is determined by `offset_value`:
880 if `offset_value > 3`, then the offset is `offset_value - 3`.
881 If `offset_value` is from 1-3, the offset is a special repeat offset value.
882 See the [repeat offset](#repeat-offsets) section for how the offset is determined
883 in this case.
884
885 The offset is defined as from the current position, so an offset of 6
886 and a match length of 3 means that 3 bytes should be copied from 6 bytes back.
887 Note that all offsets leading to previously decoded data
888 must be smaller than `Window_Size` defined in `Frame_Header_Descriptor`.
889
890 #### Repeat offsets
891 As seen in [Sequence Execution](#sequence-execution),
892 the first 3 values define a repeated offset and we will call them
893 `Repeated_Offset1`, `Repeated_Offset2`, and `Repeated_Offset3`.
894 They are sorted in recency order, with `Repeated_Offset1` meaning "most recent one".
895
896 If `offset_value == 1`, then the offset used is `Repeated_Offset1`, etc.
897
898 There is an exception though, when current sequence's `literals_length = 0`.
899 In this case, repeated offsets are shifted by one,
900 so an `offset_value` of 1 means `Repeated_Offset2`,
901 an `offset_value` of 2 means `Repeated_Offset3`,
902 and an `offset_value` of 3 means `Repeated_Offset1 - 1_byte`.
903
904 For the first block, the starting offset history is populated with following values :
905 `Repeated_Offset1`=1, `Repeated_Offset2`=4, `Repeated_Offset3`=8,
906 unless a dictionary is used, in which case they come from the dictionary.
907
908 Then each block gets its starting offset history from the ending values of the most recent `Compressed_Block`.
909 Note that blocks which are not `Compressed_Block` are skipped, they do not contribute to offset history.
910
911 [Offset Codes]: #offset-codes
912
913 ###### Offset updates rules
914
915 The newest offset takes the lead in offset history,
916 shifting others back (up to its previous place if it was already present).
917
918 This means that when `Repeated_Offset1` (most recent) is used, history is unmodified.
919 When `Repeated_Offset2` is used, it's swapped with `Repeated_Offset1`.
920 If any other offset is used, it becomes `Repeated_Offset1` and the rest are shift back by one.
921
922
923 Skippable Frames
924 ----------------
925
926 | `Magic_Number` | `Frame_Size` | `User_Data` |
927 |:--------------:|:------------:|:-----------:|
928 |   4 bytes      |  4 bytes     |   n bytes   |
929
930 Skippable frames allow the insertion of user-defined metadata
931 into a flow of concatenated frames.
932
933 Skippable frames defined in this specification are compatible with [LZ4] ones.
934
935 [LZ4]:http://www.lz4.org
936
937 From a compliant decoder perspective, skippable frames need just be skipped,
938 and their content ignored, resuming decoding after the skippable frame.
939
940 It can be noted that a skippable frame
941 can be used to watermark a stream of concatenated frames
942 embedding any kind of tracking information (even just an UUID).
943 Users wary of such possibility should scan the stream of concatenated frames
944 in an attempt to detect such frame for analysis or removal.
945
946 __`Magic_Number`__
947
948 4 Bytes, __little-endian__ format.
949 Value : 0x184D2A5?, which means any value from 0x184D2A50 to 0x184D2A5F.
950 All 16 values are valid to identify a skippable frame.
951 This specification doesn't detail any specific tagging for skippable frames.
952
953 __`Frame_Size`__
954
955 This is the size, in bytes, of the following `User_Data`
956 (without including the magic number nor the size field itself).
957 This field is represented using 4 Bytes, __little-endian__ format, unsigned 32-bits.
958 This means `User_Data` can’t be bigger than (2^32-1) bytes.
959
960 __`User_Data`__
961
962 The `User_Data` can be anything. Data will just be skipped by the decoder.
963
964
965
966 Entropy Encoding
967 ----------------
968 Two types of entropy encoding are used by the Zstandard format:
969 FSE, and Huffman coding.
970 Huffman is used to compress literals,
971 while FSE is used for all other symbols
972 (`Literals_Length_Code`, `Match_Length_Code`, offset codes)
973 and to compress Huffman headers.
974
975
976 FSE
977 ---
978 FSE, short for Finite State Entropy, is an entropy codec based on [ANS].
979 FSE encoding/decoding involves a state that is carried over between symbols,
980 so decoding must be done in the opposite direction as encoding.
981 Therefore, all FSE bitstreams are read from end to beginning.
982 Note that the order of the bits in the stream is not reversed,
983 we just read the elements in the reverse order they are written.
984
985 For additional details on FSE, see [Finite State Entropy].
986
987 [Finite State Entropy]:https://github.com/Cyan4973/FiniteStateEntropy/
988
989 FSE decoding involves a decoding table which has a power of 2 size, and contain three elements:
990 `Symbol`, `Num_Bits`, and `Baseline`.
991 The `log2` of the table size is its `Accuracy_Log`.
992 An FSE state value represents an index in this table.
993
994 To obtain the initial state value, consume `Accuracy_Log` bits from the stream as a __little-endian__ value.
995 The next symbol in the stream is the `Symbol` indicated in the table for that state.
996 To obtain the next state value,
997 the decoder should consume `Num_Bits` bits from the stream as a __little-endian__ value and add it to `Baseline`.
998
999 [ANS]: https://en.wikipedia.org/wiki/Asymmetric_Numeral_Systems
1000
1001 ### FSE Table Description
1002 To decode FSE streams, it is necessary to construct the decoding table.
1003 The Zstandard format encodes FSE table descriptions as follows:
1004
1005 An FSE distribution table describes the probabilities of all symbols
1006 from `0` to the last present one (included)
1007 on a normalized scale of `1 << Accuracy_Log` .
1008 Note that there must be two or more symbols with nonzero probability.
1009
1010 It's a bitstream which is read forward, in __little-endian__ fashion.
1011 It's not necessary to know bitstream exact size,
1012 it will be discovered and reported by the decoding process.
1013
1014 The bitstream starts by reporting on which scale it operates.
1015 Let's `low4Bits` designate the lowest 4 bits of the first byte :
1016 `Accuracy_Log = low4bits + 5`.
1017
1018 Then follows each symbol value, from `0` to last present one.
1019 The number of bits used by each field is variable.
1020 It depends on :
1021
1022 - Remaining probabilities + 1 :
1023   __example__ :
1024   Presuming an `Accuracy_Log` of 8,
1025   and presuming 100 probabilities points have already been distributed,
1026   the decoder may read any value from `0` to `256 - 100 + 1 == 157` (inclusive).
1027   Therefore, it must read `log2sup(157) == 8` bits.
1028
1029 - Value decoded : small values use 1 less bit :
1030   __example__ :
1031   Presuming values from 0 to 157 (inclusive) are possible,
1032   255-157 = 98 values are remaining in an 8-bits field.
1033   They are used this way :
1034   first 98 values (hence from 0 to 97) use only 7 bits,
1035   values from 98 to 157 use 8 bits.
1036   This is achieved through this scheme :
1037
1038   | Value read | Value decoded | Number of bits used |
1039   | ---------- | ------------- | ------------------- |
1040   |   0 -  97  |   0 -  97     |  7                  |
1041   |  98 - 127  |  98 - 127     |  8                  |
1042   | 128 - 225  |   0 -  97     |  7                  |
1043   | 226 - 255  | 128 - 157     |  8                  |
1044
1045 Symbols probabilities are read one by one, in order.
1046
1047 Probability is obtained from Value decoded by following formula :
1048 `Proba = value - 1`
1049
1050 It means value `0` becomes negative probability `-1`.
1051 `-1` is a special probability, which means "less than 1".
1052 Its effect on distribution table is described in the [next section].
1053 For the purpose of calculating total allocated probability points, it counts as one.
1054
1055 [next section]:#from-normalized-distribution-to-decoding-tables
1056
1057 When a symbol has a __probability__ of `zero`,
1058 it is followed by a 2-bits repeat flag.
1059 This repeat flag tells how many probabilities of zeroes follow the current one.
1060 It provides a number ranging from 0 to 3.
1061 If it is a 3, another 2-bits repeat flag follows, and so on.
1062
1063 When last symbol reaches cumulated total of `1 << Accuracy_Log`,
1064 decoding is complete.
1065 If the last symbol makes cumulated total go above `1 << Accuracy_Log`,
1066 distribution is considered corrupted.
1067
1068 Then the decoder can tell how many bytes were used in this process,
1069 and how many symbols are present.
1070 The bitstream consumes a round number of bytes.
1071 Any remaining bit within the last byte is just unused.
1072
1073 #### From normalized distribution to decoding tables
1074
1075 The distribution of normalized probabilities is enough
1076 to create a unique decoding table.
1077
1078 It follows the following build rule :
1079
1080 The table has a size of `Table_Size = 1 << Accuracy_Log`.
1081 Each cell describes the symbol decoded,
1082 and instructions to get the next state.
1083
1084 Symbols are scanned in their natural order for "less than 1" probabilities.
1085 Symbols with this probability are being attributed a single cell,
1086 starting from the end of the table and retreating.
1087 These symbols define a full state reset, reading `Accuracy_Log` bits.
1088
1089 All remaining symbols are allocated in their natural order.
1090 Starting from symbol `0` and table position `0`,
1091 each symbol gets allocated as many cells as its probability.
1092 Cell allocation is spreaded, not linear :
1093 each successor position follow this rule :
1094
1095 ```
1096 position += (tableSize>>1) + (tableSize>>3) + 3;
1097 position &= tableSize-1;
1098 ```
1099
1100 A position is skipped if already occupied by a "less than 1" probability symbol.
1101 `position` does not reset between symbols, it simply iterates through
1102 each position in the table, switching to the next symbol when enough
1103 states have been allocated to the current one.
1104
1105 The result is a list of state values.
1106 Each state will decode the current symbol.
1107
1108 To get the `Number_of_Bits` and `Baseline` required for next state,
1109 it's first necessary to sort all states in their natural order.
1110 The lower states will need 1 more bit than higher ones.
1111 The process is repeated for each symbol.
1112
1113 __Example__ :
1114 Presuming a symbol has a probability of 5.
1115 It receives 5 state values. States are sorted in natural order.
1116
1117 Next power of 2 is 8.
1118 Space of probabilities is divided into 8 equal parts.
1119 Presuming the `Accuracy_Log` is 7, it defines 128 states.
1120 Divided by 8, each share is 16 large.
1121
1122 In order to reach 8, 8-5=3 lowest states will count "double",
1123 doubling the number of shares (32 in width),
1124 requiring one more bit in the process.
1125
1126 Baseline is assigned starting from the higher states using fewer bits,
1127 and proceeding naturally, then resuming at the first state,
1128 each takes its allocated width from Baseline.
1129
1130 | state order      |   0   |   1   |    2   |   3  |   4   |
1131 | ---------------- | ----- | ----- | ------ | ---- | ----- |
1132 | width            |  32   |  32   |   32   |  16  |  16   |
1133 | `Number_of_Bits` |   5   |   5   |    5   |   4  |   4   |
1134 | range number     |   2   |   4   |    6   |   0  |   1   |
1135 | `Baseline`       |  32   |  64   |   96   |   0  |  16   |
1136 | range            | 32-63 | 64-95 | 96-127 | 0-15 | 16-31 |
1137
1138 The next state is determined from current state
1139 by reading the required `Number_of_Bits`, and adding the specified `Baseline`.
1140
1141 See [Appendix A] for the results of this process applied to the default distributions.
1142
1143 [Appendix A]: #appendix-a---decoding-tables-for-predefined-codes
1144
1145
1146 Huffman Coding
1147 --------------
1148 Zstandard Huffman-coded streams are read backwards,
1149 similar to the FSE bitstreams.
1150 Therefore, to find the start of the bitstream, it is therefore to
1151 know the offset of the last byte of the Huffman-coded stream.
1152
1153 After writing the last bit containing information, the compressor
1154 writes a single `1`-bit and then fills the byte with 0-7 `0` bits of
1155 padding. The last byte of the compressed bitstream cannot be `0` for
1156 that reason.
1157
1158 When decompressing, the last byte containing the padding is the first
1159 byte to read. The decompressor needs to skip 0-7 initial `0`-bits and
1160 the first `1`-bit it occurs. Afterwards, the useful part of the bitstream
1161 begins.
1162
1163 The bitstream contains Huffman-coded symbols in __little-endian__ order,
1164 with the codes defined by the method below.
1165
1166 ### Huffman Tree Description
1167
1168 Prefix coding represents symbols from an a priori known alphabet
1169 by bit sequences (codewords), one codeword for each symbol,
1170 in a manner such that different symbols may be represented
1171 by bit sequences of different lengths,
1172 but a parser can always parse an encoded string
1173 unambiguously symbol-by-symbol.
1174
1175 Given an alphabet with known symbol frequencies,
1176 the Huffman algorithm allows the construction of an optimal prefix code
1177 using the fewest bits of any possible prefix codes for that alphabet.
1178
1179 Prefix code must not exceed a maximum code length.
1180 More bits improve accuracy but cost more header size,
1181 and require more memory or more complex decoding operations.
1182 This specification limits maximum code length to 11 bits.
1183
1184 #### Representation
1185
1186 All literal values from zero (included) to last present one (excluded)
1187 are represented by `Weight` with values from `0` to `Max_Number_of_Bits`.
1188 Transformation from `Weight` to `Number_of_Bits` follows this formula :
1189 ```
1190 Number_of_Bits = Weight ? (Max_Number_of_Bits + 1 - Weight) : 0
1191 ```
1192 The last symbol's `Weight` is deduced from previously decoded ones,
1193 by completing to the nearest power of 2.
1194 This power of 2 gives `Max_Number_of_Bits`, the depth of the current tree.
1195 `Max_Number_of_Bits` must be <= 11,
1196 otherwise the representation is considered corrupted.
1197
1198 __Example__ :
1199 Let's presume the following Huffman tree must be described :
1200
1201 |  literal value   |  0  |  1  |  2  |  3  |  4  |  5  |
1202 | ---------------- | --- | --- | --- | --- | --- | --- |
1203 | `Number_of_Bits` |  1  |  2  |  3  |  0  |  4  |  4  |
1204
1205 The tree depth is 4, since its longest elements uses 4 bits
1206 (longest elements are the one with smallest frequency).
1207 Value `5` will not be listed, as it can be determined from values for 0-4,
1208 nor will values above `5` as they are all 0.
1209 Values from `0` to `4` will be listed using `Weight` instead of `Number_of_Bits`.
1210 Weight formula is :
1211 ```
1212 Weight = Number_of_Bits ? (Max_Number_of_Bits + 1 - Number_of_Bits) : 0
1213 ```
1214 It gives the following series of weights :
1215
1216 | literal value |  0  |  1  |  2  |  3  |  4  |
1217 | ------------- | --- | --- | --- | --- | --- |
1218 |   `Weight`    |  4  |  3  |  2  |  0  |  1  |
1219
1220 The decoder will do the inverse operation :
1221 having collected weights of literal symbols from `0` to `4`,
1222 it knows the last literal, `5`, is present with a non-zero `Weight`.
1223 The `Weight` of `5` can be determined by advancing to the next power of 2.
1224 The sum of `2^(Weight-1)` (excluding 0's) is :
1225 `8 + 4 + 2 + 0 + 1 = 15`.
1226 Nearest larger power of 2 value is 16.
1227 Therefore, `Max_Number_of_Bits = 4` and `Weight[5] = 16-15 = 1`.
1228
1229 #### Huffman Tree header
1230
1231 This is a single byte value (0-255),
1232 which describes how the series of weights is encoded.
1233
1234 - if `headerByte` < 128 :
1235   the series of weights is compressed using FSE (see below).
1236   The length of the FSE-compressed series is equal to `headerByte` (0-127).
1237
1238 - if `headerByte` >= 128 :
1239   + the series of weights uses a direct representation,
1240     where each `Weight` is encoded directly as a 4 bits field (0-15).
1241   + They are encoded forward, 2 weights to a byte,
1242     first weight taking the top four bits and second one taking the bottom four.
1243     * e.g. the following operations could be used to read the weights:
1244       `Weight[0] = (Byte[0] >> 4), Weight[1] = (Byte[0] & 0xf)`, etc.
1245   + The full representation occupies `Ceiling(Number_of_Weights/2)` bytes,
1246     meaning it uses only full bytes even if `Number_of_Weights` is odd.
1247   + `Number_of_Weights = headerByte - 127`.
1248     * Note that maximum `Number_of_Weights` is 255-127 = 128,
1249       therefore, only up to 128 `Weight` can be encoded using direct representation.
1250     * Since the last non-zero `Weight` is _not_ encoded,
1251       this scheme is compatible with alphabet sizes of up to 129 symbols,
1252       hence including literal symbol 128.
1253     * If any literal symbol > 128 has a non-zero `Weight`,
1254       direct representation is not possible.
1255       In such case, it's necessary to use FSE compression.
1256
1257
1258 #### Finite State Entropy (FSE) compression of Huffman weights
1259
1260 In this case, the series of Huffman weights is compressed using FSE compression.
1261 It's a single bitstream with 2 interleaved states,
1262 sharing a single distribution table.
1263
1264 To decode an FSE bitstream, it is necessary to know its compressed size.
1265 Compressed size is provided by `headerByte`.
1266 It's also necessary to know its _maximum possible_ decompressed size,
1267 which is `255`, since literal values span from `0` to `255`,
1268 and last symbol's `Weight` is not represented.
1269
1270 An FSE bitstream starts by a header, describing probabilities distribution.
1271 It will create a Decoding Table.
1272 For a list of Huffman weights, the maximum accuracy log is 6 bits.
1273 For more description see the [FSE header description](#fse-table-description)
1274
1275 The Huffman header compression uses 2 states,
1276 which share the same FSE distribution table.
1277 The first state (`State1`) encodes the even indexed symbols,
1278 and the second (`State2`) encodes the odd indexed symbols.
1279 `State1` is initialized first, and then `State2`, and they take turns
1280 decoding a single symbol and updating their state.
1281 For more details on these FSE operations, see the [FSE section](#fse).
1282
1283 The number of symbols to decode is determined
1284 by tracking bitStream overflow condition:
1285 If updating state after decoding a symbol would require more bits than
1286 remain in the stream, it is assumed that extra bits are 0.  Then,
1287 symbols for each of the final states are decoded and the process is complete.
1288
1289 #### Conversion from weights to Huffman prefix codes
1290
1291 All present symbols shall now have a `Weight` value.
1292 It is possible to transform weights into `Number_of_Bits`, using this formula:
1293 ```
1294 Number_of_Bits = (Weight>0) ? Max_Number_of_Bits + 1 - Weight : 0
1295 ```
1296 Symbols are sorted by `Weight`.
1297 Within same `Weight`, symbols keep natural sequential order.
1298 Symbols with a `Weight` of zero are removed.
1299 Then, starting from lowest `Weight`, prefix codes are distributed in sequential order.
1300
1301 __Example__ :
1302 Let's presume the following list of weights has been decoded :
1303
1304 | Literal  |  0  |  1  |  2  |  3  |  4  |  5  |
1305 | -------- | --- | --- | --- | --- | --- | --- |
1306 | `Weight` |  4  |  3  |  2  |  0  |  1  |  1  |
1307
1308 Sorted by weight and then natural sequential order,
1309 it gives the following distribution :
1310
1311 | Literal          |  3  |  4  |  5  |  2  |  1  |   0  |
1312 | ---------------- | --- | --- | --- | --- | --- | ---- |
1313 | `Weight`         |  0  |  1  |  1  |  2  |  3  |   4  |
1314 | `Number_of_Bits` |  0  |  4  |  4  |  3  |  2  |   1  |
1315 | prefix codes     | N/A | 0000| 0001| 001 | 01  |   1  |
1316
1317 ### Huffman-coded Streams
1318
1319 Given a Huffman decoding table,
1320 it's possible to decode a Huffman-coded stream.
1321
1322 Each bitstream must be read _backward_,
1323 that is starting from the end down to the beginning.
1324 Therefore it's necessary to know the size of each bitstream.
1325
1326 It's also necessary to know exactly which _bit_ is the last one.
1327 This is detected by a final bit flag :
1328 the highest bit of latest byte is a final-bit-flag.
1329 Consequently, a last byte of `0` is not possible.
1330 And the final-bit-flag itself is not part of the useful bitstream.
1331 Hence, the last byte contains between 0 and 7 useful bits.
1332
1333 Starting from the end,
1334 it's possible to read the bitstream in a __little-endian__ fashion,
1335 keeping track of already used bits. Since the bitstream is encoded in reverse
1336 order, starting from the end read symbols in forward order.
1337
1338 For example, if the literal sequence "0145" was encoded using above prefix code,
1339 it would be encoded (in reverse order) as:
1340
1341 |Symbol  |   5  |   4  |  1 | 0 | Padding |
1342 |--------|------|------|----|---|---------|
1343 |Encoding|`0000`|`0001`|`01`|`1`| `00001` |
1344
1345 Resulting in following 2-bytes bitstream :
1346 ```
1347 00010000 00001101
1348 ```
1349
1350 Here is an alternative representation with the symbol codes separated by underscore:
1351 ```
1352 0001_0000 00001_1_01
1353 ```
1354
1355 Reading highest `Max_Number_of_Bits` bits,
1356 it's possible to compare extracted value to decoding table,
1357 determining the symbol to decode and number of bits to discard.
1358
1359 The process continues up to reading the required number of symbols per stream.
1360 If a bitstream is not entirely and exactly consumed,
1361 hence reaching exactly its beginning position with _all_ bits consumed,
1362 the decoding process is considered faulty.
1363
1364
1365 Dictionary Format
1366 -----------------
1367
1368 Zstandard is compatible with "raw content" dictionaries,
1369 free of any format restriction, except that they must be at least 8 bytes.
1370 These dictionaries function as if they were just the `Content` part
1371 of a formatted dictionary.
1372
1373 But dictionaries created by `zstd --train` follow a format, described here.
1374
1375 __Pre-requisites__ : a dictionary has a size,
1376                      defined either by a buffer limit, or a file size.
1377
1378 | `Magic_Number` | `Dictionary_ID` | `Entropy_Tables` | `Content` |
1379 | -------------- | --------------- | ---------------- | --------- |
1380
1381 __`Magic_Number`__ : 4 bytes ID, value 0xEC30A437, __little-endian__ format
1382
1383 __`Dictionary_ID`__ : 4 bytes, stored in __little-endian__ format.
1384               `Dictionary_ID` can be any value, except 0 (which means no `Dictionary_ID`).
1385               It's used by decoders to check if they use the correct dictionary.
1386
1387 _Reserved ranges :_
1388               If the frame is going to be distributed in a private environment,
1389               any `Dictionary_ID` can be used.
1390               However, for public distribution of compressed frames,
1391               the following ranges are reserved and shall not be used :
1392
1393               - low range  : <= 32767
1394               - high range : >= (2^31)
1395
1396 __`Entropy_Tables`__ : follow the same format as tables in [compressed blocks].
1397               See the relevant [FSE](#fse-table-description)
1398               and [Huffman](#huffman-tree-description) sections for how to decode these tables.
1399               They are stored in following order :
1400               Huffman tables for literals, FSE table for offsets,
1401               FSE table for match lengths, and FSE table for literals lengths.
1402               These tables populate the Repeat Stats literals mode and
1403               Repeat distribution mode for sequence decoding.
1404               It's finally followed by 3 offset values, populating recent offsets (instead of using `{1,4,8}`),
1405               stored in order, 4-bytes __little-endian__ each, for a total of 12 bytes.
1406               Each recent offset must have a value < dictionary size.
1407
1408 __`Content`__ : The rest of the dictionary is its content.
1409               The content act as a "past" in front of data to compress or decompress,
1410               so it can be referenced in sequence commands.
1411               As long as the amount of data decoded from this frame is less than or
1412               equal to `Window_Size`, sequence commands may specify offsets longer
1413               than the total length of decoded output so far to reference back to the
1414               dictionary, even parts of the dictionary with offsets larger than `Window_Size`.  
1415               After the total output has surpassed `Window_Size` however,
1416               this is no longer allowed and the dictionary is no longer accessible.
1417
1418 [compressed blocks]: #the-format-of-compressed_block
1419
1420 If a dictionary is provided by an external source,
1421 it should be loaded with great care, its content considered untrusted.
1422
1423
1424
1425 Appendix A - Decoding tables for predefined codes
1426 -------------------------------------------------
1427
1428 This appendix contains FSE decoding tables
1429 for the predefined literal length, match length, and offset codes.
1430 The tables have been constructed using the algorithm as given above in chapter
1431 "from normalized distribution to decoding tables".
1432 The tables here can be used as examples
1433 to crosscheck that an implementation build its decoding tables correctly.
1434
1435 #### Literal Length Code:
1436
1437 | State | Symbol | Number_Of_Bits | Base |
1438 | ----- | ------ | -------------- | ---- |
1439 |     0 |      0 |              4 |    0 |
1440 |     1 |      0 |              4 |   16 |
1441 |     2 |      1 |              5 |   32 |
1442 |     3 |      3 |              5 |    0 |
1443 |     4 |      4 |              5 |    0 |
1444 |     5 |      6 |              5 |    0 |
1445 |     6 |      7 |              5 |    0 |
1446 |     7 |      9 |              5 |    0 |
1447 |     8 |     10 |              5 |    0 |
1448 |     9 |     12 |              5 |    0 |
1449 |    10 |     14 |              6 |    0 |
1450 |    11 |     16 |              5 |    0 |
1451 |    12 |     18 |              5 |    0 |
1452 |    13 |     19 |              5 |    0 |
1453 |    14 |     21 |              5 |    0 |
1454 |    15 |     22 |              5 |    0 |
1455 |    16 |     24 |              5 |    0 |
1456 |    17 |     25 |              5 |   32 |
1457 |    18 |     26 |              5 |    0 |
1458 |    19 |     27 |              6 |    0 |
1459 |    20 |     29 |              6 |    0 |
1460 |    21 |     31 |              6 |    0 |
1461 |    22 |      0 |              4 |   32 |
1462 |    23 |      1 |              4 |    0 |
1463 |    24 |      2 |              5 |    0 |
1464 |    25 |      4 |              5 |   32 |
1465 |    26 |      5 |              5 |    0 |
1466 |    27 |      7 |              5 |   32 |
1467 |    28 |      8 |              5 |    0 |
1468 |    29 |     10 |              5 |   32 |
1469 |    30 |     11 |              5 |    0 |
1470 |    31 |     13 |              6 |    0 |
1471 |    32 |     16 |              5 |   32 |
1472 |    33 |     17 |              5 |    0 |
1473 |    34 |     19 |              5 |   32 |
1474 |    35 |     20 |              5 |    0 |
1475 |    36 |     22 |              5 |   32 |
1476 |    37 |     23 |              5 |    0 |
1477 |    38 |     25 |              4 |    0 |
1478 |    39 |     25 |              4 |   16 |
1479 |    40 |     26 |              5 |   32 |
1480 |    41 |     28 |              6 |    0 |
1481 |    42 |     30 |              6 |    0 |
1482 |    43 |      0 |              4 |   48 |
1483 |    44 |      1 |              4 |   16 |
1484 |    45 |      2 |              5 |   32 |
1485 |    46 |      3 |              5 |   32 |
1486 |    47 |      5 |              5 |   32 |
1487 |    48 |      6 |              5 |   32 |
1488 |    49 |      8 |              5 |   32 |
1489 |    50 |      9 |              5 |   32 |
1490 |    51 |     11 |              5 |   32 |
1491 |    52 |     12 |              5 |   32 |
1492 |    53 |     15 |              6 |    0 |
1493 |    54 |     17 |              5 |   32 |
1494 |    55 |     18 |              5 |   32 |
1495 |    56 |     20 |              5 |   32 |
1496 |    57 |     21 |              5 |   32 |
1497 |    58 |     23 |              5 |   32 |
1498 |    59 |     24 |              5 |   32 |
1499 |    60 |     35 |              6 |    0 |
1500 |    61 |     34 |              6 |    0 |
1501 |    62 |     33 |              6 |    0 |
1502 |    63 |     32 |              6 |    0 |
1503
1504 #### Match Length Code:
1505
1506 | State | Symbol | Number_Of_Bits | Base |
1507 | ----- | ------ | -------------- | ---- |
1508 |     0 |      0 |              6 |    0 |
1509 |     1 |      1 |              4 |    0 |
1510 |     2 |      2 |              5 |   32 |
1511 |     3 |      3 |              5 |    0 |
1512 |     4 |      5 |              5 |    0 |
1513 |     5 |      6 |              5 |    0 |
1514 |     6 |      8 |              5 |    0 |
1515 |     7 |     10 |              6 |    0 |
1516 |     8 |     13 |              6 |    0 |
1517 |     9 |     16 |              6 |    0 |
1518 |    10 |     19 |              6 |    0 |
1519 |    11 |     22 |              6 |    0 |
1520 |    12 |     25 |              6 |    0 |
1521 |    13 |     28 |              6 |    0 |
1522 |    14 |     31 |              6 |    0 |
1523 |    15 |     33 |              6 |    0 |
1524 |    16 |     35 |              6 |    0 |
1525 |    17 |     37 |              6 |    0 |
1526 |    18 |     39 |              6 |    0 |
1527 |    19 |     41 |              6 |    0 |
1528 |    20 |     43 |              6 |    0 |
1529 |    21 |     45 |              6 |    0 |
1530 |    22 |      1 |              4 |   16 |
1531 |    23 |      2 |              4 |    0 |
1532 |    24 |      3 |              5 |   32 |
1533 |    25 |      4 |              5 |    0 |
1534 |    26 |      6 |              5 |   32 |
1535 |    27 |      7 |              5 |    0 |
1536 |    28 |      9 |              6 |    0 |
1537 |    29 |     12 |              6 |    0 |
1538 |    30 |     15 |              6 |    0 |
1539 |    31 |     18 |              6 |    0 |
1540 |    32 |     21 |              6 |    0 |
1541 |    33 |     24 |              6 |    0 |
1542 |    34 |     27 |              6 |    0 |
1543 |    35 |     30 |              6 |    0 |
1544 |    36 |     32 |              6 |    0 |
1545 |    37 |     34 |              6 |    0 |
1546 |    38 |     36 |              6 |    0 |
1547 |    39 |     38 |              6 |    0 |
1548 |    40 |     40 |              6 |    0 |
1549 |    41 |     42 |              6 |    0 |
1550 |    42 |     44 |              6 |    0 |
1551 |    43 |      1 |              4 |   32 |
1552 |    44 |      1 |              4 |   48 |
1553 |    45 |      2 |              4 |   16 |
1554 |    46 |      4 |              5 |   32 |
1555 |    47 |      5 |              5 |   32 |
1556 |    48 |      7 |              5 |   32 |
1557 |    49 |      8 |              5 |   32 |
1558 |    50 |     11 |              6 |    0 |
1559 |    51 |     14 |              6 |    0 |
1560 |    52 |     17 |              6 |    0 |
1561 |    53 |     20 |              6 |    0 |
1562 |    54 |     23 |              6 |    0 |
1563 |    55 |     26 |              6 |    0 |
1564 |    56 |     29 |              6 |    0 |
1565 |    57 |     52 |              6 |    0 |
1566 |    58 |     51 |              6 |    0 |
1567 |    59 |     50 |              6 |    0 |
1568 |    60 |     49 |              6 |    0 |
1569 |    61 |     48 |              6 |    0 |
1570 |    62 |     47 |              6 |    0 |
1571 |    63 |     46 |              6 |    0 |
1572
1573 #### Offset Code:
1574
1575 | State | Symbol | Number_Of_Bits | Base |
1576 | ----- | ------ | -------------- | ---- |
1577 |     0 |      0 |              5 |    0 |
1578 |     1 |      6 |              4 |    0 |
1579 |     2 |      9 |              5 |    0 |
1580 |     3 |     15 |              5 |    0 |
1581 |     4 |     21 |              5 |    0 |
1582 |     5 |      3 |              5 |    0 |
1583 |     6 |      7 |              4 |    0 |
1584 |     7 |     12 |              5 |    0 |
1585 |     8 |     18 |              5 |    0 |
1586 |     9 |     23 |              5 |    0 |
1587 |    10 |      5 |              5 |    0 |
1588 |    11 |      8 |              4 |    0 |
1589 |    12 |     14 |              5 |    0 |
1590 |    13 |     20 |              5 |    0 |
1591 |    14 |      2 |              5 |    0 |
1592 |    15 |      7 |              4 |   16 |
1593 |    16 |     11 |              5 |    0 |
1594 |    17 |     17 |              5 |    0 |
1595 |    18 |     22 |              5 |    0 |
1596 |    19 |      4 |              5 |    0 |
1597 |    20 |      8 |              4 |   16 |
1598 |    21 |     13 |              5 |    0 |
1599 |    22 |     19 |              5 |    0 |
1600 |    23 |      1 |              5 |    0 |
1601 |    24 |      6 |              4 |   16 |
1602 |    25 |     10 |              5 |    0 |
1603 |    26 |     16 |              5 |    0 |
1604 |    27 |     28 |              5 |    0 |
1605 |    28 |     27 |              5 |    0 |
1606 |    29 |     26 |              5 |    0 |
1607 |    30 |     25 |              5 |    0 |
1608 |    31 |     24 |              5 |    0 |
1609
1610
1611
1612 Appendix B - Resources for implementers
1613 -------------------------------------------------
1614
1615 An open source reference implementation is available on :
1616 https://github.com/facebook/zstd
1617
1618 The project contains a frame generator, called [decodeCorpus],
1619 which can be used by any 3rd-party implementation
1620 to verify that a tested decoder is compliant with the specification.
1621
1622 [decodeCorpus]: https://github.com/facebook/zstd/tree/v1.3.4/tests#decodecorpus---tool-to-generate-zstandard-frames-for-decoder-testing
1623
1624 `decodeCorpus` generates random valid frames.
1625 A compliant decoder should be able to decode them all,
1626 or at least provide a meaningful error code explaining for which reason it cannot
1627 (memory limit restrictions for example).
1628
1629
1630 Version changes
1631 ---------------
1632 - 0.3.0 : minor edits to match RFC8478
1633 - 0.2.9 : clarifications for huffman weights direct representation, by Ulrich Kunitz
1634 - 0.2.8 : clarifications for IETF RFC discuss
1635 - 0.2.7 : clarifications from IETF RFC review, by Vijay Gurbani and Nick Terrell
1636 - 0.2.6 : fixed an error in huffman example, by Ulrich Kunitz
1637 - 0.2.5 : minor typos and clarifications
1638 - 0.2.4 : section restructuring, by Sean Purcell
1639 - 0.2.3 : clarified several details, by Sean Purcell
1640 - 0.2.2 : added predefined codes, by Johannes Rudolph
1641 - 0.2.1 : clarify field names, by Przemyslaw Skibinski
1642 - 0.2.0 : numerous format adjustments for zstd v0.8+
1643 - 0.1.2 : limit Huffman tree depth to 11 bits
1644 - 0.1.1 : reserved dictID ranges
1645 - 0.1.0 : initial release