大数据存储压缩算法调研:snappy、gzip还是lz4?

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压缩比是衡量压缩算法效率的重要指标之一,它表示压缩后的数据大小与原始数据大小之间的比率。一般来说,压缩比越高,表示压缩算法越有效,可以更好地减小数据存储空间或网络传输带宽的占用。

评价压缩算法时,通常需要考虑以下两个主要方面 压缩比和压缩/解压缩吞吐量。

压缩比

压缩比是衡量压缩算法效率的重要指标之一,它表示压缩后的数据大小与原始数据大小之间的比率。一般来说,压缩比越高,表示压缩算法越有效,可以更好地减小数据存储空间或网络传输带宽的占用。

评价压缩算法的压缩比时,需要考虑以下几点

数据特性

不同类型的数据在压缩后的效果会有所不同。例如,文本数据、图像数据、音频数据等具有不同的特征,压缩算法对它们的适用性也不同。

压缩级别

压缩算法通常提供多个压缩级别或参数,可以根据需求选择不同的级别以达到更好的压缩效果,但通常会牺牲压缩/解压缩速度。

算法复杂度

一些压缩算法相对简单,适用于快速压缩,但压缩比不如一些更复杂的算法。在实际应用中需要权衡算法的复杂度与压缩比。

压缩 / 解压缩吞吐量

压缩/解压缩吞吐量是衡量压缩算法性能的另一个重要指标,它表示单位时间内压缩或解压缩的数据量。对于需要高吞吐量的应用场景(如大规模数据处理、实时数据传输等),压缩/解压缩速度是至关重要的。

评价压缩/解压缩吞吐量时,需要考虑以下几点

算法效率

压缩/解压缩算法的实现效率直接影响到吞吐量。一些高效的算法能够在保持较高压缩比的同时,实现较高的压缩/解压缩速度。

硬件支持

某些压缩算法依赖特定的硬件加速或优化,如 SIMD 指令集、GPU 等,这些硬件支持可以显著提高压缩/解压缩的吞吐量。

并发性能

压缩/解压缩过程是否支持并发处理,以及并发处理的效率如何,对于多线程或分布式系统来说尤为重要。

综合考虑压缩比和压缩/解压缩吞吐量两个方面,可以选择最适合特定应用场景的压缩算法。有些情况下需要在压缩比和吞吐量之间做出权衡,根据具体需求选择合适的算法和参数配置。

压缩算法的对比

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从表中我们可以发现 zstd 算法有着最高的压缩比,而在吞吐量上的表现只能说中规中矩。

反观 LZ4 算法,它在吞吐量方面则是毫无疑问的执牛耳者。

GZIP、Snappy、LZ4 甚至是 zstd 的表现各有千秋。

但对于 Kafka 而言,它们的性能测试结果却出奇得一致,即在吞吐量方面:LZ4 > Snappy > zstd 和 GZIP;

而在压缩比方面,zstd > LZ4 > GZIP > Snappy。如果网络不好且 CPU 资源够的话,建议使用 zstd 压缩

具体到物理资源,使用 Snappy 算法占用的网络带宽最多,zstd 最少,这是合理的,毕竟 zstd 就是要提供超高的压缩比;

在 CPU 使用率方面,各个算法表现得差不多,只是在压缩时 Snappy 算法使用的 CPU 较多一些,而在解压缩时 GZIP 算法则可能使用更多的 CPU。

LZ4算法

LZ4(Lempel-Ziv-Markov chain-4)是一种快速压缩算法,其原理基于Lempel-Ziv压缩算法,采用了哈希表和有限状态自动机来实现高效的压缩和解压缩过程。

下面是LZ4算法的简要原理

字典压缩

LZ4使用字典压缩的思想,通过构建字典并将重复出现的序列替换为引用字典中的索引来实现压缩。

字典中存储了之前已经出现过的序列,可以是连续的字节序列或者匹配的字符串。

哈希表和链表

LZ4算法使用哈希表来快速查找字典中的匹配项。哈希表的键是序列的哈希值,值是该序列在字典中的位置。

如果发生哈希冲突,LZ4使用链表来处理冲突,将具有相同哈希值的序列连接起来。

有限状态自动机

LZ4使用有限状态自动机来查找并表示匹配序列。这个自动机有四个状态,每个状态都对应着一个之前匹配序列的长度(通常是1、4、8或者16个字节)。

压缩过程

在压缩过程中,LZ4从输入数据中扫描匹配序列,并将匹配序列的起始位置和长度写入输出流。如果找不到匹配序列,LZ4将原始字节直接写入输出流。

解压缩过程

在解压缩过程中,LZ4根据压缩数据中的引用索引和长度信息,从字典中查找匹配序列,并将匹配序列写入输出流。如果没有匹配序列,LZ4直接将原始字节写入输出流。

总结一下,LZ4算法通过使用字典压缩、哈希表、有限状态自动机等技术,实现了高效的压缩和解压缩过程,具有较高的压缩速度和解压缩速度,适用于需要快速处理数据的场景。

最终方案

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责任编辑:武晓燕 来源: 海燕技术栈
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