Zstandard 是 Facebook 于 2016 年开源的高性能压缩算法，旨在提供 实时压缩速度 和 接近 Brotli 的压缩率。以下是其核心技术解析：

核心设计思想

1、混合算法架构

• 结合 字典压缩 + LZ77 + 熵编码 三阶段流水线
• 支持从 -1（最快）到 22（最高压缩比）的 23 个压缩级别

2、可训练字典

• 允许用户为特定数据类型生成专用字典（如 JSON/日志/二进制）
• 字典大小可调（默认 112KB，最大支持 2GB）

3、多线程优化

• 原生支持并行压缩（--threads=N 参数）
• 解压仍保持单线程（确保低端设备兼容性）

压缩流程（分步解析）

1、预处理阶段

# 伪代码示例
if 使用字典:
    load_custom_dictionary()  # 加载预训练字典
init_parallel_workers()      # 初始化多线程

2、LZ77 阶段优化

对重复模式生成 <offset, length> 元组 采用 可变大小哈希链 加速匹配：

压缩级别	哈希链长度	搜索深度
1	3	4
19+	8	128

3、熵编码阶段

• 比 Huffman 编码快 30% 且节省 5-10% 空间

• 使用 有限状态熵 (FSE) 编码：

4、块结构设计

每个 Zstandard 帧包含：

struct ZstdFrame {
  uint32_t magic_number;  // 0xFD2FB528
  uint8_t  header;       // 字典ID/块大小标识
  uint64_t checksum;      // 可选的XXHash64
  byte     data[];        // 压缩内容
}

关键技术创新

1、动态块分割

• 自动检测数据特征划分块大小（默认 128KB）
• 对结构化数据（如 JSON）采用更小的块

2、反向匹配优化

• 不仅向前搜索重复，也检查 向后 1KB 的潜在匹配
• 提升 2-5% 压缩率（尤其对日志类数据）

3、零成本重置

• 自动根据 CPU 负载调整压缩级别

• 允许在流式传输中重置压缩状态：

  zstd --adapt min=1,max=22 -f input.log

性能实测对比

算法	压缩速度 (MB/s)	解压速度 (MB/s)	压缩率	内存占用
Zstd -1	720	2500	2.7:1	<1 MB
Zstd -19	28	550	4.1:1	~256 MB
Gzip -6	120	500	3.2:1	8 MB
Brotli -11	12	400	4.3:1	300 MB

测试数据：Silesia Corpus / i9-13900K

典型应用场景

1、数据库存储

-- MySQL 8.0+ 启用 Zstd
ALTER TABLE logs COMPRESSION="zstd";

• RocksDB/MongoDB 的默认压缩算法

2、游戏资源打包

# Unity 资源包压缩
zstd --ultra -22 --content-size Assets.bundle

3、实时日志处理

# Python 流式压缩
import zstandard as zstd
cctx = zstd.ZstdCompressor(level=3)
with open('log.zst', 'wb') as f:
    f.write(cctx.compress(log_data))

与 Brotli/Gzip 的对比选择

场景	推荐算法	理由
Web 静态资源	Brotli	最高压缩率 + 浏览器原生支持
数据库/日志	Zstandard	实时压缩 + 低解压 CPU 消耗
老旧系统兼容	Gzip	无处不在的支持
内存受限环境	Zstandard -3	速度/内存/压缩率平衡

命令行实用示例

1、基础压缩

zstd file.txt         # 生成 file.txt.zst
zstd -d file.txt.zst  # 解压

2、字典训练

# 从样本生成字典
zstd --train sample/*.json -o json.dict
# 使用字典压缩
zstd -D json.dict new_data.json

3、性能调优

zstd --fast=3         # 速度优先模式
zstd --adapt          # 动态调整级别

Zstd 通过算法创新和工程优化，在 速度 和 压缩率 之间实现了近乎完美的平衡，成为现代数据处理的瑞士军刀。其设计理念（如可训练字典）也深刻影响了后续算法发展。

更新日志

2025/8/24 08:17

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• e7112-1于 2025/8/24