本記事の内容
- zip, compress, gzip, bzip2の開発経緯と技術について
- 圧縮とアーカイブの違い
- zip, compress, gzip, bzip2の性能比較（デモ）
- bzip2の圧縮性能を支える技術のキーワード（BWT、ハフマン符号）
zip, compress, gzip, bzip2の違い（それぞれの歴史）
zipとは？
zipは1989年にフィル・カッツによって提案された圧縮形式で、現在最も多く用いられている圧縮形式であると同時に、後述する多くの圧縮形式に名前を貸し与えています。
ファイルは辞書を用いて圧縮され、Lempel, Zivらによって1977年に提案されたLZ77法が使われています。 また、文字列の符号化にはハフマン符号が用いられています（上記まとめたアルゴリズム名は『Deflate』）。
zipはアーカイバとしての機能を持ち、複数ファイルをまとめつつ、ファイルサイズを下げることが出来ます。
compressとは
Lempel, Zivらによって提案されたアルゴリズムには、 1977年に提案されたLZ77法と1978年に提案されたLZ78法の２種類があるのですが、 compressでは、LZ88法の改良版として提案された、Lempel-Ziv-Welchのアルゴリズム(LZW)が用いられています。 （ちなみに、LZWの提案は1984年。）
gzipとは
gzipはGNU ZIPの略称で、オープンソースプロジェクトの走りとも言える（というと偉い人から怒られるのですが…）GNUプロジェクトの一環として開発された圧縮方式です。 当時広まっていたcompressの代替を目して開発された方式で、zipと同様に圧縮はDeflateによります。
zipとは異なりアーカイブ機能はありません。
bzip2とは
bzip2は1996年に公開されたファイル圧縮形式で、gzipに加えて下記の処理が加わっており、圧縮効率がなお高まっています。
- BWT（Burrows-Wheeler Transformation, バロウズ・ホイラー変換）を用いた前処理
- Move to Front法による前処理
またgzipと同様、ハフマン符号を用いている点もポイントです。
これらの処理を行う分、処理速度ではgzipに軍配が上がるとされています。 こちらも、zipとは異なりアーカイブ機能はありません。
補足：圧縮とアーカイブの違い
| 用語 | 定義 |
|---|---|
| 圧縮 | ファイルサイズを小さくすること |
| アーカイブ | 複数ファイルを一つにまとめること |
アーカイブを行うプログラムを アーカイバ とも呼び、 上述した形式には、アーカイバとしての機能があるものとないものが存在します。
辞書、BWT、ハフマン符号 - 圧縮にかかわる技術を学ぶには
さて、ここまでの内容にはいくつかの用語が登場してきました。
- 辞書を用いた圧縮
- LZ77法
- BWT（Burrows-Wheeler Transformation, バロウズ・ホイラー変換）
- ハフマン符号
実は上記はいずれも、『高速文字列解析の世界 データ圧縮・全文検索・テキストマイニング』（岡野原、2012）の中で詳細に解説されています。
Altus-Fiveブログでは本書を読み解きながら、今後 これら技術に関するデモ実装をPythonで行いたい と考えておりますので、ご興味のある方はぜひブックマーク、もしくははてブを押していって頂けると嬉しいです。
おまけ：テキスト圧縮の性能比較 - zip, gzip, compress, bzip2を比べてみた
今回はデモとして、青空文庫からダウンロードした相対性理論の論文（sotaisei_riron.txt）を圧縮してみました。
| 圧縮方式 | Before | After |
|---|---|---|
| zip | 29KB | 12KB |
| gzip | 29KB | 12KB |
| compress | 29KB | 15KB |
| bzip2 | 29KB | 10KB |
このファイルについて4形式を比べた時、 bzip2の性能が最も良い という結果となっています。
なぜbzip2は性能が良いのか？
先ほどの繰り返しになりますが、
- 索引作成の前処理としてBWT（Burrows-Wheeler Transformation, バロウズ・ホイラー変換）、MTF (Move-To-Front) 法を行なっている
- 圧縮方式としてハフマン符号を用いており、入力テキストそれぞれに二分木（ハフマン木）を生成。最適な符号化を行なっている
といった理由が挙げられます。 上記キーワードの詳細は、すべて『高速文字列解析の世界』（岡野原，2012）に載っていますので（MTF法を除く）、よければご参照ください。 本記事はあくまで「歴史的経緯のまとめ」ですが、技術の深みの面白さについて伝えていくため、 今後、BWTやハフマン符号の概略を示す記事をAltus-Fiveブログで掲載したいと思っています。
参考記事
アルタスファイブのブログでは、データ構造に関する記事を定期的に執筆しております。 よろしければ、ご参照ください。
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