7z 文件格式及其源码分析

7z 是一种高压缩比的文件压缩格式，通常由 7-Zip 软件创建和解压。7z 格式的优势在于其高效的压缩算法和支持多种压缩方式的特点。下面我们将深入分析 7z 文件格式的结构以及相关源码。

1. 7z 文件格式概述

7z 文件格式由 7-Zip 提供，它支持多种压缩算法、加密方式，并且能够处理多种类型的文件。

7z 文件格式的特点包括：

  • 高压缩率：使用如 LZMA、LZMA2、PPMd、BZip2 等压缩算法。
  • 支持多种压缩方式：不仅支持单一的压缩算法，还支持组合多种压缩算法。
  • 支持加密和文件分割。
  • 支持存档文件的多种格式，包括文件、目录、符号链接等。

7z 文件的基本结构

一个标准的 7z 文件包含以下几个部分：

  1. Header (头部)
    • 文件开始部分包含文件头信息，主要用于标识文件类型和版本。
  2. Archive Property (归档属性)
    • 包含压缩格式的信息，包括文件的压缩类型、文件大小、文件数量等。
  3. File Entry (文件条目)
    • 描述了存档中的各个文件及其属性，如文件名、文件大小、压缩比、文件类型等。
  4. Compressed Data (压缩数据)
    • 存储实际的压缩数据。压缩的数据可能会使用多种算法来进行处理。
  5. Footer (尾部)
    • 结尾部分包含关于存档的附加信息和校验信息。

2. 7z 文件头结构分析

7z 文件的头部是由一系列特定格式的标识符组成，通常包括以下几个重要部分：

(1) 7z 文件签名

每个 7z 文件的开始部分都有一个固定的签名（magic number），它是用于标识该文件为 7z 格式的。签名的字节序列如下：

  • 37 7A BC AF 27 1C

该签名是 7z 文件格式的标志，任何一个以此开始的文件都可以被认为是一个 7z 文件。

(2) 头部信息结构

7z 文件的头部包含几个关键的字段，描述了文件的基本信息。以下是一个简化的文件头结构：

7z Header:
------------------------------------
| Signature (6 bytes)             |
------------------------------------
| Archive Properties (varied)     |
------------------------------------
| File Entries (varied)           |
------------------------------------

3. 7z 压缩算法

7z 支持多种压缩算法，其中最常用的是 LZMA 和 LZMA2。

(1) LZMA (Lempel-Ziv-Markov Chain Algorithm)

LZMA 是 7z 格式中最常用的压缩算法，它提供了较高的压缩比和较低的解压速度。LZMA 算法的工作原理基于字典压缩和概率模型。

LZMA 工作的主要步骤包括：

  1. 字典压缩：通过创建一个“字典”来对重复的数据进行压缩，减少冗余。
  2. 熵编码：对数据的符号进行概率统计编码，进一步减少数据冗余。

LZMA 算法使用一个较大的字典（通常是 2^24 大小），这使得它能够在压缩大数据时取得很好的效果。

(2) LZMA2

LZMA2 是 LZMA 的改进版本，它能够支持多线程压缩，提升了压缩速度，特别是在多核 CPU 上。

4. 7z 文件源码分析

7z 文件格式的源码主要来源于 7-Zip 开源项目。7-Zip 是由 Igor Pavlov 开发的，它是一个强大的压缩工具，支持多种格式（如 7z、zip、rar 等）。

(1) 7-Zip 开源项目

7-Zip 是一个开源项目，源代码可以在 GitHub 上获取。你可以通过以下链接找到它：

7-Zip 的源码主要分为以下几个部分：

  • Compression：处理压缩和解压缩过程的核心算法，包括 LZMA、LZMA2、PPMd 等。
  • 7zFormat：7z 文件格式的解析和处理代码，负责读取和写入 7z 文件的内容。
  • UI：7-Zip 的用户界面代码，提供图形界面和命令行工具。

(2) 核心源码分析

以 LZMA 压缩为例，7z 的压缩算法主要实现代码位于 Compress/LZMA 文件夹中。以下是 LZMA 压缩核心的部分源码分析。

// LZMAEnc.cpp - LZMA 压缩实现
#include "LzmaEnc.h"

namespace NCompression {
namespace NLzma {

  // 初始化 LZMA 压缩器
  HRESULT LzmaEncoder::SetDictionarySize(UInt32 dictionarySize)
  {
    _dictionarySize = dictionarySize;
    // 配置字典大小
    return S_OK;
  }

  // 压缩数据流
  HRESULT LzmaEncoder::Compress(const Byte *inData, size_t inSize, Byte *outData, size_t *outSize)
  {
    // 压缩算法核心
    HRESULT result = LzmaEncode(inData, inSize, outData, outSize, _dictionarySize);
    return result;
  }
  
  // 进一步优化的 LZMA2 压缩
  HRESULT Lzma2Encoder::Compress(const Byte *inData, size_t inSize, Byte *outData, size_t *outSize)
  {
    // LZMA2 更加并行化的压缩过程
    return LzmaEncode(inData, inSize, outData, outSize, _dictionarySize);
  }
}

}

这段代码展示了 LZMA 压缩器的核心工作原理，其中包括字典大小设置和数据压缩的核心方法。LzmaEncode是执行压缩操作的函数，它通过指定的字典大小进行数据压缩。

(3) 文件格式处理

在 7zFormat 文件夹中，涉及到如何处理 7z 文件的读取、解析和写入操作。对于 7z 文件的每一个部分（如文件头、属性、压缩数据等），都对应着一个特定的处理函数。以下是一个简化的文件头解析代码示例：

// 读取 7z 文件头
HRESULT ReadHeader(const Byte *data, size_t size)
{
  // 解析文件头，获取签名和归档属性
  if (memcmp(data, "7z\xBC\xAF\x27\x1C", 6) != 0) {
    return E_INVALID_DATA;  // 验证签名
  }
  
  // 读取归档属性部分
  ArchiveProperties props;
  ReadProperties(data + 6, size - 6, &props);
  
  // 继续解析文件条目和压缩数据
  return S_OK;
}

这个代码片段展示了如何检查 7z 文件的签名，并开始解析文件头后续的归档属性。

5. 7z 文件格式的优缺点

优点：

  • 高压缩比：使用 LZMA 和 LZMA2 等高效算法，7z 格式能提供比传统 zip 格式更高的压缩率。
  • 多种压缩算法支持：7z 格式支持多种压缩算法，适应不同的需求。
  • 强大的功能：支持文件加密、分卷、固实压缩等。

缺点：

  • 解压速度较慢：由于高压缩比的实现，解压速度可能相对较慢，尤其是在大文件的情况下。
  • 兼容性问题：7z 格式相对于 zip 格式来说，支持的工具和软件较少，可能会存在兼容性问题。

总结

7z 格式是一种高压缩比的文件格式，它通过多种压缩算法（如 LZMA、LZMA2）实现高效的压缩和解压。7z 文件的结构相对复杂，包含头部、文件条目、压缩数据等部分，每个部分有不同的格式和解码方式。通过分析 7-Zip 的源码，我们可以深入理解其工作原理，包括如何进行数据压缩、解压和文件格式的解析。

希望通过这个简要的分析，能帮助你更好地理解 7z 文件格式及其源码。如果你有更多问题或需要

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