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變數長度編碼的秘密：為什麼LEB128是數字壓縮的遊戲改變者？
在現代數據處理的世界中，數字的壓縮和編碼技巧對於提高效率至關重要。其中，LEB128（Little Endian Base 128）作為一種變數長度的數據編碼方式，已經在許多應用中廣泛使用。LEB128不僅能夠高效地存儲任意大的整數，還優化了數據的傳輸和儲存。本文將探討LEB128的編碼格式、應用案例及其對數字壓縮技術的影響。
LEB128的編碼格式
LEB128的編碼方式類似於變長數量（VLQ）格式，其主要的區別在於LEB128是小端編碼，而變長數量則是大端編碼。LEB128有兩種版本：無符號LEB128和有符號LEB128，解碼器需要知道編碼的值是無符號還是有符號。
「LEB128無論是用於無符號還是有符號的整數，都是通過將數字轉換為二進制形式來表示，然後對數字進行分組，最終以七位一組的形式輸出。」
無符號LEB128
在編碼無符號整數時，首先將該數表示為二進制。然後將數字零擴展到七位的倍數（以確保如果數字不為零，最上面的七位不是全為零）。接著，將數字分成七位的組。每個字節的最下位7位將包含這組數據，並在每個字節的最上位設置1，除了最後一個字節。
有符號LEB128
有符號整數的編碼與無符號整數相似。從N位的二進制補碼表示開始，將數字分組。那麼，如何將-123456編碼為LEB128呢？
「對於有符號整數，我們將其二進制表示進行反轉並加一，然後與無符號整數以相同的方式分組和編碼。」
快速解碼技術
LEB128的解碼雖然簡單，但在現代硬體上進行的純標量實現往往速度較慢，特別是在分支預測成本非常高的情況下。為了解決這個問題，一系列的研究提出了SIMD技術來加速解碼，這被稱為「VByte」技術。最新的「Masked VByte」方法展示了在商用Haswell硬體上的速度提升，達到650至2700百萬整數每秒。在此基礎上，另一篇論文介紹了「Stream VByte」壓縮技術，進一步增加了速度，能夠達到每秒超過4億個整數的解碼速度。
LEB128的應用案例
LEB128的應用範圍廣泛，例如在Android項目的Dalvik執行格式中，LEB128是文件格式的重要組成部分。此外，DWARF檔案格式和LLVM的覆蓋映射格式也使用LEB128進行數字編碼。其他例子包括Minecraft協議的數據包長度測量、OSU遊戲回放格式、W3C的高效XML交換格式等。
「LEB128的靈活性和高效性使其成為多個領域中數據壓縮和傳輸的首選方案，從而大大提升了效率。」
相關編碼技術
LEB128雖然在數據壓縮領域表現優異，但還有許多其他編碼技術值得注意。例如，Dlugosz的變長整數編碼使用了不同的大小分段來處理整數；而Protocol Buffers則在其無符號整數的編碼中也採用了類似的技術。
未來的展望
隨著數據量的顯著增長，數字壓縮和編碼技術將變得愈發重要。LEB128技術的演進不僅促進了數據存儲和傳輸效率的提升，還影響到許多其他編碼技術的發展。因此，我們不禁要思考，在未來的數據世界中，還會有哪些創新會出現，改變我們對數字的理解和使用方式呢？
