LZW压缩算法详解（Java语言实现LZW无损数据压缩完整教程）

什么是LZW压缩算法？

LZW（Lempel-Ziv-Welch）是一种字典编码的无损数据压缩算法。它通过构建一个动态字典（也叫“字符串表”），将重复出现的字符串用较短的代码代替，从而减少数据体积。

例如，字符串 ABABABA 中，“AB”重复出现多次。LZW会先将“AB”加入字典，并分配一个新代码（如256），后续再遇到“AB”时就直接用256代替，节省空间。

LZW压缩的基本原理

LZW的核心思想是：

• 初始化字典：包含所有可能的单字符（如ASCII 0-255）。
• 读取输入流，不断尝试扩展当前字符串。
• 当发现当前字符串+下一个字符不在字典中时，输出当前字符串的代码，并将新组合加入字典。
• 重复直到处理完所有输入。

Java实现LZW压缩

下面我们用Java编写一个完整的LZW压缩器。我们将使用 HashMap 来实现字典，使用 ArrayList<Integer> 存储输出的压缩码。

import java.util.*;public class LZWCompressor {    public static List<Integer> compress(String input) {        // 初始化字典：0-255 对应 ASCII 字符        Map<String, Integer> dictionary = new HashMap<>();        for (int i = 0; i < 256; i++) {            dictionary.put(Character.toString((char) i), i);        }        String current = "";        List<Integer> result = new ArrayList<>();        int dictSize = 256; // 下一个可用的字典索引        for (char c : input.toCharArray()) {            String next = current + c;            if (dictionary.containsKey(next)) {                current = next;            } else {                // 输出 current 的代码                result.add(dictionary.get(current));                // 将新字符串加入字典                dictionary.put(next, dictSize++);                current = String.valueOf(c);            }        }        // 处理最后一个字符串        if (!current.isEmpty()) {            result.add(dictionary.get(current));        }        return result;    }    public static void main(String[] args) {        String text = "ABABABA";        List<Integer> compressed = compress(text);        System.out.println("原始文本: " + text);        System.out.println("压缩结果: " + compressed);    }}

运行上述代码，输出如下：

原始文本: ABABABA压缩结果: [65, 66, 256, 258]

可以看到，原本7个字符被压缩成了4个整数，实现了数据压缩！

Java实现LZW解压缩

解压缩过程是压缩的逆操作。我们从压缩码重建原始字符串，同时动态恢复字典。

public static String decompress(List<Integer> compressed) {    // 初始化字典：0-255 对应 ASCII 字符    List<String> dictionary = new ArrayList<>();    for (int i = 0; i < 256; i++) {        dictionary.add(Character.toString((char) i));    }    int dictSize = 256;    StringBuilder result = new StringBuilder();    // 第一个码字一定是单字符    String prev = dictionary.get(compressed.get(0));    result.append(prev);    for (int i = 1; i < compressed.size(); i++) {        int code = compressed.get(i);        String entry;        if (code < dictionary.size()) {            entry = dictionary.get(code);        } else if (code == dictSize) {            // 特殊情况：当前码字等于字典大小（KWK 情况）            entry = prev + prev.charAt(0);        } else {            throw new IllegalArgumentException("无效的压缩数据");        }        result.append(entry);        // 将 prev + entry 的首字符加入字典        dictionary.add(prev + entry.charAt(0));        dictSize++;        prev = entry;    }    return result.toString();}

将 decompress 方法添加到之前的类中，并在 main 方法中测试：

List<Integer> compressed = compress("ABABABA");String original = decompress(compressed);System.out.println("解压结果: " + original); // 输出 ABABABA

注意事项与优化建议

• 字典大小限制：实际应用中，字典不能无限增长。通常设置最大码字长度（如12位，最大4096项），超出后可清空字典重新开始。
• 输入类型：本例处理字符串，但LZW也可用于字节数组（适用于二进制文件）。
• 性能：对于大文件，建议使用流式处理而非一次性加载全部数据。

总结

通过本教程，你已经掌握了LZW压缩算法的核心思想，并用Java语言成功实现了压缩与解压缩功能。这项技术是理解更复杂压缩算法（如DEFLATE）的基础。

记住，LZW数据压缩属于无损压缩教程中的经典案例，非常适合学习字典编码思想。动手试试压缩自己的文本吧！

提示：完整代码可在GitHub上找到开源实现，结合本教程效果更佳。