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提到PNG，大多數(shù)人都不會感到陌生。

這種位圖格式在圖像領(lǐng)域使用頻率僅次于JPEG。

然而在“解碼PNG”這件事上，23年來主流的工具是一個(gè)叫做libpng的標(biāo)準(zhǔn)庫。

但最近，一款號稱“世界上最快的PNG圖像解碼器”誕生了，速度是“老大哥”的1.22-2.75倍！

除了速度方面的優(yōu)勢之外，更重要的一點(diǎn)，極其安全。

超快的PNG圖像解碼器

與用C語言為底層的libpng不同，這款PNG圖像解碼器采用的是Wuffs。

Wuffs是一種內(nèi)存安全的編程語言(也是用這種語言編寫的標(biāo)準(zhǔn)庫)，用于安全處理不受信任的文件格式。

包括解析、解碼和編碼圖像，音頻，視頻，字體等。

Wuffs不是一種通用編程語言。它是用來編寫庫的，完整的程序需要將Wuffs與另一種編程語言結(jié)合使用。

尤其是需要同時(shí)考慮性能和安全性的時(shí)候。

ps. 機(jī)智的你發(fā)現(xiàn)了嗎，Wuffs其實(shí)就是Wrangling Untrusted File Formats Safely的縮寫。

不過它以前叫Puffs，至于為什么將Puffs(parsing)改為Wuffs(wrangling)，留給你們自己去想象～

那么，解碼速度快至2.75倍，怎么做到的？

Wuffs通過SIMD加速方案，8字節(jié)寬的輸入和復(fù)制，一次將整個(gè)圖像進(jìn)行位扭曲和zlib解壓縮到一個(gè)大的中間緩沖區(qū)來實(shí)現(xiàn)高性能。此法替代了此前的一次一行（小塊重復(fù)壓縮）的方式。

這“一包帶走”的操作需要更多的中間存儲，但能解碼的圖像數(shù)量也更多了。

具體咋回事兒呢？

我們知道，PNG圖像格式編/解碼基于以下三方面：

• CRC-32和Adler-32兩種校驗(yàn)和算法
• DEFLATE壓縮
• 二維過濾

Wuffs對這其中的每一步都進(jìn)行了優(yōu)化。

首先，對兩種校驗(yàn)和算法施以SIMD加速技術(shù)。

SIMD是一種采用一個(gè)控制器來控制多個(gè)處理器，同時(shí)對一組數(shù)據(jù)中的每一個(gè)分別執(zhí)行相同的操作從而實(shí)現(xiàn)空間上的并行性的技術(shù)。

其次，0.2版本W(wǎng)uffs具有與zlib庫一樣的DEFLATE實(shí)現(xiàn)，而0.3版Wuffs為現(xiàn)代CPU（具有64位未對齊加載和存儲）添加了兩個(gè)重要的優(yōu)化：8字節(jié)區(qū)塊輸入和8字節(jié)區(qū)塊輸出。

DEFLATE是同時(shí)使用了LZ77算法與哈夫曼編碼的一個(gè)無損數(shù)據(jù)壓縮算法。

對于Wuffs，8字節(jié)區(qū)塊輸入設(shè)計(jì)的每個(gè)內(nèi)部循環(huán)一次讀取64位可使DEFLATE微基準(zhǔn)加速多達(dá)1.3倍。

而8字節(jié)區(qū)塊輸出設(shè)計(jì)將副本長度舍入為8的倍數(shù)可以使DEFLATE微基準(zhǔn)提高多達(dá)1.48倍。

此外，DEFLATE涉及寫入目標(biāo)緩沖區(qū)和寫入緩沖區(qū)邊界的問題。

（經(jīng)典的“緩沖區(qū)溢出”安全漏洞，類似于從懸崖上奔跑，如何不落入鯊魚口中）。

此方面，Wuffs使用和libpng相似的藍(lán)/紅雙重實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

藍(lán)/紅雙重實(shí)現(xiàn)技術(shù)：一種快速的“藍(lán)色”解壓縮（在距緩沖區(qū)末端至少258個(gè)字節(jié)或更多字節(jié) 時(shí)）以及一種緩慢的“紅色”解壓縮（反之）技術(shù)。

以前面的從懸崖上奔跑做比喻，就是在離崖邊還遠(yuǎn)時(shí)盡可能得快跑，離崖邊很近時(shí)減速剎車。

但同樣的技術(shù)，為什么Wuffs更快？

因?yàn)樗芤淮螌缀跛袃?nèi)容（eg. 300×200 RGB圖像的像素的99％以上）解壓縮到一個(gè)大的中間緩沖區(qū)中，而不是一次只壓縮一行到一個(gè)小的、可重復(fù)使用的中間緩沖區(qū)中。

如圖所示，幾乎所有內(nèi)容現(xiàn)在都在“藍(lán)色”區(qū)域中解碼。

這本身就比“紅色”區(qū)域快。

而且在藍(lán)色代碼和紅色代碼之間交替時(shí)，Wuffs也避免了任何指令高速緩存或分支預(yù)測變慢的情況。

最后，雖然Wuffs和libpng都具有PNG二維過濾的SIMD實(shí)現(xiàn)。

但是因?yàn)閘ibpng將任何自分配的像素行緩沖區(qū)對齊到最適合SIMD的邊界時(shí)，對齊這步操作會影響SIMD指令的選擇和性能。

而Wuffs對緩沖區(qū)對齊的承諾較少，部分原因是Wuffs不具有分配內(nèi)存的能力，但主要還是因?yàn)橐淮稳拷鈮嚎s時(shí)，zlib壓縮要求放棄例如每行開頭4字節(jié)的對齊。

為什么說最安全？

與Go或Rust不同，Wuffs的內(nèi)存安全是在編譯時(shí)強(qiáng)制執(zhí)行的，而不是通過插入運(yùn)行時(shí)再檢查。

（ ps.運(yùn)行時(shí)安全檢查也可能會影響性能。）

此外，在處理不受信任的（第三方）PNG圖像時(shí)，沙盒和多進(jìn)程體系結(jié)構(gòu)可以提供額外的深度防御。

在上一節(jié)描述的三步優(yōu)化技術(shù)也可用來給現(xiàn)有的libpng、Go/Rust PNG庫等打補(bǔ)丁。

然后就有網(wǎng)友說這樣一來Wuffs還是不是最快的就難說了……但開發(fā)者表示至少在安全性方面，Wuffs No.1沒得說。

最后，Wuffs版本0.3.0-beta.1剛剛發(fā)布，但從目前的功能來看，它還不支持顏色空間或伽馬校正。