]> icculus.org git repositories - icculus/xz.git/blob - doc/xz-file-format.txt
Build: Remove the static/dynamic tricks.
[icculus/xz.git] / doc / xz-file-format.txt
1
2 The .xz File Format
3 ===================
4
5 Version 1.0.4 (2009-08-27)
6
7
8         0. Preface
9            0.1. Notices and Acknowledgements
10            0.2. Getting the Latest Version
11            0.3. Version History
12         1. Conventions
13            1.1. Byte and Its Representation
14            1.2. Multibyte Integers
15         2. Overall Structure of .xz File
16            2.1. Stream
17                 2.1.1. Stream Header
18                        2.1.1.1. Header Magic Bytes
19                        2.1.1.2. Stream Flags
20                        2.1.1.3. CRC32
21                 2.1.2. Stream Footer
22                        2.1.2.1. CRC32
23                        2.1.2.2. Backward Size
24                        2.1.2.3. Stream Flags
25                        2.1.2.4. Footer Magic Bytes
26            2.2. Stream Padding
27         3. Block
28            3.1. Block Header
29                 3.1.1. Block Header Size
30                 3.1.2. Block Flags
31                 3.1.3. Compressed Size
32                 3.1.4. Uncompressed Size
33                 3.1.5. List of Filter Flags
34                 3.1.6. Header Padding
35                 3.1.7. CRC32
36            3.2. Compressed Data
37            3.3. Block Padding
38            3.4. Check
39         4. Index
40            4.1. Index Indicator
41            4.2. Number of Records
42            4.3. List of Records
43                 4.3.1. Unpadded Size
44                 4.3.2. Uncompressed Size
45            4.4. Index Padding
46            4.5. CRC32
47         5. Filter Chains
48            5.1. Alignment
49            5.2. Security
50            5.3. Filters
51                 5.3.1. LZMA2
52                 5.3.2. Branch/Call/Jump Filters for Executables
53                 5.3.3. Delta
54                        5.3.3.1. Format of the Encoded Output
55            5.4. Custom Filter IDs
56                 5.4.1. Reserved Custom Filter ID Ranges
57         6. Cyclic Redundancy Checks
58         7. References
59
60
61 0. Preface
62
63         This document describes the .xz file format (filename suffix
64         ".xz", MIME type "application/x-xz"). It is intended that this
65         this format replace the old .lzma format used by LZMA SDK and
66         LZMA Utils.
67
68
69 0.1. Notices and Acknowledgements
70
71         This file format was designed by Lasse Collin
72         <lasse.collin@tukaani.org> and Igor Pavlov.
73
74         Special thanks for helping with this document goes to
75         Ville Koskinen. Thanks for helping with this document goes to
76         Mark Adler, H. Peter Anvin, Mikko Pouru, and Lars Wirzenius.
77
78         This document has been put into the public domain.
79
80
81 0.2. Getting the Latest Version
82
83         The latest official version of this document can be downloaded
84         from <http://tukaani.org/xz/xz-file-format.txt>.
85
86         Specific versions of this document have a filename
87         xz-file-format-X.Y.Z.txt where X.Y.Z is the version number.
88         For example, the version 1.0.0 of this document is available
89         at <http://tukaani.org/xz/xz-file-format-1.0.0.txt>.
90
91
92 0.3. Version History
93
94         Version   Date          Description
95
96         1.0.4     2009-08-27    Language improvements in Sections 1.2,
97                                 2.1.1.2, 3.1.1, 3.1.2, and 5.3.1
98
99         1.0.3     2009-06-05    Spelling fixes in Sections 5.1 and 5.4
100
101         1.0.2     2009-06-04    Typo fixes in Sections 4 and 5.3.1
102
103         1.0.1     2009-06-01    Typo fix in Section 0.3 and minor
104                                 clarifications to Sections 2, 2.2,
105                                 3.3, 4.4, and 5.3.2
106
107         1.0.0     2009-01-14    The first official version
108
109
110 1. Conventions
111
112         The key words "MUST", "MUST NOT", "REQUIRED", "SHOULD",
113         "SHOULD NOT", "RECOMMENDED", "MAY", and "OPTIONAL" in this
114         document are to be interpreted as described in [RFC-2119].
115
116         Indicating a warning means displaying a message, returning
117         appropriate exit status, or doing something else to let the
118         user know that something worth warning occurred. The operation
119         SHOULD still finish if a warning is indicated.
120
121         Indicating an error means displaying a message, returning
122         appropriate exit status, or doing something else to let the
123         user know that something prevented successfully finishing the
124         operation. The operation MUST be aborted once an error has
125         been indicated.
126
127
128 1.1. Byte and Its Representation
129
130         In this document, byte is always 8 bits.
131
132         A "null byte" has all bits unset. That is, the value of a null
133         byte is 0x00.
134
135         To represent byte blocks, this document uses notation that
136         is similar to the notation used in [RFC-1952]:
137
138             +-------+
139             |  Foo  |   One byte.
140             +-------+
141
142             +---+---+
143             |  Foo  |   Two bytes; that is, some of the vertical bars
144             +---+---+   can be missing.
145
146             +=======+
147             |  Foo  |   Zero or more bytes.
148             +=======+
149
150         In this document, a boxed byte or a byte sequence declared
151         using this notation is called "a field". The example field
152         above would be called "the Foo field" or plain "Foo".
153
154         If there are many fields, they may be split to multiple lines.
155         This is indicated with an arrow ("--->"):
156
157             +=====+
158             | Foo |
159             +=====+
160
161                  +=====+
162             ---> | Bar |
163                  +=====+
164
165         The above is equivalent to this:
166
167             +=====+=====+
168             | Foo | Bar |
169             +=====+=====+
170
171
172 1.2. Multibyte Integers
173
174         Multibyte integers of static length, such as CRC values,
175         are stored in little endian byte order (least significant
176         byte first).
177
178         When smaller values are more likely than bigger values (for
179         example file sizes), multibyte integers are encoded in a
180         variable-length representation:
181           - Numbers in the range [0, 127] are copied as is, and take
182             one byte of space.
183           - Bigger numbers will occupy two or more bytes. All but the
184             last byte of the multibyte representation have the highest
185             (eighth) bit set.
186
187         For now, the value of the variable-length integers is limited
188         to 63 bits, which limits the encoded size of the integer to
189         nine bytes. These limits may be increased in the future if
190         needed.
191
192         The following C code illustrates encoding and decoding of
193         variable-length integers. The functions return the number of
194         bytes occupied by the integer (1-9), or zero on error.
195
196             #include <stddef.h>
197             #include <inttypes.h>
198
199             size_t
200             encode(uint8_t buf[static 9], uint64_t num)
201             {
202                 if (num > UINT64_MAX / 2)
203                     return 0;
204
205                 size_t i = 0;
206
207                 while (num >= 0x80) {
208                     buf[i++] = (uint8_t)(num) | 0x80;
209                     num >>= 7;
210                 }
211
212                 buf[i++] = (uint8_t)(num);
213
214                 return i;
215             }
216
217             size_t
218             decode(const uint8_t buf[], size_t size_max, uint64_t *num)
219             {
220                 if (size_max == 0)
221                     return 0;
222
223                 if (size_max > 9)
224                     size_max = 9;
225
226                 *num = buf[0] & 0x7F;
227                 size_t i = 0;
228
229                 while (buf[i++] & 0x80) {
230                     if (i >= size_max || buf[i] == 0x00)
231                         return 0;
232
233                     *num |= (uint64_t)(buf[i] & 0x7F) << (i * 7);
234                 }
235
236                 return i;
237             }
238
239
240 2. Overall Structure of .xz File
241
242         A standalone .xz files consist of one or more Streams which may
243         have Stream Padding between or after them:
244
245             +========+================+========+================+
246             | Stream | Stream Padding | Stream | Stream Padding | ...
247             +========+================+========+================+
248
249         The sizes of Stream and Stream Padding are always multiples
250         of four bytes, thus the size of every valid .xz file MUST be
251         a multiple of four bytes.
252
253         While a typical file contains only one Stream and no Stream
254         Padding, a decoder handling standalone .xz files SHOULD support
255         files that have more than one Stream or Stream Padding.
256
257         In contrast to standalone .xz files, when the .xz file format
258         is used as an internal part of some other file format or
259         communication protocol, it usually is expected that the decoder
260         stops after the first Stream, and doesn't look for Stream
261         Padding or possibly other Streams.
262
263
264 2.1. Stream
265
266         +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+=======+=======+     +=======+
267         |     Stream Header     | Block | Block | ... | Block |
268         +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+=======+=======+     +=======+
269
270              +=======+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
271         ---> | Index |     Stream Footer     |
272              +=======+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
273
274         All the above fields have a size that is a multiple of four. If
275         Stream is used as an internal part of another file format, it
276         is RECOMMENDED to make the Stream start at an offset that is
277         a multiple of four bytes.
278
279         Stream Header, Index, and Stream Footer are always present in
280         a Stream. The maximum size of the Index field is 16 GiB (2^34).
281
282         There are zero or more Blocks. The maximum number of Blocks is
283         limited only by the maximum size of the Index field.
284
285         Total size of a Stream MUST be less than 8 EiB (2^63 bytes).
286         The same limit applies to the total amount of uncompressed
287         data stored in a Stream.
288
289         If an implementation supports handling .xz files with multiple
290         concatenated Streams, it MAY apply the above limits to the file
291         as a whole instead of limiting per Stream basis.
292
293
294 2.1.1. Stream Header
295
296         +---+---+---+---+---+---+-------+------+--+--+--+--+
297         |  Header Magic Bytes   | Stream Flags |   CRC32   |
298         +---+---+---+---+---+---+-------+------+--+--+--+--+
299
300
301 2.1.1.1. Header Magic Bytes
302
303         The first six (6) bytes of the Stream are so called Header
304         Magic Bytes. They can be used to identify the file type.
305
306             Using a C array and ASCII:
307             const uint8_t HEADER_MAGIC[6]
308                     = { 0xFD, '7', 'z', 'X', 'Z', 0x00 };
309
310             In plain hexadecimal:
311             FD 37 7A 58 5A 00
312
313         Notes:
314           - The first byte (0xFD) was chosen so that the files cannot
315             be erroneously detected as being in .lzma format, in which
316             the first byte is in the range [0x00, 0xE0].
317           - The sixth byte (0x00) was chosen to prevent applications
318             from misdetecting the file as a text file.
319
320         If the Header Magic Bytes don't match, the decoder MUST
321         indicate an error.
322
323
324 2.1.1.2. Stream Flags
325
326         The first byte of Stream Flags is always a null byte. In the
327         future, this byte may be used to indicate a new Stream version
328         or other Stream properties.
329
330         The second byte of Stream Flags is a bit field:
331
332             Bit(s)  Mask  Description
333              0-3    0x0F  Type of Check (see Section 3.4):
334                               ID    Size      Check name
335                               0x00   0 bytes  None
336                               0x01   4 bytes  CRC32
337                               0x02   4 bytes  (Reserved)
338                               0x03   4 bytes  (Reserved)
339                               0x04   8 bytes  CRC64
340                               0x05   8 bytes  (Reserved)
341                               0x06   8 bytes  (Reserved)
342                               0x07  16 bytes  (Reserved)
343                               0x08  16 bytes  (Reserved)
344                               0x09  16 bytes  (Reserved)
345                               0x0A  32 bytes  SHA-256
346                               0x0B  32 bytes  (Reserved)
347                               0x0C  32 bytes  (Reserved)
348                               0x0D  64 bytes  (Reserved)
349                               0x0E  64 bytes  (Reserved)
350                               0x0F  64 bytes  (Reserved)
351              4-7    0xF0  Reserved for future use; MUST be zero for now.
352
353         Implementations SHOULD support at least the Check IDs 0x00
354         (None) and 0x01 (CRC32). Supporting other Check IDs is
355         OPTIONAL. If an unsupported Check is used, the decoder SHOULD
356         indicate a warning or error.
357
358         If any reserved bit is set, the decoder MUST indicate an error.
359         It is possible that there is a new field present which the
360         decoder is not aware of, and can thus parse the Stream Header
361         incorrectly.
362
363
364 2.1.1.3. CRC32
365
366         The CRC32 is calculated from the Stream Flags field. It is
367         stored as an unsigned 32-bit little endian integer. If the
368         calculated value does not match the stored one, the decoder
369         MUST indicate an error.
370
371         The idea is that Stream Flags would always be two bytes, even
372         if new features are needed. This way old decoders will be able
373         to verify the CRC32 calculated from Stream Flags, and thus
374         distinguish between corrupt files (CRC32 doesn't match) and
375         files that the decoder doesn't support (CRC32 matches but
376         Stream Flags has reserved bits set).
377
378
379 2.1.2. Stream Footer
380
381         +-+-+-+-+---+---+---+---+-------+------+----------+---------+
382         | CRC32 | Backward Size | Stream Flags | Footer Magic Bytes |
383         +-+-+-+-+---+---+---+---+-------+------+----------+---------+
384
385
386 2.1.2.1. CRC32
387
388         The CRC32 is calculated from the Backward Size and Stream Flags
389         fields. It is stored as an unsigned 32-bit little endian
390         integer. If the calculated value does not match the stored one,
391         the decoder MUST indicate an error.
392
393         The reason to have the CRC32 field before the Backward Size and
394         Stream Flags fields is to keep the four-byte fields aligned to
395         a multiple of four bytes.
396
397
398 2.1.2.2. Backward Size
399
400         Backward Size is stored as a 32-bit little endian integer,
401         which indicates the size of the Index field as multiple of
402         four bytes, minimum value being four bytes:
403
404             real_backward_size = (stored_backward_size + 1) * 4;
405
406         If the stored value does not match the real size of the Index
407         field, the decoder MUST indicate an error.
408
409         Using a fixed-size integer to store Backward Size makes
410         it slightly simpler to parse the Stream Footer when the
411         application needs to parse the Stream backwards.
412
413
414 2.1.2.3. Stream Flags
415
416         This is a copy of the Stream Flags field from the Stream
417         Header. The information stored to Stream Flags is needed
418         when parsing the Stream backwards. The decoder MUST compare
419         the Stream Flags fields in both Stream Header and Stream
420         Footer, and indicate an error if they are not identical.
421
422
423 2.1.2.4. Footer Magic Bytes
424
425         As the last step of the decoding process, the decoder MUST
426         verify the existence of Footer Magic Bytes. If they don't
427         match, an error MUST be indicated.
428
429             Using a C array and ASCII:
430             const uint8_t FOOTER_MAGIC[2] = { 'Y', 'Z' };
431
432             In hexadecimal:
433             59 5A
434
435         The primary reason to have Footer Magic Bytes is to make
436         it easier to detect incomplete files quickly, without
437         uncompressing. If the file does not end with Footer Magic Bytes
438         (excluding Stream Padding described in Section 2.2), it cannot
439         be undamaged, unless someone has intentionally appended garbage
440         after the end of the Stream.
441
442
443 2.2. Stream Padding
444
445         Only the decoders that support decoding of concatenated Streams
446         MUST support Stream Padding.
447
448         Stream Padding MUST contain only null bytes. To preserve the
449         four-byte alignment of consecutive Streams, the size of Stream
450         Padding MUST be a multiple of four bytes. Empty Stream Padding
451         is allowed. If these requirements are not met, the decoder MUST
452         indicate an error.
453
454         Note that non-empty Stream Padding is allowed at the end of the
455         file; there doesn't need to be a new Stream after non-empty
456         Stream Padding. This can be convenient in certain situations
457         [GNU-tar].
458
459         The possibility of Stream Padding MUST be taken into account
460         when designing an application that parses Streams backwards,
461         and the application supports concatenated Streams.
462
463
464 3. Block
465
466         +==============+=================+===============+=======+
467         | Block Header | Compressed Data | Block Padding | Check |
468         +==============+=================+===============+=======+
469
470
471 3.1. Block Header
472
473         +-------------------+-------------+=================+
474         | Block Header Size | Block Flags | Compressed Size |
475         +-------------------+-------------+=================+
476
477              +===================+======================+
478         ---> | Uncompressed Size | List of Filter Flags |
479              +===================+======================+
480
481              +================+--+--+--+--+
482         ---> | Header Padding |   CRC32   |
483              +================+--+--+--+--+
484
485
486 3.1.1. Block Header Size
487
488         This field overlaps with the Index Indicator field (see
489         Section 4.1).
490
491         This field contains the size of the Block Header field,
492         including the Block Header Size field itself. Valid values are
493         in the range [0x01, 0xFF], which indicate the size of the Block
494         Header as multiples of four bytes, minimum size being eight
495         bytes:
496
497             real_header_size = (encoded_header_size + 1) * 4;
498
499         If a Block Header bigger than 1024 bytes is needed in the
500         future, a new field can be added between the Block Header and
501         Compressed Data fields. The presence of this new field would
502         be indicated in the Block Header field.
503
504
505 3.1.2. Block Flags
506
507         The Block Flags field is a bit field:
508
509             Bit(s)  Mask  Description
510              0-1    0x03  Number of filters (1-4)
511              2-5    0x3C  Reserved for future use; MUST be zero for now.
512               6     0x40  The Compressed Size field is present.
513               7     0x80  The Uncompressed Size field is present.
514
515         If any reserved bit is set, the decoder MUST indicate an error.
516         It is possible that there is a new field present which the
517         decoder is not aware of, and can thus parse the Block Header
518         incorrectly.
519
520
521 3.1.3. Compressed Size
522
523         This field is present only if the appropriate bit is set in
524         the Block Flags field (see Section 3.1.2).
525
526         The Compressed Size field contains the size of the Compressed
527         Data field, which MUST be non-zero. Compressed Size is stored
528         using the encoding described in Section 1.2. If the Compressed
529         Size doesn't match the size of the Compressed Data field, the
530         decoder MUST indicate an error.
531
532
533 3.1.4. Uncompressed Size
534
535         This field is present only if the appropriate bit is set in
536         the Block Flags field (see Section 3.1.2).
537
538         The Uncompressed Size field contains the size of the Block
539         after uncompressing. Uncompressed Size is stored using the
540         encoding described in Section 1.2. If the Uncompressed Size
541         does not match the real uncompressed size, the decoder MUST
542         indicate an error.
543
544         Storing the Compressed Size and Uncompressed Size fields serves
545         several purposes:
546           - The decoder knows how much memory it needs to allocate
547             for a temporary buffer in multithreaded mode.
548           - Simple error detection: wrong size indicates a broken file.
549           - Seeking forwards to a specific location in streamed mode.
550
551         It should be noted that the only reliable way to determine
552         the real uncompressed size is to uncompress the Block,
553         because the Block Header and Index fields may contain
554         (intentionally or unintentionally) invalid information.
555
556
557 3.1.5. List of Filter Flags
558
559         +================+================+     +================+
560         | Filter 0 Flags | Filter 1 Flags | ... | Filter n Flags |
561         +================+================+     +================+
562
563         The number of Filter Flags fields is stored in the Block Flags
564         field (see Section 3.1.2).
565
566         The format of each Filter Flags field is as follows:
567
568             +===========+====================+===================+
569             | Filter ID | Size of Properties | Filter Properties |
570             +===========+====================+===================+
571
572         Both Filter ID and Size of Properties are stored using the
573         encoding described in Section 1.2. Size of Properties indicates
574         the size of the Filter Properties field as bytes. The list of
575         officially defined Filter IDs and the formats of their Filter
576         Properties are described in Section 5.3.
577
578         Filter IDs greater than or equal to 0x4000_0000_0000_0000
579         (2^62) are reserved for implementation-specific internal use.
580         These Filter IDs MUST never be used in List of Filter Flags.
581
582
583 3.1.6. Header Padding
584
585         This field contains as many null byte as it is needed to make
586         the Block Header have the size specified in Block Header Size.
587         If any of the bytes are not null bytes, the decoder MUST
588         indicate an error. It is possible that there is a new field
589         present which the decoder is not aware of, and can thus parse
590         the Block Header incorrectly.
591
592
593 3.1.7. CRC32
594
595         The CRC32 is calculated over everything in the Block Header
596         field except the CRC32 field itself. It is stored as an
597         unsigned 32-bit little endian integer. If the calculated
598         value does not match the stored one, the decoder MUST indicate
599         an error.
600
601         By verifying the CRC32 of the Block Header before parsing the
602         actual contents allows the decoder to distinguish between
603         corrupt and unsupported files.
604
605
606 3.2. Compressed Data
607
608         The format of Compressed Data depends on Block Flags and List
609         of Filter Flags. Excluding the descriptions of the simplest
610         filters in Section 5.3, the format of the filter-specific
611         encoded data is out of scope of this document.
612
613
614 3.3. Block Padding
615
616         Block Padding MUST contain 0-3 null bytes to make the size of
617         the Block a multiple of four bytes. This can be needed when
618         the size of Compressed Data is not a multiple of four. If any
619         of the bytes in Block Padding are not null bytes, the decoder
620         MUST indicate an error.
621
622
623 3.4. Check
624
625         The type and size of the Check field depends on which bits
626         are set in the Stream Flags field (see Section 2.1.1.2).
627
628         The Check, when used, is calculated from the original
629         uncompressed data. If the calculated Check does not match the
630         stored one, the decoder MUST indicate an error. If the selected
631         type of Check is not supported by the decoder, it SHOULD
632         indicate a warning or error.
633
634
635 4. Index
636
637         +-----------------+===================+
638         | Index Indicator | Number of Records |
639         +-----------------+===================+
640
641              +=================+===============+-+-+-+-+
642         ---> | List of Records | Index Padding | CRC32 |
643              +=================+===============+-+-+-+-+
644
645         Index serves several purposes. Using it, one can
646           - verify that all Blocks in a Stream have been processed;
647           - find out the uncompressed size of a Stream; and
648           - quickly access the beginning of any Block (random access).
649
650
651 4.1. Index Indicator
652
653         This field overlaps with the Block Header Size field (see
654         Section 3.1.1). The value of Index Indicator is always 0x00.
655
656
657 4.2. Number of Records
658
659         This field indicates how many Records there are in the List
660         of Records field, and thus how many Blocks there are in the
661         Stream. The value is stored using the encoding described in
662         Section 1.2. If the decoder has decoded all the Blocks of the
663         Stream, and then notices that the Number of Records doesn't
664         match the real number of Blocks, the decoder MUST indicate an
665         error.
666
667
668 4.3. List of Records
669
670         List of Records consists of as many Records as indicated by the
671         Number of Records field:
672
673             +========+========+
674             | Record | Record | ...
675             +========+========+
676
677         Each Record contains information about one Block:
678
679             +===============+===================+
680             | Unpadded Size | Uncompressed Size |
681             +===============+===================+
682
683         If the decoder has decoded all the Blocks of the Stream, it
684         MUST verify that the contents of the Records match the real
685         Unpadded Size and Uncompressed Size of the respective Blocks.
686
687         Implementation hint: It is possible to verify the Index with
688         constant memory usage by calculating for example SHA-256 of
689         both the real size values and the List of Records, then
690         comparing the hash values. Implementing this using
691         non-cryptographic hash like CRC32 SHOULD be avoided unless
692         small code size is important.
693
694         If the decoder supports random-access reading, it MUST verify
695         that Unpadded Size and Uncompressed Size of every completely
696         decoded Block match the sizes stored in the Index. If only
697         partial Block is decoded, the decoder MUST verify that the
698         processed sizes don't exceed the sizes stored in the Index.
699
700
701 4.3.1. Unpadded Size
702
703         This field indicates the size of the Block excluding the Block
704         Padding field. That is, Unpadded Size is the size of the Block
705         Header, Compressed Data, and Check fields. Unpadded Size is
706         stored using the encoding described in Section 1.2. The value
707         MUST never be zero; with the current structure of Blocks, the
708         actual minimum value for Unpadded Size is five.
709
710         Implementation note: Because the size of the Block Padding
711         field is not included in Unpadded Size, calculating the total
712         size of a Stream or doing random-access reading requires
713         calculating the actual size of the Blocks by rounding Unpadded
714         Sizes up to the next multiple of four.
715
716         The reason to exclude Block Padding from Unpadded Size is to
717         ease making a raw copy of Compressed Data without Block
718         Padding. This can be useful, for example, if someone wants
719         to convert Streams to some other file format quickly.
720
721
722 4.3.2. Uncompressed Size
723
724         This field indicates the Uncompressed Size of the respective
725         Block as bytes. The value is stored using the encoding
726         described in Section 1.2.
727
728
729 4.4. Index Padding
730
731         This field MUST contain 0-3 null bytes to pad the Index to
732         a multiple of four bytes. If any of the bytes are not null
733         bytes, the decoder MUST indicate an error.
734
735
736 4.5. CRC32
737
738         The CRC32 is calculated over everything in the Index field
739         except the CRC32 field itself. The CRC32 is stored as an
740         unsigned 32-bit little endian integer. If the calculated
741         value does not match the stored one, the decoder MUST indicate
742         an error.
743
744
745 5. Filter Chains
746
747         The Block Flags field defines how many filters are used. When
748         more than one filter is used, the filters are chained; that is,
749         the output of one filter is the input of another filter. The
750         following figure illustrates the direction of data flow.
751
752                     v   Uncompressed Data   ^
753                     |       Filter 0        |
754             Encoder |       Filter 1        | Decoder
755                     |       Filter n        |
756                     v    Compressed Data    ^
757
758
759 5.1. Alignment
760
761         Alignment of uncompressed input data is usually the job of
762         the application producing the data. For example, to get the
763         best results, an archiver tool should make sure that all
764         PowerPC executable files in the archive stream start at
765         offsets that are multiples of four bytes.
766
767         Some filters, for example LZMA2, can be configured to take
768         advantage of specified alignment of input data. Note that
769         taking advantage of aligned input can be beneficial also when
770         a filter is not the first filter in the chain. For example,
771         if you compress PowerPC executables, you may want to use the
772         PowerPC filter and chain that with the LZMA2 filter. Because
773         not only the input but also the output alignment of the PowerPC
774         filter is four bytes, it is now beneficial to set LZMA2
775         settings so that the LZMA2 encoder can take advantage of its
776         four-byte-aligned input data.
777
778         The output of the last filter in the chain is stored to the
779         Compressed Data field, which is is guaranteed to be aligned
780         to a multiple of four bytes relative to the beginning of the
781         Stream. This can increase
782           - speed, if the filtered data is handled multiple bytes at
783             a time by the filter-specific encoder and decoder,
784             because accessing aligned data in computer memory is
785             usually faster; and
786           - compression ratio, if the output data is later compressed
787             with an external compression tool.
788
789
790 5.2. Security
791
792         If filters would be allowed to be chained freely, it would be
793         possible to create malicious files, that would be very slow to
794         decode. Such files could be used to create denial of service
795         attacks.
796
797         Slow files could occur when multiple filters are chained:
798
799             v   Compressed input data
800             |   Filter 1 decoder (last filter)
801             |   Filter 0 decoder (non-last filter)
802             v   Uncompressed output data
803
804         The decoder of the last filter in the chain produces a lot of
805         output from little input. Another filter in the chain takes the
806         output of the last filter, and produces very little output
807         while consuming a lot of input. As a result, a lot of data is
808         moved inside the filter chain, but the filter chain as a whole
809         gets very little work done.
810
811         To prevent this kind of slow files, there are restrictions on
812         how the filters can be chained. These restrictions MUST be
813         taken into account when designing new filters.
814
815         The maximum number of filters in the chain has been limited to
816         four, thus there can be at maximum of three non-last filters.
817         Of these three non-last filters, only two are allowed to change
818         the size of the data.
819
820         The non-last filters, that change the size of the data, MUST
821         have a limit how much the decoder can compress the data: the
822         decoder SHOULD produce at least n bytes of output when the
823         filter is given 2n bytes of input. This  limit is not
824         absolute, but significant deviations MUST be avoided.
825
826         The above limitations guarantee that if the last filter in the
827         chain produces 4n bytes of output, the chain as a whole will
828         produce at least n bytes of output.
829
830
831 5.3. Filters
832
833 5.3.1. LZMA2
834
835         LZMA (Lempel-Ziv-Markov chain-Algorithm) is a general-purpose
836         compression algorithm with high compression ratio and fast
837         decompression. LZMA is based on LZ77 and range coding
838         algorithms.
839
840         LZMA2 is an extension on top of the original LZMA. LZMA2 uses
841         LZMA internally, but adds support for flushing the encoder,
842         uncompressed chunks, eases stateful decoder implementations,
843         and improves support for multithreading. Thus, the plain LZMA
844         will not be supported in this file format.
845
846             Filter ID:                  0x21
847             Size of Filter Properties:  1 byte
848             Changes size of data:       Yes
849             Allow as a non-last filter: No
850             Allow as the last filter:   Yes
851
852             Preferred alignment:
853                 Input data:             Adjustable to 1/2/4/8/16 byte(s)
854                 Output data:            1 byte
855
856         The format of the one-byte Filter Properties field is as
857         follows:
858
859             Bits   Mask   Description
860             0-5    0x3F   Dictionary Size
861             6-7    0xC0   Reserved for future use; MUST be zero for now.
862
863         Dictionary Size is encoded with one-bit mantissa and five-bit
864         exponent. The smallest dictionary size is 4 KiB and the biggest
865         is 4 GiB.
866
867             Raw value   Mantissa   Exponent   Dictionary size
868                 0           2         11         4 KiB
869                 1           3         11         6 KiB
870                 2           2         12         8 KiB
871                 3           3         12        12 KiB
872                 4           2         13        16 KiB
873                 5           3         13        24 KiB
874                 6           2         14        32 KiB
875               ...         ...        ...      ...
876                35           3         27       768 MiB
877                36           2         28      1024 MiB
878                37           3         29      1536 MiB
879                38           2         30      2048 MiB
880                39           3         30      3072 MiB
881                40           2         31      4096 MiB - 1 B
882
883         Instead of having a table in the decoder, the dictionary size
884         can be decoded using the following C code:
885
886             const uint8_t bits = get_dictionary_flags() & 0x3F;
887             if (bits > 40)
888                 return DICTIONARY_TOO_BIG; // Bigger than 4 GiB
889
890             uint32_t dictionary_size;
891             if (bits == 40) {
892                 dictionary_size = UINT32_MAX;
893             } else {
894                 dictionary_size = 2 | (bits & 1);
895                 dictionary_size <<= bits / 2 + 11;
896             }
897
898
899 5.3.2. Branch/Call/Jump Filters for Executables
900
901         These filters convert relative branch, call, and jump
902         instructions to their absolute counterparts in executable
903         files. This conversion increases redundancy and thus
904         compression ratio.
905
906             Size of Filter Properties:  0 or 4 bytes
907             Changes size of data:       No
908             Allow as a non-last filter: Yes
909             Allow as the last filter:   No
910
911         Below is the list of filters in this category. The alignment
912         is the same for both input and output data.
913
914             Filter ID   Alignment   Description
915               0x04       1 byte     x86 filter (BCJ)
916               0x05       4 bytes    PowerPC (big endian) filter
917               0x06      16 bytes    IA64 filter
918               0x07       4 bytes    ARM (little endian) filter
919               0x08       2 bytes    ARM Thumb (little endian) filter
920               0x09       4 bytes    SPARC filter
921
922         If the size of Filter Properties is four bytes, the Filter
923         Properties field contains the start offset used for address
924         conversions. It is stored as an unsigned 32-bit little endian
925         integer. The start offset MUST be a multiple of the alignment
926         of the filter as listed in the table above; if it isn't, the
927         decoder MUST indicate an error. If the size of Filter
928         Properties is zero, the start offset is zero.
929
930         Setting the start offset may be useful if an executable has
931         multiple sections, and there are many cross-section calls.
932         Taking advantage of this feature usually requires usage of
933         the Subblock filter, whose design is not complete yet.
934
935
936 5.3.3. Delta
937
938         The Delta filter may increase compression ratio when the value
939         of the next byte correlates with the value of an earlier byte
940         at specified distance.
941
942             Filter ID:                  0x03
943             Size of Filter Properties:  1 byte
944             Changes size of data:       No
945             Allow as a non-last filter: Yes
946             Allow as the last filter:   No
947
948             Preferred alignment:
949                 Input data:             1 byte
950                 Output data:            Same as the original input data
951
952         The Properties byte indicates the delta distance, which can be
953         1-256 bytes backwards from the current byte: 0x00 indicates
954         distance of 1 byte and 0xFF distance of 256 bytes.
955
956
957 5.3.3.1. Format of the Encoded Output
958
959         The code below illustrates both encoding and decoding with
960         the Delta filter.
961
962             // Distance is in the range [1, 256].
963             const unsigned int distance = get_properties_byte() + 1;
964             uint8_t pos = 0;
965             uint8_t delta[256];
966
967             memset(delta, 0, sizeof(delta));
968
969             while (1) {
970                 const int byte = read_byte();
971                 if (byte == EOF)
972                     break;
973
974                 uint8_t tmp = delta[(uint8_t)(distance + pos)];
975                 if (is_encoder) {
976                     tmp = (uint8_t)(byte) - tmp;
977                     delta[pos] = (uint8_t)(byte);
978                 } else {
979                     tmp = (uint8_t)(byte) + tmp;
980                     delta[pos] = tmp;
981                 }
982
983                 write_byte(tmp);
984                 --pos;
985             }
986
987
988 5.4. Custom Filter IDs
989
990         If a developer wants to use custom Filter IDs, he has two
991         choices. The first choice is to contact Lasse Collin and ask
992         him to allocate a range of IDs for the developer.
993
994         The second choice is to generate a 40-bit random integer,
995         which the developer can use as his personal Developer ID.
996         To minimize the risk of collisions, Developer ID has to be
997         a randomly generated integer, not manually selected "hex word".
998         The following command, which works on many free operating
999         systems, can be used to generate Developer ID:
1000
1001             dd if=/dev/urandom bs=5 count=1 | hexdump
1002
1003         The developer can then use his Developer ID to create unique
1004         (well, hopefully unique) Filter IDs.
1005
1006             Bits    Mask                    Description
1007              0-15   0x0000_0000_0000_FFFF   Filter ID
1008             16-55   0x00FF_FFFF_FFFF_0000   Developer ID
1009             56-62   0x3F00_0000_0000_0000   Static prefix: 0x3F
1010
1011         The resulting 63-bit integer will use 9 bytes of space when
1012         stored using the encoding described in Section 1.2. To get
1013         a shorter ID, see the beginning of this Section how to
1014         request a custom ID range.
1015
1016
1017 5.4.1. Reserved Custom Filter ID Ranges
1018
1019         Range                       Description
1020         0x0000_0300 - 0x0000_04FF   Reserved to ease .7z compatibility
1021         0x0002_0000 - 0x0007_FFFF   Reserved to ease .7z compatibility
1022         0x0200_0000 - 0x07FF_FFFF   Reserved to ease .7z compatibility
1023
1024
1025 6. Cyclic Redundancy Checks
1026
1027         There are several incompatible variations to calculate CRC32
1028         and CRC64. For simplicity and clarity, complete examples are
1029         provided to calculate the checks as they are used in this file
1030         format. Implementations MAY use different code as long as it
1031         gives identical results.
1032
1033         The program below reads data from standard input, calculates
1034         the CRC32 and CRC64 values, and prints the calculated values
1035         as big endian hexadecimal strings to standard output.
1036
1037             #include <stddef.h>
1038             #include <inttypes.h>
1039             #include <stdio.h>
1040
1041             uint32_t crc32_table[256];
1042             uint64_t crc64_table[256];
1043
1044             void
1045             init(void)
1046             {
1047                 static const uint32_t poly32 = UINT32_C(0xEDB88320);
1048                 static const uint64_t poly64
1049                         = UINT64_C(0xC96C5795D7870F42);
1050
1051                 for (size_t i = 0; i < 256; ++i) {
1052                     uint32_t crc32 = i;
1053                     uint64_t crc64 = i;
1054
1055                     for (size_t j = 0; j < 8; ++j) {
1056                         if (crc32 & 1)
1057                             crc32 = (crc32 >> 1) ^ poly32;
1058                         else
1059                             crc32 >>= 1;
1060
1061                         if (crc64 & 1)
1062                             crc64 = (crc64 >> 1) ^ poly64;
1063                         else
1064                             crc64 >>= 1;
1065                     }
1066
1067                     crc32_table[i] = crc32;
1068                     crc64_table[i] = crc64;
1069                 }
1070             }
1071
1072             uint32_t
1073             crc32(const uint8_t *buf, size_t size, uint32_t crc)
1074             {
1075                 crc = ~crc;
1076                 for (size_t i = 0; i < size; ++i)
1077                     crc = crc32_table[buf[i] ^ (crc & 0xFF)]
1078                             ^ (crc >> 8);
1079                 return ~crc;
1080             }
1081
1082             uint64_t
1083             crc64(const uint8_t *buf, size_t size, uint64_t crc)
1084             {
1085                 crc = ~crc;
1086                 for (size_t i = 0; i < size; ++i)
1087                     crc = crc64_table[buf[i] ^ (crc & 0xFF)]
1088                             ^ (crc >> 8);
1089                 return ~crc;
1090             }
1091
1092             int
1093             main()
1094             {
1095                 init();
1096
1097                 uint32_t value32 = 0;
1098                 uint64_t value64 = 0;
1099                 uint64_t total_size = 0;
1100                 uint8_t buf[8192];
1101
1102                 while (1) {
1103                     const size_t buf_size
1104                             = fread(buf, 1, sizeof(buf), stdin);
1105                     if (buf_size == 0)
1106                         break;
1107
1108                     total_size += buf_size;
1109                     value32 = crc32(buf, buf_size, value32);
1110                     value64 = crc64(buf, buf_size, value64);
1111                 }
1112
1113                 printf("Bytes:  %" PRIu64 "\n", total_size);
1114                 printf("CRC-32: 0x%08" PRIX32 "\n", value32);
1115                 printf("CRC-64: 0x%016" PRIX64 "\n", value64);
1116
1117                 return 0;
1118             }
1119
1120
1121 7. References
1122
1123         LZMA SDK - The original LZMA implementation
1124         http://7-zip.org/sdk.html
1125
1126         LZMA Utils - LZMA adapted to POSIX-like systems
1127         http://tukaani.org/lzma/
1128
1129         XZ Utils - The next generation of LZMA Utils
1130         http://tukaani.org/xz/
1131
1132         [RFC-1952]
1133         GZIP file format specification version 4.3
1134         http://www.ietf.org/rfc/rfc1952.txt
1135           - Notation of byte boxes in section "2.1. Overall conventions"
1136
1137         [RFC-2119]
1138         Key words for use in RFCs to Indicate Requirement Levels
1139         http://www.ietf.org/rfc/rfc2119.txt
1140
1141         [GNU-tar]
1142         GNU tar 1.21 manual
1143         http://www.gnu.org/software/tar/manual/html_node/Blocking-Factor.html
1144           - Node 9.4.2 "Blocking Factor", paragraph that begins
1145             "gzip will complain about trailing garbage"
1146           - Note that this URL points to the latest version of the
1147             manual, and may some day not contain the note which is in
1148             1.21. For the exact version of the manual, download GNU
1149             tar 1.21: ftp://ftp.gnu.org/pub/gnu/tar/tar-1.21.tar.gz
1150