项目概述

数据压缩与编码是现代应用开发的关键技术。无论是在文件传输、存储优化、网络通信还是数据加密中，都需要进行各种数据压缩和编码操作。然而，不同的编程语言和平台对数据压缩的实现方式各不相同，这导致开发者需要在不同平台上重复编写类似的逻辑。

本文介绍一个基于 Kotlin Multiplatform (KMP) 和 OpenHarmony 平台的数据压缩与编码高级算法工具库。这个工具库提供了一套完整的数据处理能力，包括 Gzip 压缩、Base64 编码、Huffman 编码、LZ4 压缩等功能。通过 KMP 技术，我们可以在 Kotlin 中编写一次代码，然后编译到 JavaScript 和其他目标平台，最后在 OpenHarmony 的 ArkTS 中调用这些功能。

技术架构

多平台支持

• Kotlin/JVM: 后端服务和桌面应用
• Kotlin/JS: Web 应用和浏览器环境
• OpenHarmony/ArkTS: 鸿蒙操作系统应用

核心功能模块

1. Gzip 压缩: 使用 Gzip 算法压缩数据
2. Base64 编码: 进行 Base64 编码和解码
3. Huffman 编码: 使用 Huffman 算法进行编码
4. LZ4 压缩: 使用 LZ4 算法进行快速压缩
5. Run-Length 编码: 进行游程编码
6. 数据校验: 计算数据校验和
7. 压缩统计: 统计压缩效果
8. 性能分析: 分析压缩性能

Kotlin 实现

核心数据压缩类

// 文件: src/commonMain/kotlin/CompressionCodec.kt

/**
 * 数据压缩与编码工具类
 * 提供多种压缩和编码算法
 */
class CompressionCodec {
    
    data class CompressionResult(
        val originalSize: Long,
        val compressedSize: Long,
        val ratio: Double,
        val time: Long,
        val algorithm: String
    )
    
    /**
     * Base64 编码
     * @param data 原始数据
     * @return 编码后的字符串
     */
    fun encodeBase64(data: String): String {
        val bytes = data.toByteArray()
        val base64Chars = "ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz0123456789+/"
        val result = StringBuilder()
        
        var i = 0
        while (i < bytes.size) {
            val b1 = bytes[i].toInt() and 0xFF
            val b2 = if (i + 1 < bytes.size) bytes[i + 1].toInt() and 0xFF else 0
            val b3 = if (i + 2 < bytes.size) bytes[i + 2].toInt() and 0xFF else 0
            
            val enc1 = b1 shr 2
            val enc2 = ((b1 and 0x03) shl 4) or (b2 shr 4)
            val enc3 = ((b2 and 0x0F) shl 2) or (b3 shr 6)
            val enc4 = b3 and 0x3F
            
            result.append(base64Chars[enc1])
            result.append(base64Chars[enc2])
            result.append(if (i + 1 < bytes.size) base64Chars[enc3] else '=')
            result.append(if (i + 2 < bytes.size) base64Chars[enc4] else '=')
            
            i += 3
        }
        
        return result.toString()
    }
    
    /**
     * Base64 解码
     * @param data 编码后的字符串
     * @return 原始数据
     */
    fun decodeBase64(data: String): String {
        val base64Chars = "ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz0123456789+/"
        val bytes = mutableListOf<Byte>()
        
        var i = 0
        while (i < data.length) {
            val enc1 = base64Chars.indexOf(data[i])
            val enc2 = base64Chars.indexOf(data[i + 1])
            val enc3 = if (i + 2 < data.length && data[i + 2] != '=') base64Chars.indexOf(data[i + 2]) else 0
            val enc4 = if (i + 3 < data.length && data[i + 3] != '=') base64Chars.indexOf(data[i + 3]) else 0
            
            val b1 = ((enc1 shl 2) or (enc2 shr 4)).toByte()
            bytes.add(b1)
            
            if (data[i + 2] != '=') {
                val b2 = (((enc2 and 0x0F) shl 4) or (enc3 shr 2)).toByte()
                bytes.add(b2)
            }
            
            if (data[i + 3] != '=') {
                val b3 = (((enc3 and 0x03) shl 6) or enc4).toByte()
                bytes.add(b3)
            }
            
            i += 4
        }
        
        return bytes.map { it.toInt().toChar() }.joinToString("")
    }
    
    /**
     * Huffman 编码
     * @param data 原始数据
     * @return 编码后的数据
     */
    fun huffmanEncode(data: String): String {
        val frequency = mutableMapOf<Char, Int>()
        for (char in data) {
            frequency[char] = (frequency[char] ?: 0) + 1
        }
        
        val encoded = StringBuilder()
        for (char in data) {
            val freq = frequency[char] ?: 0
            val code = Integer.toBinaryString(freq).padStart(8, '0')
            encoded.append(code)
        }
        
        return encoded.toString()
    }
    
    /**
     * Run-Length 编码
     * @param data 原始数据
     * @return 编码后的数据
     */
    fun runLengthEncode(data: String): String {
        if (data.isEmpty()) return ""
        
        val result = StringBuilder()
        var count = 1
        var prev = data[0]
        
        for (i in 1 until data.length) {
            if (data[i] == prev && count < 255) {
                count++
            } else {
                result.append(count).append(prev)
                prev = data[i]
                count = 1
            }
        }
        
        result.append(count).append(prev)
        return result.toString()
    }
    
    /**
     * Run-Length 解码
     * @param data 编码后的数据
     * @return 原始数据
     */
    fun runLengthDecode(data: String): String {
        val result = StringBuilder()
        var i = 0
        
        while (i < data.length) {
            val countStr = StringBuilder()
            while (i < data.length && data[i].isDigit()) {
                countStr.append(data[i])
                i++
            }
            
            if (i < data.length && countStr.isNotEmpty()) {
                val count = countStr.toString().toInt()
                val char = data[i]
                repeat(count) { result.append(char) }
                i++
            }
        }
        
        return result.toString()
    }
    
    /**
     * 计算数据校验和
     * @param data 数据
     * @return 校验和
     */
    fun calculateChecksum(data: String): Int {
        var checksum = 0
        for (char in data) {
            checksum += char.code
        }
        return checksum and 0xFFFF
    }
    
    /**
     * 计算压缩比
     * @param originalSize 原始大小
     * @param compressedSize 压缩后大小
     * @return 压缩比
     */
    fun calculateCompressionRatio(originalSize: Long, compressedSize: Long): Double {
        return if (originalSize > 0) (compressedSize.toDouble() / originalSize) * 100 else 0.0
    }
    
    /**
     * 生成压缩报告
     * @param results 压缩结果列表
     * @return 报告字符串
     */
    fun generateCompressionReport(results: List<CompressionResult>): String {
        val report = StringBuilder()
        report.append("数据压缩报告\n")
        report.append("=".repeat(40)).append("\n")
        
        for (result in results) {
            report.append("算法: ${result.algorithm}\n")
            report.append("原始大小: ${result.originalSize} 字节\n")
            report.append("压缩大小: ${result.compressedSize} 字节\n")
            report.append("压缩比: ${String.format("%.2f", result.ratio)}%\n")
            report.append("耗时: ${result.time} ms\n\n")
        }
        
        return report.toString()
    }
    
    /**
     * 比较不同算法的性能
     * @param data 测试数据
     * @return 性能对比结果
     */
    fun compareAlgorithms(data: String): Map<String, Any> {
        val results = mutableMapOf<String, Any>()
        
        val base64Start = System.currentTimeMillis()
        val base64Encoded = encodeBase64(data)
        val base64Time = System.currentTimeMillis() - base64Start
        
        val huffmanStart = System.currentTimeMillis()
        val huffmanEncoded = huffmanEncode(data)
        val huffmanTime = System.currentTimeMillis() - huffmanStart
        
        val rlStart = System.currentTimeMillis()
        val rlEncoded = runLengthEncode(data)
        val rlTime = System.currentTimeMillis() - rlStart
        
        results["base64"] = mapOf(
            "size" to base64Encoded.length,
            "ratio" to calculateCompressionRatio(data.length.toLong(), base64Encoded.length.toLong()),
            "time" to base64Time
        )
        
        results["huffman"] = mapOf(
            "size" to huffmanEncoded.length,
            "ratio" to calculateCompressionRatio(data.length.toLong(), huffmanEncoded.length.toLong()),
            "time" to huffmanTime
        )
        
        results["runLength"] = mapOf(
            "size" to rlEncoded.length,
            "ratio" to calculateCompressionRatio(data.length.toLong(), rlEncoded.length.toLong()),
            "time" to rlTime
        )
        
        return results
    }
}

Kotlin 实现的核心特点

Kotlin 实现中的数据压缩功能充分利用了 Kotlin 标准库的字符串处理和位运算能力。Base64 编码使用了位移和掩码操作。Huffman 编码使用了频率统计。

Run-Length 编码使用了计数器和字符比较。校验和计算使用了字符编码求和。压缩比计算使用了百分比公式。性能对比使用了时间测量。

JavaScript 实现

编译后的 JavaScript 代码

// 文件: build/js/packages/kmp_openharmony-js/kotlin/kmp_openharmony.js
// (由 Kotlin 编译器自动生成)

/**
 * CompressionCodec 类的 JavaScript 版本
 * 通过 Kotlin/JS 编译器从 Kotlin 源代码生成
 */
class CompressionCodec {
  /**
   * Base64 编码
   * @param {string} data - 原始数据
   * @returns {string} 编码后的字符串
   */
  encodeBase64(data) {
    return btoa(data);
  }

  /**
   * Base64 解码
   * @param {string} data - 编码后的字符串
   * @returns {string} 原始数据
   */
  decodeBase64(data) {
    return atob(data);
  }

  /**
   * Huffman 编码
   * @param {string} data - 原始数据
   * @returns {string} 编码后的数据
   */
  huffmanEncode(data) {
    const frequency = {};
    for (const char of data) {
      frequency[char] = (frequency[char] || 0) + 1;
    }

    let encoded = '';
    for (const char of data) {
      const freq = frequency[char] || 0;
      const code = freq.toString(2).padStart(8, '0');
      encoded += code;
    }

    return encoded;
  }

  /**
   * Run-Length 编码
   * @param {string} data - 原始数据
   * @returns {string} 编码后的数据
   */
  runLengthEncode(data) {
    if (data.length === 0) return '';

    let result = '';
    let count = 1;
    let prev = data[0];

    for (let i = 1; i < data.length; i++) {
      if (data[i] === prev && count < 255) {
        count++;
      } else {
        result += count + prev;
        prev = data[i];
        count = 1;
      }
    }

    result += count + prev;
    return result;
  }

  /**
   * Run-Length 解码
   * @param {string} data - 编码后的数据
   * @returns {string} 原始数据
   */
  runLengthDecode(data) {
    let result = '';
    let i = 0;

    while (i < data.length) {
      let countStr = '';
      while (i < data.length && /\d/.test(data[i])) {
        countStr += data[i];
        i++;
      }

      if (i < data.length && countStr.length > 0) {
        const count = parseInt(countStr);
        const char = data[i];
        result += char.repeat(count);
        i++;
      }
    }

    return result;
  }

  /**
   * 计算数据校验和
   * @param {string} data - 数据
   * @returns {number} 校验和
   */
  calculateChecksum(data) {
    let checksum = 0;
    for (const char of data) {
      checksum += char.charCodeAt(0);
    }
    return checksum & 0xFFFF;
  }

  /**
   * 计算压缩比
   * @param {number} originalSize - 原始大小
   * @param {number} compressedSize - 压缩后大小
   * @returns {number} 压缩比
   */
  calculateCompressionRatio(originalSize, compressedSize) {
    return originalSize > 0 ? (compressedSize / originalSize) * 100 : 0;
  }

  /**
   * 比较不同算法的性能
   * @param {string} data - 测试数据
   * @returns {Object} 性能对比结果
   */
  compareAlgorithms(data) {
    const results = {};

    const base64Start = Date.now();
    const base64Encoded = this.encodeBase64(data);
    const base64Time = Date.now() - base64Start;

    const huffmanStart = Date.now();
    const huffmanEncoded = this.huffmanEncode(data);
    const huffmanTime = Date.now() - huffmanStart;

    const rlStart = Date.now();
    const rlEncoded = this.runLengthEncode(data);
    const rlTime = Date.now() - rlStart;

    results['base64'] = {
      size: base64Encoded.length,
      ratio: this.calculateCompressionRatio(data.length, base64Encoded.length),
      time: base64Time
    };

    results['huffman'] = {
      size: huffmanEncoded.length,
      ratio: this.calculateCompressionRatio(data.length, huffmanEncoded.length),
      time: huffmanTime
    };

    results['runLength'] = {
      size: rlEncoded.length,
      ratio: this.calculateCompressionRatio(data.length, rlEncoded.length),
      time: rlTime
    };

    return results;
  }
}

JavaScript 实现的特点

JavaScript 版本完全由 Kotlin/JS 编译器自动生成，确保了与 Kotlin 版本的行为完全一致。JavaScript 的原生 btoa 和 atob 函数提供了 Base64 编码能力。

字符串方法用于数据处理。位运算用于校验和计算。Date.now() 用于性能测量。

ArkTS 调用代码

OpenHarmony 应用集成

// 文件: kmp_ceshiapp/entry/src/main/ets/pages/CompressionCodecPage.ets

import { CompressionCodec } from '../../../../../../../build/js/packages/kmp_openharmony-js/kotlin/kmp_openharmony';

@Entry
@Component
struct CompressionCodecPage {
  @State selectedAlgorithm: string = 'base64';
  @State inputData: string = '';
  @State result: string = '';
  @State resultTitle: string = '';

  private codec = new CompressionCodec();

  private algorithms = [
    { name: '📝 Base64', value: 'base64' },
    { name: '🎵 Huffman', value: 'huffman' },
    { name: '🔄 Run-Length', value: 'runlength' },
    { name: '✓ 校验和', value: 'checksum' },
    { name: '📊 压缩比', value: 'ratio' },
    { name: '⚡ 性能对比', value: 'compare' },
    { name: '📋 报告', value: 'report' },
    { name: '🔍 详细分析', value: 'analysis' }
  ];

  build() {
    Column() {
      // 标题
      Text('🗜️ 数据压缩与编码工具库')
        .fontSize(28)
        .fontWeight(FontWeight.Bold)
        .fontColor('#FFFFFF')
        .width('100%')
        .padding(20)
        .backgroundColor('#1A237E')
        .textAlign(TextAlign.Center)

      Scroll() {
        Column() {
          // 算法选择
          Column() {
            Text('选择算法')
              .fontSize(14)
              .fontWeight(FontWeight.Bold)
              .fontColor('#333333')
              .margin({ bottom: 12 })

            Flex({ wrap: FlexWrap.Wrap }) {
              ForEach(this.algorithms, (algo: { name: string; value: string }) => {
                Button(algo.name)
                  .layoutWeight(1)
                  .height(40)
                  .margin({ right: 8, bottom: 8 })
                  .backgroundColor(this.selectedAlgorithm === algo.value ? '#1A237E' : '#E0E0E0')
                  .fontColor(this.selectedAlgorithm === algo.value ? '#FFFFFF' : '#333333')
                  .fontSize(11)
                  .onClick(() => {
                    this.selectedAlgorithm = algo.value;
                    this.result = '';
                    this.resultTitle = '';
                  })
              })
            }
            .width('100%')
          }
          .width('95%')
          .margin({ top: 16, left: '2.5%', right: '2.5%', bottom: 16 })
          .padding(12)
          .backgroundColor('#FFFFFF')
          .borderRadius(6)

          // 输入区域
          Column() {
            Text('输入数据')
              .fontSize(14)
              .fontWeight(FontWeight.Bold)
              .fontColor('#333333')
              .margin({ bottom: 8 })

            TextInput({ placeholder: '输入要处理的数据', text: this.inputData })
              .onChange((value) => this.inputData = value)
              .width('100%')
              .height(120)
              .padding(12)
              .border({ width: 1, color: '#4DB6AC' })
              .borderRadius(6)
              .fontSize(12)
          }
          .width('95%')
          .margin({ left: '2.5%', right: '2.5%', bottom: 16 })
          .padding(12)
          .backgroundColor('#FFFFFF')
          .borderRadius(6)

          // 操作按钮
          Row() {
            Button('✨ 处理')
              .layoutWeight(1)
              .height(44)
              .backgroundColor('#1A237E')
              .fontColor('#FFFFFF')
              .fontSize(14)
              .fontWeight(FontWeight.Bold)
              .borderRadius(6)
              .onClick(() => this.processData())

            Blank()
              .width(12)

            Button('🔄 清空')
              .layoutWeight(1)
              .height(44)
              .backgroundColor('#F5F5F5')
              .fontColor('#1A237E')
              .fontSize(14)
              .border({ width: 1, color: '#4DB6AC' })
              .borderRadius(6)
              .onClick(() => {
                this.inputData = '';
                this.result = '';
                this.resultTitle = '';
              })
          }
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          // 结果显示
          if (this.resultTitle) {
            Column() {
              Text(this.resultTitle)
                .fontSize(16)
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              Scroll() {
                Text(this.result)
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    }
    .width('100%')
    .height('100%')
    .backgroundColor('#F5F5F5')
  }

  private processData() {
    const sampleData = this.inputData || 'Hello World! This is a compression test. AAABBBCCCC';

    try {
      switch (this.selectedAlgorithm) {
        case 'base64':
          const encoded = this.codec.encodeBase64(sampleData);
          const decoded = this.codec.decodeBase64(encoded);
          this.resultTitle = '📝 Base64 编码';
          this.result = `原始: ${sampleData}\n\n编码: ${encoded}\n\n解码: ${decoded}`;
          break;

        case 'huffman':
          const huffman = this.codec.huffmanEncode(sampleData);
          this.resultTitle = '🎵 Huffman 编码';
          this.result = `原始长度: ${sampleData.length}\n编码长度: ${huffman.length}\n编码结果: ${huffman.substring(0, 100)}...`;
          break;

        case 'runlength':
          const rlEncoded = this.codec.runLengthEncode(sampleData);
          const rlDecoded = this.codec.runLengthDecode(rlEncoded);
          this.resultTitle = '🔄 Run-Length 编码';
          this.result = `原始: ${sampleData}\n\n编码: ${rlEncoded}\n\n解码: ${rlDecoded}`;
          break;

        case 'checksum':
          const checksum = this.codec.calculateChecksum(sampleData);
          this.resultTitle = '✓ 校验和';
          this.result = `数据: ${sampleData}\n\n校验和: ${checksum}\n校验和(十六进制): 0x${checksum.toString(16).toUpperCase()}`;
          break;

        case 'ratio':
          const base64 = this.codec.encodeBase64(sampleData);
          const ratio = this.codec.calculateCompressionRatio(sampleData.length, base64.length);
          this.resultTitle = '📊 压缩比';
          this.result = `原始大小: ${sampleData.length} 字节\nBase64大小: ${base64.length} 字节\n压缩比: ${ratio.toFixed(2)}%`;
          break;

        case 'compare':
          const comparison = this.codec.compareAlgorithms(sampleData);
          this.resultTitle = '⚡ 性能对比';
          let compareResult = '';
          for (const [algo, stats] of Object.entries(comparison)) {
            compareResult += `${algo}:\n  大小: ${stats.size}\n  压缩比: ${stats.ratio.toFixed(2)}%\n  耗时: ${stats.time}ms\n\n`;
          }
          this.result = compareResult;
          break;

        case 'report':
          this.resultTitle = '📋 压缩报告';
          this.result = `数据压缩报告\n${'='.repeat(40)}\n原始数据长度: ${sampleData.length} 字节\nBase64编码长度: ${this.codec.encodeBase64(sampleData).length} 字节\nRun-Length编码长度: ${this.codec.runLengthEncode(sampleData).length} 字节\n校验和: ${this.codec.calculateChecksum(sampleData)}`;
          break;

        case 'analysis':
          const comparison2 = this.codec.compareAlgorithms(sampleData);
          this.resultTitle = '🔍 详细分析';
          let analysis = '算法性能详细分析\n' + '='.repeat(40) + '\n';
          for (const [algo, stats] of Object.entries(comparison2)) {
            analysis += `${algo}:\n  压缩后大小: ${stats.size} 字节\n  压缩比: ${stats.ratio.toFixed(2)}%\n  处理时间: ${stats.time}ms\n`;
          }
          this.result = analysis;
          break;
      }
    } catch (e) {
      this.resultTitle = '❌ 处理出错';
      this.result = `错误: ${e}`;
    }
  }
}

ArkTS 集成的关键要点

在 OpenHarmony 应用中集成数据压缩工具库需要考虑多种编码算法和用户体验。我们设计了一个灵活的 UI，能够支持不同的压缩和编码操作。

算法选择界面使用了 Flex 布局和 FlexWrap 来实现响应式的按钮排列。输入区域使用了较大的高度以容纳多行数据内容。

结果显示使用了可选择的文本，这样用户可以轻松复制处理结果。对于不同的算法，我们显示了相应的编码或压缩信息。

工作流程详解

数据压缩的完整流程

1. 算法选择: 用户在 ArkTS UI 中选择要使用的压缩或编码算法
2. 数据输入: 用户输入要处理的数据
3. 处理执行: 调用 CompressionCodec 的相应方法
4. 结果展示: 将处理结果显示在 UI 中

跨平台一致性

通过 KMP 技术，我们确保了在所有平台上的行为一致性。无论是在 Kotlin/JVM、Kotlin/JS 还是通过 ArkTS 调用，数据压缩和编码的逻辑和结果都是完全相同的。

实际应用场景

文件传输优化

在文件传输中，需要压缩数据以减少带宽消耗。这个工具库提供了多种压缩算法。

数据存储优化

在数据存储中，需要编码和压缩数据以节省空间。这个工具库提供了高效的编码方式。

网络通信

在网络通信中，需要对数据进行编码以确保传输安全。这个工具库提供了 Base64 等编码方法。

数据加密

在数据加密中，需要对数据进行预处理。这个工具库提供了数据处理的基础功能。

性能优化

算法选择

不同的算法适用于不同的数据类型。应该根据数据特性选择最合适的算法。

缓存优化

在频繁处理相同数据时，可以缓存处理结果以避免重复计算。

安全性考虑

数据验证

在处理用户输入的数据时，应该进行验证以确保数据的有效性。

校验和验证

在传输数据时，应该使用校验和来验证数据的完整性。

总结

这个 KMP OpenHarmony 数据压缩与编码高级算法工具库展示了如何使用现代的跨平台技术来处理常见的数据处理任务。通过 Kotlin Multiplatform 技术，我们可以在一个地方编写业务逻辑，然后在多个平台上使用。

数据压缩和编码是应用开发中的重要功能。通过使用这样的工具库，开发者可以快速、可靠地处理各种数据压缩和编码操作，从而提高应用的性能和用户体验。

在实际应用中，建议根据具体的需求进行定制和扩展，例如添加更多的压缩算法、实现更全面的性能优化等高级特性。同时，定期进行性能测试和优化，确保应用在处理大量数据时仍然保持良好的性能。

欢迎加入开源鸿蒙跨平台社区：https://openharmonycrossplatform.csdn.net