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【信息論與編碼】【北京航空航天大學(xué)】實驗一、哈夫曼編碼【C語言實現(xiàn)】（上）

2年前作者：不是AI分類：Toy博客閱讀(27)違法舉報

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信息論與編碼實驗1 哈夫曼編碼實驗報告

一、運行源代碼所需要的依賴：
1、硬件支持

Windows 10，64位系統(tǒng)

【信息論與編碼】【北京航空航天大學(xué)】實驗一、哈夫曼編碼【C語言實現(xiàn)】（上）,信息論與編碼,C語言,算法,c語言,單片機(jī),開發(fā)語言

2、編譯器

DEV-Redpanda IDE，小熊貓C++

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二、算法實現(xiàn)及測試

1、C語言源程序

# define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
# include <stdlib.h>
# include <stdio.h>
# include <string.h>

// 文件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
struct head
{
    int b;						  //字符
    long count;                   //文件中該字符出現(xiàn)的次數(shù)
    long parent, lch, rch;        //父、左右子節(jié)點，make a tree
    char bits[256];               //存儲編碼 the huffuman code
};

struct head header[512], tmp;  //節(jié)點樹

// 函數(shù)：printfPercent()
// 作用：輸出壓縮進(jìn)度
void printfPercent(int per)
{
	int i = 0;
	printf("|");
	for(i = 0; i < 10; i++)
	{
		if(i < per/10)
			printf(">");
		else
			printf("-");
	}
	printf("|已完成%d%%\n",per);
}

//函數(shù)：compress()
//作用：讀取文件內(nèi)容并加以壓縮
//將壓縮內(nèi)容寫入另一個文檔
int compress(const char *filename,const char *outputfile)
{
    char buf[512];
    unsigned char c;
    long i, j, m, n, f;
    long min1, pt1, flength;
    FILE *ifp, *ofp;
	int per = 10;
    ifp = fopen(filename, "rb");                  //打開原始文件
    if (ifp == NULL)
    {
        printf("打開文件失敗:%s\n",filename);
        return 0;                             //如果打開失敗，則輸出錯誤信息
    }
    ofp = fopen(outputfile,"wb");                 //打開壓縮后存儲信息的文件
    if (ofp == NULL)
    {
        printf("打開文件失敗:%s\n",outputfile);
        return 0;
    }
    fprintf(ofp, "%s", "myzip");
    flength = 0;
    while (!feof(ifp))
    {
        fread(&c, 1, 1, ifp);
        header[c].count ++;                       //讀文件，統(tǒng)計字符出現(xiàn)次數(shù)
        flength ++;                               //記錄文件的字符總數(shù)
    }
    flength --;
    header[c].count --;
    for (i = 0; i < 512; i ++)                    //HUFFMAN算法中初始節(jié)點的設(shè)置
    {
        if (header[i].count != 0)
            header[i].b = (unsigned char) i;
        else
            header[i].b = -1;
        header[i].parent = -1;
        header[i].lch = header[i].rch = -1;
    }
 
    for (i = 0; i < 256; i ++)                    //將節(jié)點按出現(xiàn)次數(shù)排序
    {
        for (j = i + 1; j < 256; j ++)
        {
            if (header[i].count < header[j].count)
            {
                tmp = header[i];
                header[i] = header[j];
                header[j] = tmp;
            }
        }
    }
 
 
    for (i = 0; i < 256; i ++)                    //統(tǒng)計不同字符的數(shù)量
	{
        if (header[i].count == 0)
            break;
	}
 
    n = i;
    m = 2 * n - 1;
    for (i = n; i < m; i ++)
    {
        min1 = 999999999;
        for (j = 0; j < i; j ++)
        {
            if (header[j].parent != -1) continue;
            if (min1 > header[j].count)
            {
                pt1 = j;
                min1 = header[j].count;
                continue;
            }
        }
        header[i].count = header[pt1].count;
        header[pt1].parent = i;
        header[i].lch = pt1;
        min1 = 999999999;
        for (j = 0; j < i; j ++)
        {
            if (header[j].parent != -1) continue;
            if (min1 > header[j].count)
            {
                pt1 = j;
                min1 = header[j].count;
                continue;
            }
        }
        header[i].count += header[pt1].count;
        header[i].rch = pt1;
        header[pt1].parent = i;
    }
 
    for (i = 0; i < n; i ++)                        //構(gòu)造HUFFMAN樹，設(shè)置字符的編碼
    {
        f = i;
        header[i].bits[0] = 0;
        while (header[f].parent != -1)
        {
            j = f;
            f = header[f].parent;
            if (header[f].lch == j)
            {
                j = strlen(header[i].bits);
                memmove(header[i].bits + 1, header[i].bits, j + 1);
                header[i].bits[0] = '0';
            }
            else
            {
                j = strlen(header[i].bits);
                memmove(header[i].bits + 1, header[i].bits, j + 1);
                header[i].bits[0] = '1';
            }
        }
    }
 
    //下面的就是讀原文件的每一個字符，按照設(shè)置好的編碼替換文件中的字符
    fseek(ifp, 0, SEEK_SET);                                                //將指針定在文件起始位置
    fseek(ofp, 8, SEEK_SET);                                //以8位二進(jìn)制數(shù)為單位進(jìn)行讀取
    buf[0] = 0;
    f = 0;
    pt1 = 8;
 
	printf("讀取將要壓縮的文件:%s\n",filename);
	printf("當(dāng)前文件有:%d字符\n",flength);
	if(flength == 0){
		printf("警告：該文件為空\n");
		return 0; 
	}
	printf("正在壓縮\n");
 
    while (!feof(ifp))
    {
        c = fgetc(ifp);
        f ++;
        for (i = 0; i < n; i ++)
        {
            if (c == header[i].b) break;
        }
        strcat(buf, header[i].bits);
        j = strlen(buf);
        c = 0;
        while (j >= 8)                                             //當(dāng)剩余字符數(shù)量不小于8個時
        {
            for (i = 0; i < 8; i ++)                               //按照八位二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)化成十進(jìn)制ASCII碼寫入文件一次進(jìn)行壓縮
            {
                if (buf[i] == '1') c = (c << 1) | 1;
                else c = c << 1;
            }
            fwrite(&c, 1, 1, ofp);
            pt1 ++;
            strcpy(buf, buf + 8);
            j = strlen(buf);
        }
		if(100 * f/flength > per)
		{
			printfPercent(per);
			per += 10;
		}
        if (f == flength)
			break;
    }
	printfPercent(100);
 
    if (j > 0)                                                      //當(dāng)剩余字符數(shù)量少于8個時
    {
        strcat(buf, "00000000");
        for (i = 0; i < 8; i ++)
        {
            if (buf[i] == '1') c = (c << 1) | 1;
            else c = c << 1;                                        //對不足的位數(shù)進(jìn)行補零
        }
        fwrite(&c, 1, 1, ofp);
        pt1 ++;
    }
    fseek(ofp, 0, SEEK_SET);                                        //將編碼信息寫入存儲文件
	fwrite(&flength,1,sizeof(flength),ofp);
    fwrite(&pt1, sizeof(long), 1, ofp);
    fseek(ofp, pt1, SEEK_SET);
    fwrite(&n, sizeof(long), 1, ofp);
    for (i = 0; i < n; i ++)
    {
		tmp = header[i];
 
        fwrite(&(header[i].b), 1, 1, ofp);
		pt1++;
        c = strlen(header[i].bits);
        fwrite(&c, 1, 1, ofp);
		pt1++;
        j = strlen(header[i].bits);
 
        if (j % 8 != 0)                                             //當(dāng)位數(shù)不滿8時，對該數(shù)進(jìn)行補零操作
        {
            for (f = j % 8; f < 8; f ++)
                strcat(header[i].bits, "0");
        }
 
        while (header[i].bits[0] != 0)
        {
            c = 0;
            for (j = 0; j < 8; j ++)
            {
                if (header[i].bits[j] == '1') c = (c << 1) | 1;
                else c = c << 1;
            }
            strcpy(header[i].bits, header[i].bits + 8);
            fwrite(&c, 1, 1, ofp);                                            //將所得的編碼信息寫入文件
			pt1++;
        }
 
		header[i] = tmp;
    }
    fclose(ifp);
    fclose(ofp);                                                              //關(guān)閉文件
 
	printf("壓縮后文件為:%s\n",outputfile);
    printf("壓縮后文件有:%d字符\n",pt1 + 4);
 
    return 1;                                       //返回壓縮成功信息
}

//函數(shù)：compress()
//作用：讀取文件內(nèi)容并加以壓縮
//將壓縮內(nèi)容寫入另一個文檔
int compress(const char *filename,const char *outputfile)
{
    char buf[512];
    unsigned char c;
    long i, j, m, n, f;
    long min1, pt1, flength;
    FILE *ifp, *ofp;
	int per = 10;
    ifp = fopen(filename, "rb");                  //打開原始文件
    if (ifp == NULL)
    {
        printf("打開文件失敗:%s\n",filename);
        return 0;                             //如果打開失敗，則輸出錯誤信息
    }
    ofp = fopen(outputfile,"wb");                 //打開壓縮后存儲信息的文件
    if (ofp == NULL)
    {
        printf("打開文件失敗:%s\n",outputfile);
        return 0;
    }
    fprintf(ofp, "%s", "myzip");
    flength = 0;
    while (!feof(ifp))
    {
        fread(&c, 1, 1, ifp);
        header[c].count ++;                       //讀文件，統(tǒng)計字符出現(xiàn)次數(shù)
        flength ++;                               //記錄文件的字符總數(shù)
    }
    flength --;
    header[c].count --;
    for (i = 0; i < 512; i ++)                    //HUFFMAN算法中初始節(jié)點的設(shè)置
    {
        if (header[i].count != 0)
            header[i].b = (unsigned char) i;
        else
            header[i].b = -1;
        header[i].parent = -1;
        header[i].lch = header[i].rch = -1;
    }
 
    for (i = 0; i < 256; i ++)                    //將節(jié)點按出現(xiàn)次數(shù)排序
    {
        for (j = i + 1; j < 256; j ++)
        {
            if (header[i].count < header[j].count)
            {
                tmp = header[i];
                header[i] = header[j];
                header[j] = tmp;
            }
        }
    }
 
 
    for (i = 0; i < 256; i ++)                    //統(tǒng)計不同字符的數(shù)量
	{
        if (header[i].count == 0)
            break;
	}
 
    n = i;
    m = 2 * n - 1;
    for (i = n; i < m; i ++)
    {
        min1 = 999999999;
        for (j = 0; j < i; j ++)
        {
            if (header[j].parent != -1) continue;
            if (min1 > header[j].count)
            {
                pt1 = j;
                min1 = header[j].count;
                continue;
            }
        }
        header[i].count = header[pt1].count;
        header[pt1].parent = i;
        header[i].lch = pt1;
        min1 = 999999999;
        for (j = 0; j < i; j ++)
        {
            if (header[j].parent != -1) continue;
            if (min1 > header[j].count)
            {
                pt1 = j;
                min1 = header[j].count;
                continue;
            }
        }
        header[i].count += header[pt1].count;
        header[i].rch = pt1;
        header[pt1].parent = i;
    }
 
    for (i = 0; i < n; i ++)                        //構(gòu)造HUFFMAN樹，設(shè)置字符的編碼
    {
        f = i;
        header[i].bits[0] = 0;
        while (header[f].parent != -1)
        {
            j = f;
            f = header[f].parent;
            if (header[f].lch == j)
            {
                j = strlen(header[i].bits);
                memmove(header[i].bits + 1, header[i].bits, j + 1);
                header[i].bits[0] = '0';
            }
            else
            {
                j = strlen(header[i].bits);
                memmove(header[i].bits + 1, header[i].bits, j + 1);
                header[i].bits[0] = '1';
            }
        }
    }
 
    //下面的就是讀原文件的每一個字符，按照設(shè)置好的編碼替換文件中的字符
    fseek(ifp, 0, SEEK_SET);                                                //將指針定在文件起始位置
    fseek(ofp, 8, SEEK_SET);                                //以8位二進(jìn)制數(shù)為單位進(jìn)行讀取
    buf[0] = 0;
    f = 0;
    pt1 = 8;
 
	printf("讀取將要壓縮的文件:%s\n",filename);
	printf("當(dāng)前文件有:%d字符\n",flength);
	if(flength == 0){
		printf("警告：該文件為空\n");
		return 0; 
	}
	printf("正在壓縮\n");
 
    while (!feof(ifp))
    {
        c = fgetc(ifp);
        f ++;
        for (i = 0; i < n; i ++)
        {
            if (c == header[i].b) break;
        }
        strcat(buf, header[i].bits);
        j = strlen(buf);
        c = 0;
        while (j >= 8)                                             //當(dāng)剩余字符數(shù)量不小于8個時
        {
            for (i = 0; i < 8; i ++)                               //按照八位二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)化成十進(jìn)制ASCII碼寫入文件一次進(jìn)行壓縮
            {
                if (buf[i] == '1') c = (c << 1) | 1;
                else c = c << 1;
            }
            fwrite(&c, 1, 1, ofp);
            pt1 ++;
            strcpy(buf, buf + 8);
            j = strlen(buf);
        }
		if(100 * f/flength > per)
		{
			printfPercent(per);
			per += 10;
		}
        if (f == flength)
			break;
    }
	printfPercent(100);
 
    if (j > 0)                                                      //當(dāng)剩余字符數(shù)量少于8個時
    {
        strcat(buf, "00000000");
        for (i = 0; i < 8; i ++)
        {
            if (buf[i] == '1') c = (c << 1) | 1;
            else c = c << 1;                                        //對不足的位數(shù)進(jìn)行補零
        }
        fwrite(&c, 1, 1, ofp);
        pt1 ++;
    }
    fseek(ofp, 0, SEEK_SET);                                        //將編碼信息寫入存儲文件
	fwrite(&flength,1,sizeof(flength),ofp);
    fwrite(&pt1, sizeof(long), 1, ofp);
    fseek(ofp, pt1, SEEK_SET);
    fwrite(&n, sizeof(long), 1, ofp);
    for (i = 0; i < n; i ++)
    {
		tmp = header[i];
 
        fwrite(&(header[i].b), 1, 1, ofp);
		pt1++;
        c = strlen(header[i].bits);
        fwrite(&c, 1, 1, ofp);
		pt1++;
        j = strlen(header[i].bits);
 
        if (j % 8 != 0)                                             //當(dāng)位數(shù)不滿8時，對該數(shù)進(jìn)行補零操作
        {
            for (f = j % 8; f < 8; f ++)
                strcat(header[i].bits, "0");
        }
 
        while (header[i].bits[0] != 0)
        {
            c = 0;
            for (j = 0; j < 8; j ++)
            {
                if (header[i].bits[j] == '1') c = (c << 1) | 1;
                else c = c << 1;
            }
            strcpy(header[i].bits, header[i].bits + 8);
            fwrite(&c, 1, 1, ofp);                                            //將所得的編碼信息寫入文件
			pt1++;
        }
 
		header[i] = tmp;
    }
    fclose(ifp);
    fclose(ofp);                                                              //關(guān)閉文件
 
	printf("壓縮后文件為:%s\n",outputfile);
    printf("壓縮后文件有:%d字符\n",pt1 + 4);
 
    return 1;                                       //返回壓縮成功信息
}

// 主函數(shù)
int main(int argc,const char *argv[])
{
	memset(&header,0,sizeof(header));
    memset(&tmp,0,sizeof(tmp));
    char tmpname[100] = { 0 };
    char filename[100] = { 0 };
    char zipname[100] = { 0 };
    char recovername[100] = { 0 };
    //用戶接口部分
	printf("------------歡迎使用本文件壓縮程序，按任意鍵開始------------\n");
	system("pause");
	printf("------------請在下方輸入你想要壓縮的文件名------------\n");
	scanf("%s", tmpname);
	strcpy(filename, tmpname);
	strcat(tmpname, ".zip");
	strcpy(zipname, tmpname);
	printf("-----------壓縮開始，請稍等片刻-----------\n");
	compress(filename,zipname);
	strcat(tmpname, "解壓后.txt"); 
	strcpy(recovername, tmpname);
	uncompress(zipname,recovername);
	system("pause");
 
	return 0;
}

2、算法性能測試

（1）測試文件1：article1.txt
文件說明：普通英文文檔，取自英國小說《哈利·波特》的一個章節(jié)
文件截圖：
【信息論與編碼】【北京航空航天大學(xué)】實驗一、哈夫曼編碼【C語言實現(xiàn)】（上）,信息論與編碼,C語言,算法,c語言,單片機(jī),開發(fā)語言

運行時截圖：

【信息論與編碼】【北京航空航天大學(xué)】實驗一、哈夫曼編碼【C語言實現(xiàn)】（上）,信息論與編碼,C語言,算法,c語言,單片機(jī),開發(fā)語言

（2）測試文件2：singlebyte.txt

文件說明：只含一種字節(jié)（字母a）
文件截圖：
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運行時截圖：

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（3）測試文件3：empty.txt

文件說明：空文本文件，大小為0KB。

運行時截圖：

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三、實踐性問題

1、重復(fù)性的文件結(jié)構(gòu)

使用你在必選模組實現(xiàn)的程序，編碼 lab1_data/testfile1，lab1_data/testfile1 的文件內(nèi)容是：256 字節(jié) 0x00，256 字節(jié) 0x01，256 字節(jié) 0x02，…，256 字節(jié) 0xff，總計 64 KiB。觀察編碼后的文件大小，解釋為什么文件體積會發(fā)生這種變化（為什么會這樣（模組 1 和模組 3） / 是什么發(fā)揮了作用（模組 2））。

解答：

文件名稱：testfile1.txt
壓縮前大小：65536字節(jié)（64KB）
壓縮后大?。?6249字節(jié)（65KB）
壓縮比例：101.6%
原文件SHA256值：
c3e145bc3d6790dab078e628cf8530b565c30aac7b5c70fd100b67651d064ad4
壓縮后文件SHA256值：
23321562a0a3a4d891de297dade09c3ab0794d3e222dc8a08206429f0dd59e8a
解壓縮后文件SHA256值：
c3e145bc3d6790dab078e628cf8530b565c30aac7b5c70fd100b67651d064ad4
運行時截圖：

【信息論與編碼】【北京航空航天大學(xué)】實驗一、哈夫曼編碼【C語言實現(xiàn)】（上）,信息論與編碼,C語言,算法,c語言,單片機(jī),開發(fā)語言

現(xiàn)象：壓縮比例大于1，即壓縮后的文件比壓縮前的文件更大。
對該現(xiàn)象的解釋：對于testfile1.txt中的字符，即0x00, 0x01, 0x02, …0xff共計256種字節(jié)，每種字節(jié)出現(xiàn)的概率相同，所生成的哈夫曼樹為一棵極不平衡的二叉樹，形如下圖：
【信息論與編碼】【北京航空航天大學(xué)】實驗一、哈夫曼編碼【C語言實現(xiàn)】（上）,信息論與編碼,C語言,算法,c語言,單片機(jī),開發(fā)語言

其中，256種字節(jié)（與順序無關(guān)）分別被編碼成碼長為1，2，3，4，5，……255，255（單位為bit）共256個碼元。故壓縮后的文件大小為256 * （1 + 2 + 3 + 4 + 5 + …… + 255 + 255）= 256 * 255 * 129 bits。原文件大小為64KB = 64 * 2^10 * 8 = 2^19 bits. 可見，壓縮后的文件體積比壓縮前的文件體積更大。

2、“黑洞”來了？

問：如果我將一個超大的文件壓縮幾百次，他就會變得越來越小，最后達(dá)到幾 KB，這便是時間換空間！這種說法正確嗎？
答：這種說法不正確。
實踐題： 對給定的 bmp 格式圖片迭代地編碼 10 次，觀察壓縮結(jié)果的體積變化。為什么會發(fā)生這種變化？結(jié)合你學(xué)過的知識解答。
答：壓縮結(jié)果的體積變化如下表所示：
第n次壓縮壓縮前大小（KB）壓縮后大?。↘B）
1 24301 3687
2 3687 1069
3 1069 791
4 791 773
5 773 781
6 781 792
7 792 803
8 803 814
9 814 826
10 826 837
被壓縮的文件截圖：
【信息論與編碼】【北京航空航天大學(xué)】實驗一、哈夫曼編碼【C語言實現(xiàn)】（上）,信息論與編碼,C語言,算法,c語言,單片機(jī),開發(fā)語言

現(xiàn)象： 從第3次壓縮操作之后，文件體積基本上沒有變化，從第5次壓縮操作開始，反而表現(xiàn)出越壓縮，文件體積越大。
對該現(xiàn)象的解釋： 香農(nóng)Shannon信息論中的信息熵。熵界的存在性，導(dǎo)致文件不可能被壓縮至 “無限小” （單個比特），所謂的 “文件黑洞” 違背信息論。

至此，本次實驗結(jié)束。文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-821856.html

到了這里，關(guān)于【信息論與編碼】【北京航空航天大學(xué)】實驗一、哈夫曼編碼【C語言實現(xiàn)】（上）的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請在右上角搜索TOY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！

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