【信息论与编码】【北京航空航天大学】实验一、哈夫曼编码【C语言实现】（上）

信息论与编码实验1 哈夫曼编码实验报告

一、运行源代码所需要的依赖：
1、硬件支持

Windows 10，64位系统

在这里插入图片描述

2、编译器

DEV-Redpanda IDE，小熊猫C++

在这里插入图片描述
二、算法实现及测试

1、C语言源程序

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

// 文件数据结构
struct head
{
    int b;						  //字符
    long count;                   //文件中该字符出现的次数
    long parent, lch, rch;        //父、左右子节点，make a tree
    char bits[256];               //存储编码 the huffuman code
};

struct head header[512], tmp;  //节点树

// 函数：printfPercent()
// 作用：输出压缩进度
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);
}

//函数：compress()
//作用：读取文件内容并加以压缩
//将压缩内容写入另一个文档
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");                  //打开原始文件
    if (ifp == NULL)
    {
        printf("打开文件失败:%s\n",filename);
        return 0;                             //如果打开失败，则输出错误信息
    }
    ofp = fopen(outputfile,"wb");                 //打开压缩后存储信息的文件
    if (ofp == NULL)
    {
        printf("打开文件失败:%s\n",outputfile);
        return 0;
    }
    fprintf(ofp, "%s", "myzip");
    flength = 0;
    while (!feof(ifp))
    {
        fread(&c, 1, 1, ifp);
        header[c].count ++;                       //读文件，统计字符出现次数
        flength ++;                               //记录文件的字符总数
    }
    flength --;
    header[c].count --;
    for (i = 0; i < 512; i ++)                    //HUFFMAN算法中初始节点的设置
    {
        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 ++)                    //将节点按出现次数排序
    {
        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 ++)                    //统计不同字符的数量
	{
        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 ++)                        //构造HUFFMAN树，设置字符的编码
    {
        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';
            }
        }
    }
 
    //下面的就是读原文件的每一个字符，按照设置好的编码替换文件中的字符
    fseek(ifp, 0, SEEK_SET);                                                //将指针定在文件起始位置
    fseek(ofp, 8, SEEK_SET);                                //以8位二进制数为单位进行读取
    buf[0] = 0;
    f = 0;
    pt1 = 8;
 
	printf("读取将要压缩的文件:%s\n",filename);
	printf("当前文件有:%d字符\n",flength);
	if(flength == 0){
		printf("警告：该文件为空\n");
		return 0; 
	}
	printf("正在压缩\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)                                             //当剩余字符数量不小于8个时
        {
            for (i = 0; i < 8; i ++)                               //按照八位二进制数转化成十进制ASCII码写入文件一次进行压缩
            {
                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)                                                      //当剩余字符数量少于8个时
    {
        strcat(buf, "00000000");
        for (i = 0; i < 8; i ++)
        {
            if (buf[i] == '1') c = (c << 1) | 1;
            else c = c << 1;                                        //对不足的位数进行补零
        }
        fwrite(&c, 1, 1, ofp);
        pt1 ++;
    }
    fseek(ofp, 0, SEEK_SET);                                        //将编码信息写入存储文件
	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)                                             //当位数不满8时，对该数进行补零操作
        {
            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);                                            //将所得的编码信息写入文件
			pt1++;
        }
 
		header[i] = tmp;
    }
    fclose(ifp);
    fclose(ofp);                                                              //关闭文件
 
	printf("压缩后文件为:%s\n",outputfile);
    printf("压缩后文件有:%d字符\n",pt1 + 4);
 
    return 1;                                       //返回压缩成功信息
}

//函数：compress()
//作用：读取文件内容并加以压缩
//将压缩内容写入另一个文档
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");                  //打开原始文件
    if (ifp == NULL)
    {
        printf("打开文件失败:%s\n",filename);
        return 0;                             //如果打开失败，则输出错误信息
    }
    ofp = fopen(outputfile,"wb");                 //打开压缩后存储信息的文件
    if (ofp == NULL)
    {
        printf("打开文件失败:%s\n",outputfile);
        return 0;
    }
    fprintf(ofp, "%s", "myzip");
    flength = 0;
    while (!feof(ifp))
    {
        fread(&c, 1, 1, ifp);
        header[c].count ++;                       //读文件，统计字符出现次数
        flength ++;                               //记录文件的字符总数
    }
    flength --;
    header[c].count --;
    for (i = 0; i < 512; i ++)                    //HUFFMAN算法中初始节点的设置
    {
        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 ++)                    //将节点按出现次数排序
    {
        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 ++)                    //统计不同字符的数量
	{
        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 ++)                        //构造HUFFMAN树，设置字符的编码
    {
        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';
            }
        }
    }
 
    //下面的就是读原文件的每一个字符，按照设置好的编码替换文件中的字符
    fseek(ifp, 0, SEEK_SET);                                                //将指针定在文件起始位置
    fseek(ofp, 8, SEEK_SET);                                //以8位二进制数为单位进行读取
    buf[0] = 0;
    f = 0;
    pt1 = 8;
 
	printf("读取将要压缩的文件:%s\n",filename);
	printf("当前文件有:%d字符\n",flength);
	if(flength == 0){
		printf("警告：该文件为空\n");
		return 0; 
	}
	printf("正在压缩\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)                                             //当剩余字符数量不小于8个时
        {
            for (i = 0; i < 8; i ++)                               //按照八位二进制数转化成十进制ASCII码写入文件一次进行压缩
            {
                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)                                                      //当剩余字符数量少于8个时
    {
        strcat(buf, "00000000");
        for (i = 0; i < 8; i ++)
        {
            if (buf[i] == '1') c = (c << 1) | 1;
            else c = c << 1;                                        //对不足的位数进行补零
        }
        fwrite(&c, 1, 1, ofp);
        pt1 ++;
    }
    fseek(ofp, 0, SEEK_SET);                                        //将编码信息写入存储文件
	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)                                             //当位数不满8时，对该数进行补零操作
        {
            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);                                            //将所得的编码信息写入文件
			pt1++;
        }
 
		header[i] = tmp;
    }
    fclose(ifp);
    fclose(ofp);                                                              //关闭文件
 
	printf("压缩后文件为:%s\n",outputfile);
    printf("压缩后文件有:%d字符\n",pt1 + 4);
 
    return 1;                                       //返回压缩成功信息
}

// 主函数
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 };
    //用户接口部分
	printf("------------欢迎使用本文件压缩程序，按任意键开始------------\n");
	system("pause");
	printf("------------请在下方输入你想要压缩的文件名------------\n");
	scanf("%s", tmpname);
	strcpy(filename, tmpname);
	strcat(tmpname, ".zip");
	strcpy(zipname, tmpname);
	printf("-----------压缩开始，请稍等片刻-----------\n");
	compress(filename,zipname);
	strcat(tmpname, "解压后.txt"); 
	strcpy(recovername, tmpname);
	uncompress(zipname,recovername);
	system("pause");
 
	return 0;
}

2、算法性能测试

（1）测试文件1：article1.txt
文件说明：普通英文文档，取自英国小说《哈利·波特》的一个章节
文件截图：
在这里插入图片描述

运行时截图：

在这里插入图片描述

（2）测试文件2：singlebyte.txt

文件说明：只含一种字节（字母a）
文件截图：
在这里插入图片描述
运行时截图：

在这里插入图片描述

（3）测试文件3：empty.txt

文件说明：空文本文件，大小为0KB。

运行时截图：

在这里插入图片描述

三、实践性问题

1、重复性的文件结构

使用你在必选模组实现的程序，编码 lab1_data/testfile1，lab1_data/testfile1 的文件内容是：256 字节 0x00，256 字节 0x01，256 字节 0x02，…，256 字节 0xff，总计 64 KiB。观察编码后的文件大小，解释为什么文件体积会发生这种变化（为什么会这样（模组 1 和模组 3） / 是什么发挥了作用（模组 2））。

解答：

文件名称：testfile1.txt
压缩前大小：65536字节（64KB）
压缩后大小：66249字节（65KB）
压缩比例：101.6%
原文件SHA256值：
c3e145bc3d6790dab078e628cf8530b565c30aac7b5c70fd100b67651d064ad4
压缩后文件SHA256值：
23321562a0a3a4d891de297dade09c3ab0794d3e222dc8a08206429f0dd59e8a
解压缩后文件SHA256值：
c3e145bc3d6790dab078e628cf8530b565c30aac7b5c70fd100b67651d064ad4
运行时截图：

在这里插入图片描述

现象：压缩比例大于1，即压缩后的文件比压缩前的文件更大。
对该现象的解释：对于testfile1.txt中的字符，即0x00, 0x01, 0x02, …0xff共计256种字节，每种字节出现的概率相同，所生成的哈夫曼树为一棵极不平衡的二叉树，形如下图：
在这里插入图片描述

其中，256种字节（与顺序无关）分别被编码成码长为1，2，3，4，5，……255，255（单位为bit）共256个码元。故压缩后的文件大小为256 * （1 + 2 + 3 + 4 + 5 + …… + 255 + 255）= 256 * 255 * 129 bits。原文件大小为64KB = 64 * 2^10 * 8 = 2^19 bits. 可见，压缩后的文件体积比压缩前的文件体积更大。

2、“黑洞”来了？

问：如果我将一个超大的文件压缩几百次，他就会变得越来越小，最后达到几 KB，这便是时间换空间！这种说法正确吗？
答：这种说法不正确。
实践题： 对给定的 bmp 格式图片迭代地编码 10 次，观察压缩结果的体积变化。为什么会发生这种变化？结合你学过的知识解答。
答：压缩结果的体积变化如下表所示：
第n次压缩压缩前大小（KB）压缩后大小（KB）
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
被压缩的文件截图：
在这里插入图片描述

现象： 从第3次压缩操作之后，文件体积基本上没有变化，从第5次压缩操作开始，反而表现出越压缩，文件体积越大。
对该现象的解释： 香农Shannon信息论中的信息熵。熵界的存在性，导致文件不可能被压缩至 “无限小” （单个比特），所谓的 “文件黑洞” 违背信息论。

至此，本次实验结束。