【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）

发布时间：2026/7/26 21:29:16

【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 treechar 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(">");elseprintf("-");}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;elseheader[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;elseheader[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。

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智慧飞行-大疆无人机一站式智能管控平台/支持大疆机场/私有化部署 企业级全域智能无人机一体化管控平台源码&#xff01; 专为电力巡检、安防监控、应急救援、测绘勘察等行业打造&#xff0c;让您的无人机舰队实现 “无人化、自动化、智能化” 管理&#xff01; &#x1f3af; …

2026/7/26 0:00:13
揭秘ChatGPT+Mathematica协同教学：为什么92%的初学者在72小时内建立函数直觉？

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更多请点击&#xff1a; https://codechina.net 第一章&#xff1a;AI帮助理解数学概念 人工智能正以前所未有的方式重塑数学学习的路径。通过自然语言处理与符号计算的深度融合&#xff0c;AI不仅能解析抽象定义&#xff0c;还能将定理、证明和几何直觉转化为可交互、可验证的…

2026/7/26 0:00:13

周新闻

Apex英雄目标检测数据集 深度学习框架YOLO如何训练APEX数据集

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Apex检测数据集数据集详情检测类别&#xff1a; allies enemy tag图片总量&#xff1a;7247张训练集&#xff1a;5139张验证集&#xff1a;1425张测试集&#xff1a;683张标注状态&#xff1a;全部已标注&#xff0c;即拿即用数据格式&#xff1a;支持YOLO格式及其他格式&#…

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2026/7/26 0:00:13

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在串&#xff08;字符串&#xff09;的顺序存储中&#xff0c;内存回收的方式取决于字符串的存储方式以及所使用的编程语言和相关库。以下以 C 为例进行说明&#xff0c;因为 C 对内存管理有较为直接的控制。 1. 基于 char 数组的串顺序存储 如果使用普通的 char 数组来存储字…

2026/7/25 11:19:17
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移动端游戏功耗测试：先控制变量，再比较优化是否真的省电 摘要：功耗测试最容易犯的错误，是拿两次不同温度、不同亮度、不同场景的平均功率直接比较。本文给出一套可复现的游戏功耗测试方法，覆盖引擎特性验证、版本回归和黑盒体验测试，并说明如何把功耗与帧率、温控、CPU/G…

2026/7/25 10:36:40
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2026/7/25 10:09:38