霍夫曼编码的分析与实现(2)

为了确定霍夫曼编码降低了多大容量的存储空间,首先要计算每个符号出现的次数与其编码位数的乘积,然后将其求和。所以,上表中压缩后的数据的大小为:

12*3 + 18*2 + 7*3 + 15*2 +20*2 = 163位

假设不使用压缩算法的72个字符均用8位表示,那么其总共所占的数据大小为576位,所以其压缩比计算如下:

1 - (163/576)=71.7%

再次强调的是,在实际中无法用小数来表示霍夫曼编码,所以在很多情况下这个压缩比并没有数据的熵效果那么好。但也非常接近于最佳压缩比。

在通常情况下,霍夫曼编码并不是最高效的压缩方法,但它压缩和解压缩的速度非常快。一般来说,造成霍夫曼编码比较耗时的原因是它需要扫描两次数据:一次用来计算频率;另一次才是用来压缩数据。而解压缩数据非常高效,因为解码每个符号的序列只需要扫描一次霍夫曼树。

霍夫曼编码的接口定义

huffman_compress

int huffman_compress(const unsigned char *original, unsigned char **compressed, int size);

返回值:如果数据压缩成功,返回压缩后数据的字节数;否则返回-1。

描述:用霍夫曼编码的方法压缩缓冲区original中的数据,original包含size字节的空间。压缩后的数据存入缓冲区compressed中。由于函数调用者并不知道compressed需要多大的空间,因此需要通过函数调用malloc来动态分配存储空间。当这块存储空间不再使用时,由调用者调用函数free来释放空间。

复杂度:O(n),其中n代表原始数据中符号的个数。

huffman_uncompress

int huffman_uncompress(const unsigned char *compressed, unsigned char **original);

返回值:如果解压缩成功,返回恢复后数据的字节数;否则返回-1。

描述:用霍夫曼的方法解压缩缓冲区compressed中的数据。假定缓冲区包含的数据是由Huffman_compress压缩产生的。恢复后的数据存入缓冲区original中。由于函数调用者并不知道original需要多大的空间,因此要通过函数调用malloc来动态分配存储空间。当这块存储空间不再使用时,由调用者调用free来释放空间。

复杂度:O(n),其中n是原始数据中符号的个数。

 霍夫曼编码的分析与实现

通过霍夫曼编码,在压缩过程中,我们将符号按照霍夫曼树进行编码从而压缩数据。在解压缩时,重建压缩过程中的霍夫曼树,同时将编码解码成符号本身。在本节介绍的实现过程中,一个原始符号都是用一个字节表示。

huffman_compress

huffman_compress操作使用霍夫曼编码来压缩数据。首先,它扫描数据,确定每个符号出现的频率。将频率存放到数组freqs中。完成对数据的扫描后,频率得到一定程度的缩放,因此它们可以只用一个字节来表示。当确定数据中某个符号的最大出现频率,并且相应确定其他频率后,这个扫描过程结束。由于数据中没有出现的符号,应该只是频率值为0的符号,所以执行一个简单的测试来确保当任何非0频率值其缩减为小于1时,最终应该将其值设为1而不是0。

一旦计算出了所有的频率,就调用函数build_tree来建立霍夫曼树。此函数首先将数据中至少出现过一次的符号插入优先队列中(实际上是一棵二叉树)。树中的结点由数据结构HuffNode定义。此结构包含两个成员:symbol为数据中的符号(仅在叶子结点中使用);freq为频率。每棵树初始状态下只包含一个结点,此结点存储一个符号和它的缩放频率(就像在数据freqs中记录和缩放的一样)。

要建立霍夫曼树,通过优先队列用一个循环对树做size-1次合并。在每次迭代过程中,两次调用pqueue_extract来提取根结点频率最小的两棵二叉树。然后,将两棵树合并到一棵新树中,将两棵树的频率和存放到新树的根结点中,接着把新的树保存回优先级队列中。这个过程会一直持续下去,直到size-1次迭代完成,此时优先级队列中只有一棵二叉树,这就是霍夫曼树。

利用上一步建立的霍夫曼树,调用函数build_table来建立一个霍夫曼编码表,此表指明每个符号的编码。表中每个条目都是一个HuffCode结构。此结构包含3个成员:used是一个默认为1的标志位,它指示此条目是否已经存放一个代码;code是存放在条目中的霍夫曼编码;size是编码包含的位数。每个编码都是一个短整数,因为可以证明当所有的频率调整到可以用一个字节来表示时,没有编码会大于16位。

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