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数据结构与算法（C语言版）—哈夫曼编译码器

乘风 • • IT • 阅读 51

1、需求分析

1.1、问题阐述

利用哈夫曼编码进行通信可以大大提高信道利用率,缩短信息传输时间，降低传输成本。但是,这要求在发送端通过一个编码系统对待传数据预先编码,在接收端将传来的数据进行译码(复原)。对于双工信道(即可以双向传输信息的信道) ,每端都需要一个完整的编/译码系统。试为这样的信息收发站写一个哈夫曼码的编/译码系统。

1.2、基本要求

一个完整的系统应具有以下功能;

(1) I:初始化(Initialization)。从终端读入字符集大小n,以及n个字符和n个权值，建立哈夫曼树,并将它存于文件hfmTree中。

(2) E:编码(Encoding).利用以建好的哈夫曼树(如不在内存,则从文件hfm’Tree中读入) ,对文件ToBeTran中的正文进行编码,然后将结果存入文件CodeFile中。

(3)D:译码(Decoding)。利用已建好的哈夫曼树将文件CodeFile中的代码进行译码,结果存入文件TextFile中。

(4) P:印代码文件(Print)。将文件CodeFile以紧凑格式显示在终端上.每行50个代码。同时将此字符形式的编码文件写入文件CodePrin中。

(5) T:印哈夫曼树(Tree printing) 。将已在内存中的哈夫曼树以直观的方式(树或凹入表形式)显示在终端上,同时将此字符形式的哈夫曼树写入文件TreePrint中。

1.3、测试数据

（1）利用教科书例6-2的数据测试程序：

（2）用下表给出的字符集和权重建立哈夫曼树，并实现以下报文的编码和译码：“THIS PROGRAM IS MY FAVORITE”。

字符

空格

A

B

C

D

E

F

G

H

频度

186

64

13

22

32

103

21

15

47

字符

I

J

K

L

M

N

O

P

Q

频度

57

1

5

32

20

57

63

15

1

字符

R

S

T

U

V

W

X

Y

Z

频度

48

51

80

23

8

18

1

16

1

2、设计概要

利用数组开到2*n-1的内存来存储哈夫曼树，然后利用文件流的操作读取、保存文件来实现各个功能。

3、详细设计

  1. 对于I初始化操作，从终端读取字符集大小n和n个字符，n个权值，然后开数组2*n-1，遍历n到2*n-1 ，每次查询数组0-N中没有双亲的结点的最小和次小结点作为该结点的左、右子节点。以此建立哈夫曼树，然后将哈夫曼树的各个数据存储进hfmTree.txt文件中。
  2. 对于E编码操作，利用建立好的哈夫曼树，首先进行各个字符的二进制码的编写，代码中利用了递归的算法，每次都对结点进行二进制编码赋值，然后递归左子树加个“0”，右子树则加个“1”，这样便生成了每个结点的二进制编码串了，然后读入文件ToBETran.txt文件中的数据，遍历数据中每一个字符，对每个字符代表的二进制编码存进Code File.txt文件中，便成功完成了编码。
  3. 对于D 译码操作，读取Code File.txt文件中的数据，定义一个pi=2*n-2（代表根节点），然后遍历数据，如果该数据为‘0’，则pi = hfmtree[pi].lchild,等于它的左子树的结点，否则pi 就等于它的右子树的结点，如果此时pi刚好为叶子节点，那么可以直接输出pi结点代表的字符，同时将pi再次赋值为2*n-2。最后便完成了所有数据的译码，并且存储进TextFile.txt文件。
  4. 对于P印代码文件操作，首先读取出CodeFile文件中的数据，然后以每行50个输出，代码设置了一个pi=1，在循环中pi与一直加1，如果pi%50==0就输出u按行符，并且将换行好的数据存放进CodePrin.txt文件中。
  5. 对于T打印哈夫曼树操作，我们利用了二位字符数组存放字符，首先全部赋值为空格，其次利用前序遍历哈夫曼树，将结点用‘o’存进二维数组中，最终我们可以以直观的形似看到这棵树，然后再输出它的前序遍历结果即可。

4、用户手册

输入I、E、D、P、T、Q进行不同的操作。

5、测试数据

①对测试数据（1）的测试结果：

1.当输入I时会初始化输入字符集和频率并建立哈夫曼树，同时将哈夫曼树的数据保存进hfmTree.txt文件中。（代码会自动将频度换成权重）

2.输入E时，会创建二进制哈夫曼编码，并且从ToBetran文件中读取的正文进行编码，然后将编码存放于CodeFile文件。（测试的ToBetran文件为：“ABBCAAEFGH”）。结果完全正确！

 

3.当输入D时，会对CodeFile文件中的二进制编码进行译码，译码后，将结果存进TextFile文件中。如图，译码的结果和我们文件中的样例完全一致，说明结果正确！ 

4.当输入P时，进行打印编码操作，将CodeFile文件中的数据以50一行在终端进行显示，然后存储进CodePrin文件，结果以50一行输出在终端，并且已经存进了CodeFile文件中，结果正确！

5.当输入T时，系统会打印哈夫曼树：这里以‘o’作为结点，更加的美观，便于观看，同时输出它的前序遍历结果。如图：结果正确。

6.当输入Q时，直接退出：

②对测试数据（2）的测试结果：

1.当输入I时会初始化并建立哈夫曼树，同时将哈夫曼树的数据保存进hfmTree.txt文件中。

 

2.输入E时，会创建二进制哈夫曼编码，并且从ToBetran文件中读取的正文进行编码，然后将编码存放于CodeFile文件。（测试样例提供的ToBetran文件为：“THIS PROGRAM IS MY FAVORITE”）。结果完全正确！

3.当输入D时，会对CodeFile文件中的二进制编码进行译码，译码后，将结果存进TextFile文件中。如图，译码的结果和我们文件中的样例完全一致，说明结果正确。

4.当输入P时，进行打印编码操作，将CodeFile文件中的数据以50一行在终端进行显示，然后存储进CodePrin文件，结果以50一行输出在终端，并且已经存进了CodeFile文件中，结果正确！

5.当输入T时，系统会打印哈夫曼树：这里以‘o’作为结点，更加的美观，便于观看，同时输出它的前序遍历结果。由于数据过多，打印出来在终端自动换行了，所以利用小的数据进行对打印操作的测试，利用（A B C D E）权重为：（3 2 4 5 7）；如图：结果正确。

6.当输入Q时，直接退出：

  • 附录

源程序文件名清单：

CodeFile.txt

CodePrin.txt

hfmTree.txt

TextFile.txt

ToBetran.txt
哈夫曼编译码器.cpp
哈夫曼编译码器.exe

 5、源代码

//
// Created by stu_kk on 2022/4/16.
//
#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;
int n = 0;
char word[10001];//
int wei[10001];//权重
typedef struct HuffmanTree{
    char pi;
    int weight;
    int parent,lchild,rchild;
}Tree;
string code[10000];
//初始化操作
Tree *hftree;
void crearteTree(int n){
    hftree= (Tree*) malloc(sizeof(Tree)*(2*n-1));
    for(int i = 0;i<n;i++){
        hftree[i].pi = word[i];
        hftree[i].weight = wei[i];
        hftree[i].parent = hftree[i].lchild = hftree[i].rchild = -1;
    }
    for(int i = n;i<2*n-1;i++){
        hftree[i].parent = -1;
        hftree[i].pi = '$';
        int min = 1000000;//最小
        int cmin = 1000000;//次小
        int mpi = -1;
        int cmpi = -1;
        for(int j = 0;j<i;j++){
            if(hftree[j].parent == -1) {
                if (hftree[j].weight < min) {
                    if(min < cmin){
                        cmin = min;
                        cmpi = mpi;
                    }
                    min = hftree[j].weight;
                    mpi = j;
                }
                else {
                    if (hftree[j].weight < cmin) {
                        cmin = hftree[j].weight;
                        cmpi = j;
                    }
                }
            }
        }
        hftree[i].weight = cmin+min;
        hftree[i].lchild = mpi;
        hftree[i].rchild = cmpi;
        hftree[mpi].parent = i;
        hftree[cmpi].parent = i;
    }
}
void Init(){
    cout<<"输入的是（1.权重）还是（2.字符出现频率）"<<endl;
    int is1;
    cin>>is1;
    if(is1 == 1){
        cout<<"输入字符集大小:";
        cin>>n;
        cout<<"输入"<<n<<"个字符集:（如果输入的是空格，请用'.'表示）";
        for(int i = 0;i<n;i++){
            cin>>word[i];
        }
        cout<<"输入"<<n<<"个字符集的权重:";
        for(int i = 0;i<n;i++){
            cin>>wei[i];
        }
    }
    else{
        cout<<"输入字符集大小:";
        cin>>n;
        cout<<"输入"<<n<<"个字符集:（如果输入的是空格，请用'.'表示）";
        for(int i = 0;i<n;i++){
            cin>>word[i];
        }
        cout<<"输入"<<n<<"个字符集的出现频率:";
        for(int i = 0;i<n;i++){
            double as;
            cin>>as;
            wei[i] = as * 100;
        }
    };
    cout<<"输入数据成功，正在创建哈夫曼树......."<<endl;
    crearteTree(n);
    cout<<"创建哈夫曼树成功，下面输出该哈夫曼树的参数。"<<endl;
    cout<<"结点i"<<"\t字符"<<"\t权值"<<"\t双亲"<<"\t左孩子"<<"\t右孩子"<<endl;
    for(int i = 0;i<2*n-1;i++){
        cout<<i<<"\t"<<hftree[i].pi<<"\t"<<hftree[i].weight<<"\t"<<hftree[i].parent<<"\t"<<hftree[i].lchild<<"\t"<<hftree[i].rchild<<endl;
    }
    FILE *fp;
    if((fp = fopen("hfmTree.txt","w")) == NULL){
        cout<<"打开文件失败"<<endl;
    }
    //数据存进hfmTree.txt文件
    for(int i = 0;i<2*n-1;i++){
        fprintf(fp,"%d ",i);
        fwrite(&word[i],1,1,fp);
        fprintf(fp," %d ",hftree[i].weight);
        fprintf(fp,"%d ",hftree[i].parent);
        fprintf(fp,"%d ",hftree[i].lchild);
        fprintf(fp,"%d ",hftree[i].rchild);
    }
    fclose(fp);
    cout<<"哈夫曼树创建成功并且存入文件hfmTree.txt中了！！！"<<endl;
}
//初始化操作


//EEEEEEEEEEEEEEE编码编码
void bianma(Tree *tree,int pi,string s){//递归编码
    code[tree[pi].pi] = s;
    if(tree[pi].lchild != -1)
        bianma(tree,tree[pi].lchild,s+"0");
    if(tree[pi].rchild != -1)
        bianma(tree,tree[pi].rchild,s+"1");
}
void E(){//编码
    bianma(hftree,2*n-2,"");
    cout<<"二进制码生成成功，编码结果为:"<<endl;
    cout<<"结点i"<<"\t字符"<<"\t权值"<<"\t编码"<<endl;
    for(int i = 0;i<n;i++){
        cout<<i<<"\t"<<hftree[i].pi<<"\t"<<hftree[i].weight<<"\t"<<code[hftree[i].pi]<<endl;
    }
    cout<<"接下来读取ToBetran文件的正文并且进行编码:"<<endl;
    FILE *fp = fopen("ToBetran.txt","r");
    char mp[1001];
    int po = 0;
    while(1){
        char di = fgetc(fp);
        if(di == EOF)
            break;
        mp[po++] = di;
    }
    fclose(fp);
    string s = mp;
    cout<<mp<<"的编码为: ";
    string ans = "";
    for(int i = 0;i<po;i++){
        if(mp[i]==' '){
            mp[i] = '.';
        }
        cout<<code[mp[i]];
        ans += code[mp[i]];
    }
    cout<<endl;
    cout<<"将编好的码存进CodeFile.txt中"<<endl;
    FILE *p = fopen("CodeFile.txt","w");
    char nnp[ans.length()];
    for(int i = 0;i<ans.length();i++){
        nnp[i] = ans[i];
    }
    fwrite(nnp,sizeof(nnp),1,p);
    fclose(p);
    cout<<"编好的码存进CodeFile.txt成功!!!"<<endl;
}
//EEEEEEEEEE编码编码



void Menu(){
    cout<<"---------------哈夫曼编码器/译码器----------------"<<endl;
    cout<<"   I:初始化并创建哈夫曼树        E:编码           "<<endl;
    cout<<"   D:对二进制码进行译码         P:打印编码        "<<endl;
    cout<<"   T:哈夫曼树                  Q:退出            "<<endl;
    cout<<"-----------------------------------------------"<<endl;
}
void D(){
    cout<<"先将CodeFile文件中的二进制编码取出:"<<endl;
    FILE *p = fopen("CodeFile.txt","r");
    char ch[10001] ;
    int po = 0;
    while(true){
        char as = fgetc(p);
        if(as == EOF)
            break;
        ch[po++] = as;
    }
    cout<<"CodeFile文件中的二进制编码为:"<<ch<<endl;
    cout<<"接着对二进制编码进行翻译:"<<endl;
    cout<<ch<<"的翻译结果为:";
    int pi = 2*n-2;
    string ans = "";
    for(int i  =0;i < po;i++){
        if(ch[i] == '0'){
            pi = hftree[pi].lchild;
        }
        else{
            pi = hftree[pi].rchild;
        }
        if(hftree[pi].lchild == -1 && hftree[pi].rchild == -1){
            if(hftree[pi].pi == '.'){
                ans+=' ';
            }
            else
               ans+=hftree[pi].pi;
            pi = 2*n-2;
        }
    }
    cout<<ans<<endl;
    cout<<"将其存进TextFile文件中"<<endl;
    FILE *fp = fopen("TextFile.txt","w");
    for(int i = 0;i<ans.length();i++)
    fprintf(fp,"%c",ans[i]);
    fclose(fp);
    cout<<"数据存进TextFile文件成功！"<<endl;
}
//DDDDDDDDDDD

//PPPPPPP
void P(){
    cout<<"将CodeFile文件中的数据以50一行在终端进行显示，然后存储进CodePrin文件:"<<endl;
    FILE *cf = fopen("CodeFile.txt","r");
    FILE *cp = fopen("CodePrin.txt","w");
    char temp;
    fscanf(cf,"%c",&temp);
    for(int i = 1;!feof(cf);i++){
        cout<<temp;
        fputc(temp,cp);
        fscanf(cf,"%c",&temp);
        if(i%50 == 0) {
            cout << endl;
            fputc('\n',cp);
        }
    }
    cout<<endl;
    cout<<"存储进CodePrin文件成功！"<<endl;
}
//PPPPPP

//TTTTTTTT
char mp[151][151];
void prin(int l,int r,int num,int ceng){
    mp[l][r] = hftree[num].weight;
    if(hftree[num].lchild !=-1){
        prin(l+1,r - (ceng - l - 1),hftree[num].lchild,ceng);
    }
    if(hftree[num].rchild !=-1){
        prin(l+1,r + (ceng - l - 1),hftree[num].rchild,ceng);
    }
}
int findchenshu(int pi){//递归计算层数
    if(pi == -1){
        return 0;
    }
    int lnum = findchenshu(hftree[pi].lchild) + 1;
    int rnum = findchenshu(hftree[pi].rchild) + 1;
    return max(lnum,rnum);
}
void out(int pi){
    if(pi == -1){
        return ;
    }
    cout<<hftree[pi].pi<<"\t"<<hftree[pi].weight<<endl;
    out(hftree[pi].lchild);
    out(hftree[pi].rchild);
}
void T(){
    cout<<"打印哈夫曼树："<<endl;
    int num = 2*n-2;
    memset(mp,' ',sizeof(mp));//先都存为空格
    int cengshu = findchenshu(2*n-2);//计算层数
    cout<<"测试：层数为:"<<cengshu<<endl;
    int zhongjian = 1;
    for(int i = 1;i<=cengshu;i++){
        zhongjian *= 2;
    }
    zhongjian--;
    prin(0,zhongjian/2,num,cengshu);
    for(int i = 0;i<zhongjian;i++){
        bool is = true;
        for(int j = 0;j<zhongjian;j++){
            if(mp[i][j] == ' '){
                cout<<mp[i][j];
            }
            else{
                is = false;
                cout<<'o';
            }
        }
        cout<<endl;
        if(is){
            break;
        }
    }
    cout<<"输出成功,其中，该树的先序遍历为:"<<endl;
    cout<<"字符"<<"\t"<<"权重"<<endl;
    out(2*n-2);
    cout<<"哈夫曼树打印完毕"<<endl;
}
//TTTTTTTTT
int main(){
    while(true){
        char choose;//选择什么操作
        Menu();//显示菜单
        cout<<"请输入你想要进行的操作"<<endl;
        cin>>choose;
        switch (choose) {
            case 'I':
                Init();
                break;
            case 'E'://c创建二进制哈夫曼编码，并且从ToBetran文件中读取的正文进行编码，然后存放于CodeFile文件
                E();
                break;
            case 'D'://对CodeFile文件中的二进制编码进行译码。
                D();
                break;
            case 'P':
                P();//将CodeFile文件中的数据以50一行在终端进行显示，然后存储进CodePrin文件
                break;
            case 'T':
                T();//打印哈夫曼树
                break;
            case 'Q':
                exit(0);
            default:
                break;
        }
    }
    return 0;
}

其中，一些文件为：

ToBetran.txt文本中的数据为：

THIS PROGRAM IS MY FAVORITE

三个月前写的了，如果有问题的话，就直接联系我要一些文件。 

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