实验十 哈夫曼编码
一、实验目的与要求
1）掌握树、森林与二叉树的转换；
2）掌握哈夫曼树和哈夫曼编码算法的实现；
二、 实验内容
1. 请编程实现如图所示的树转化为二叉树。
2. 编程实现一个哈夫曼编码系统，系统功能包括：
(1) 字符信息统计：读取待编码的源文件SourceFile.txt，统计出现的字符及其频率。
附：SourceFile.txt文件内容为
(2) 建立哈夫曼树：根据统计结果建立哈夫曼树。
(3) 建立哈夫曼码表：利用得到的哈夫曼树，将各字符对应的编码表保存在文件Code.txt中。
(4) 对源文件进行编码：根据哈夫曼码表，将SourceFile.txt中的字符转换成相应的编码文件ResultFile.txt。
实现提示：
(1) 字符信息统计：假设源文件SourceFile.txt中的字符只有大小写英文字母（同一个字母的大小写看作一个字符），则字符统计算法的实现过程可以归纳为：先定义一个含有26个元素的整形数组，用来存储各个字母出现的次数，最后还要排除其中出现次数为0的数组元素。
(2) 建立哈夫曼树：可参考教材算法。
(3) 建立哈夫曼码表：可参考教材算法。
(4) 对源文件进行编码：依次读入文件SourceFile.txt中的字符 c，在编码表 HC 中找到此字符，将字符c转换为编码表中存放的编码串，写入编码文件ResultFile.txt中，直到所有的字符处理完毕为止。
三、实验结果
1）请将调试通过的运行结果截图粘贴在下面，并说明测试用例和运行过程。
2）请将源代码cpp文件压缩上传。
题目1：
测试用例及运行结果：
测试用例输入的树为：
树通过孩子兄弟表示法转化的二叉树为：
测试用例实验结果为：
根据最后三行输出（即二叉树的先序遍历和中序遍历，以及树的层序遍历）可知，输入的树可以转化为二叉树，且存储效果均良好。
运行过程：
首先通过主函数调用的函数顺序可知，运行过程为初始化树->通过输入创建树->preorder输出树->midorder输出树->floororder输出树->销毁树。
初始化树时，不需要做额外操作。
通过输入创建树时，主要使用队列实现。首先初始化每个结点的左孩子和右兄弟均为空，然后把当前结点加入队列。如果当前结点为根结点，则树从当前结点开始。否则，获取队列的队首结点，依次存储其左孩子和右兄弟。
preorder输出树时，通过if条件判断当前结点是否为空，然后采用根结点——左孩子——右兄弟的方法递归输出。
midorder输出树时，通过if条件判断当前结点是否为空，然后采用左孩子——根结点——右兄弟的方法递归输出。
floororder输出树时，主要通过队列输出。通过if条件判断当前结点是否为空，输出当前根结点的值，然后进行根结点排队。当队列非空时，先输出根结点e的左孩子p，再输出p的右兄弟，此时容易知道p和p的右兄弟在同一层。
销毁树时，通过if条件判断当前结点是否为空，然后采用左孩子——右兄弟——根结点的方法递归销毁，并依次将结点置为空。
实验代码：
//孩子兄弟表示法存储
#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <malloc.h>
using namespace std;
typedef int ElemType;
typedef struct CSNode{
ElemType data;
struct CSNode *firstchild,*rightsib;
}CSNode,*CSTree;
#define OK 1
#define ERROR 0
#define TRUE 1
#define FALSE 0
typedef struct QNode{
CSTree data;
struct QNode *next;
}QNode;
typedef struct LinkQueue{
QNode *front,*rear;
}LinkQueue;
//构造空队列
void InitQueue_Sq(LinkQueue &Q){
Q.front = Q.rear = NULL;
}
//判断是否为空
int QueueEmpty(const LinkQueue &Q){
return (Q.rear == NULL && Q.front == NULL);
}
//插入元素进队尾
void EnQueue_Sq(LinkQueue &Q,CSTree &e){
QNode *p=(QNode*)malloc(sizeof(QNode));
if(!p){
exit(0);
}
p->data =e;
p->next =NULL;
if (QueueEmpty(Q)){
Q.front =Q.rear =p;
}
else{
Q.rear->next =p;
Q.rear=p;
}
}
//删除元素从队头
CSTree DeQueue_Sq(LinkQueue &Q,CSTree &s){
if(QueueEmpty(Q)){
return ERROR;
}
QNode *p=Q.front ;
s=p->data;//队头存的数据
if(Q.front==Q.rear){
Q.front=Q.rear=NULL;
}
else{
Q.front =p->next;
}
free(p);
return s;
}
//取队头元素
void GetHead_Sq(LinkQueue Q,CSTree &p){
if(QueueEmpty(Q)){
exit(0);
}
p=Q.front->data ;
}
//初始化树
void InitTree_CST(CSTree &T){
}
//构造树
void CreateTree_CST(CSTree &T){
T=NULL;
LinkQueue Q;
InitQueue_Sq(Q);
ElemType parent,child;
CSTree p,q,r=new CSNode;
for(cin>>parent>>child;child!=0;cin>>parent>>child){
p=(CSTree)malloc(sizeof(CSNode));
p->data=child;
p->firstchild =p->rightsib =NULL;
EnQueue_Sq(Q,p);//append p to Q
if(parent==-1){
T=p;//root node
}
else{
GetHead_Sq(Q,q);
while(q->data != parent){
DeQueue_Sq(Q,q);
GetHead_Sq(Q,q);
}
if(!(q->firstchild )){
q->firstchild =p;
r=p;
}
else{
r->rightsib =p;
r=p;
}
}
}
}
//pre-order output
void PreOrderTraverse_CST(CSTree &T){
if(T){
cout<<T->data<<" ";
PreOrderTraverse_CST(T->firstchild );
PreOrderTraverse_CST(T->rightsib );
}
}
//mid-order output
void MidOrderTraverse_CST(CSTree &T){
if(T){
MidOrderTraverse_CST(T->firstchild );
cout<<T->data<<" ";
MidOrderTraverse_CST(T->rightsib );
}
}
//layer-order output
void FloorTraverse_CST(CSTree &T){
LinkQueue Q;
InitQueue_Sq(Q);
if(T){
cout<<T->data <<" ";
EnQueue_Sq(Q,T);//根结点排队
while(!QueueEmpty(Q)){
CSTree e,p;
e=(CSTree)malloc(sizeof(CSNode));
p=(CSTree)malloc(sizeof(CSNode));
DeQueue_Sq(Q,e);
p=e->firstchild ;
while(p){
cout<<p->data<<" ";
EnQueue_Sq(Q,p);
p=p->rightsib ;
}
}
}
}
//销毁CST
void DestroyTree_CST(CSTree &T){
if(T){
DestroyTree_CST(T->firstchild );
DestroyTree_CST(T->rightsib );
free(T);
T=NULL;
}
}
//主函数
int main(){
CSTree T;
InitTree_CST(T);
cout<<"Input tree:"<<endl;
CreateTree_CST(T);
cout<<endl<<"Preordered sequence: ";
PreOrderTraverse_CST(T);
cout<<endl<<"Midordered sequence: ";
MidOrderTraverse_CST(T);
cout<<"Floorordered sequence: ";
FloorTraverse_CST(T);
cout<<endl;
DestroyTree_CST(T);
return 0;
}
题目2
测试用例及运行结果：
测试用例1：AAABBC
运行结果截图：
SourceFile.txt内容：
Code.txt内容：
ResultFile.txt内容：
测试用例2：U ARE THE BEST IN MY HEART
运行结果截图：
SourceFile.txt内容：
Code.txt内容：
ResultFile.txt内容：
运行过程：
读取SourceFile.txt文件->统计各个字符出现的频数->基于频数构建Huffman树->基于Huffman树建立Huffman表，即Code.txt文件->基于Huffman表对SourceFile.txt文件进行编码，结果为ResultFile.txt文件。
主要通过终端提示的字母信息进行相应操作。
实验代码：
#include<stdio.h>
#include <malloc.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#define TRUE 1
#define FALSE 0
#define OK 1
#define ERROR 0
#define INFEASIBLE -1
#define OVERFLOW -2
typedef int Status;
typedef struct HTNode
{
char leaf;
unsigned int weight;
unsigned int parent, lchild, rchild;
}HTNode, *HuffmanTree;
typedef char **HuffmanCode; //动态分配数组存储哈夫曼编码表
typedef struct Node
{
char leaf;
unsigned int weight;
struct Node * next;
}LeafNode, *LeafLink;
typedef struct
{
LeafLink head;
unsigned len;
}LeafLinkList;
int min1(HuffmanTree t, int i)
{ /* 函数void select()调用 */
int j, flag;
unsigned int k = UINT_MAX; /* 取k为不小于可能的值 */
for (j = 1; j <= i; j++)
if (t[j].weight<k&&t[j].parent == 0)
k = t[j].weight, flag = j;
t[flag].parent = 1;
return flag;
}
void select(HuffmanTree t, int i, int *s1, int *s2)
{ /* s1为最小的两个值中序号小的那个 */
int j;
*s1 = min1(t, i);
*s2 = min1(t, i);
if (*s1>*s2)
{
j = *s1;
*s1 = *s2;
*s2 = j;
}
}
void HuffmanCoding(HuffmanTree &HT, HuffmanCode &HC, LeafLinkList L)
{ /* w存放n个字符的权值(权值均需大于0),构造哈夫曼树HT,并求出n个字符的哈夫曼编码HC*/
int m, i, s1, s2, start;
int n = L.len;
unsigned c, f;
LeafLink ptr;
HuffmanTree p;
char *cd;
if (n <= 1)
return;
m = 2 * n - 1;
printf("表长为%d\t哈夫曼树含节点数为%d\n", n, m);
HT = (HuffmanTree)malloc((m + 1)*sizeof(HTNode)); /* 0号单元未用 */
ptr = L.head->next;
for (p = HT + 1, i = 1; i <= n; ++i, ++p, ptr = ptr->next)
{
(*p).leaf = ptr->leaf;
printf("%d\t", (*p).leaf);
(*p).weight = ptr->weight;
printf("%d\n", (*p).weight);
(*p).parent = 0;
(*p).lchild = 0;
(*p).rchild = 0;
}
for (; i <= m; ++i, ++p)
{
(*p).parent = 0;
(*p).leaf = 0;
}
for (i = n + 1; i <= m; ++i) /* 建哈夫曼树 */
{ /* 在HT[1~i-1]中选择parent为0且weight最小的两个结点,其序号分别为s1和s2 */
select(HT, i - 1, &s1, &s2);
HT[s1].parent = HT[s2].parent = i;
HT[i].lchild = s1;
HT[i].rchild = s2;
HT[i].weight = HT[s1].weight + HT[s2].weight;
}
/* 从叶子到根逆向求每个字符的哈夫曼编码 */
HC = (HuffmanCode)malloc((n + 1)*sizeof(char*));
/* 分配n个字符编码的头指针向量([0]不用) */
cd = (char*)malloc(n*sizeof(char)); /* 分配求编码的工作空间 */
cd[n - 1] = '\0'; /* 编码结束符 */
for (i = 1; i <= n; i++)
{ /* 逐个字符求哈夫曼编码 */
start = n - 1; /* 编码结束符位置 */
for (c = i, f = HT[i].parent; f != 0; c = f, f = HT[f].parent)
/* 从叶子到根逆向求编码 */
if (HT[f].lchild == c)
cd[--start] = '0';
else
cd[--start] = '1';
HC[i] = (char*)malloc((n - start)*sizeof(char));
/* 为第i个字符编码分配空间 */
strcpy(HC[i], &cd[start]); /* 从cd复制编码(串)到HC */
}
free(cd); /* 释放工作空间 */
for (i = 1; i <= n; i++)
{
printf("%c编码为%s:\n", HT[i].leaf, HC[i]);
}
}
void InitLeafList(LeafLinkList &L)
{
L.head = (LeafLink)malloc(sizeof(LeafLink));
L.head->next = NULL;
L.len = 0;
}
void PrintList(LeafLinkList L)
{
LeafLink p;
p = L.head->next;
printf("打印链表\n");
printf("表长为%d\n", L.len);
while (p != NULL)
{
printf("%c or %d,%u\t", p->leaf, p->leaf, p->weight);
printf("打印一个节点\n");
p = p->next;
}
printf("打印结束\n");
printf("\n");
}
void EnLeafList(LeafLinkList &L, char ch)
{
LeafLink p, pre, temp;
int flag = 0;
pre = p = L.head;
printf("%d即为%c******\n\n", ch, ch);
if (p->next == NULL) //p->next=NULL则为第一次插入操作
{
printf("第一次插入\n");
temp = (LeafLink)malloc(sizeof(LeafNode));
temp->leaf = ch;
temp->weight = 1;
temp->next = NULL;
p->next = temp;
L.len++;
}
else
{
p = p->next;
while (p != NULL)
{
if (ch == p->leaf)
{
p->weight++;
printf("加权\n");
p = NULL;
flag = 1;
} //权重加一
else if (ch<p->leaf) //插入
{
printf("插入A\n");
temp = (LeafLink)malloc(sizeof(LeafNode));
temp->leaf = ch;
temp->weight = 1;
temp->next = p;
pre->next = temp;
L.len++;
flag = 1;
p = NULL;
}
else //继续寻找插入点
{
pre = p;
p = p->next;
}
}
if (p == NULL&&flag != 1) //若p=NULL则插到链尾
{
printf("插入B\n");
temp = (LeafLink)malloc(sizeof(LeafNode));
temp->leaf = ch;
temp->weight = 1;
temp->next = NULL;
pre->next = temp;
L.len++;
}
}
}
void EnCoding()
{
FILE *fp, *fr, *fc;
HuffmanTree HT;
HuffmanCode HC;
int i, n;
LeafLinkList L;
InitLeafList(L);
char filename[15];
char ch;
printf("请输入文件名:\n ");
scanf("%s", filename);
if (!(fp = fopen(filename, "r")))
{
printf("打开文件失败，请输入正确的文件名!! ");
exit(0);
}
ch = getchar(); //接收执行scanf语句时最后输入的回车符
printf("文件已经打开\n");
while (!feof(fp))
{
ch = fgetc(fp);
if (ch == -1)
{
printf("结束统计\n");
}
else
{
EnLeafList(L, ch);
}
}
PrintList(L);
HuffmanCoding(HT, HC, L);
n = L.len;
for (i = 1; i <= n; i++)
{
puts(HC[i]);
}
char TreeName[15];
printf("把哈夫曼树存入文件，请输入文件名:\n ");
scanf("%s", TreeName);
if (!(fr = fopen(TreeName, "wb")))
{
printf("打开文件失败，请输入正确的文件名!! ");
exit(0);
}
ch = getchar(); //接收执行scanf语句时最后输入的回车符
printf("文件已经打开\n");
//把哈夫曼树存入文件
printf("%d\n", n);
printf("把树的长度先存入\n");
_putw(n, fr); //把树的长度先存入
for (i = 1; i <= 2 * n - 1; i++)
if (fwrite(&HT[i], sizeof(struct HTNode), 1, fr) != 1)
printf("文件写入出错\n");
fclose(fr);
printf("打印原来的树\n");
for (i = 1; i <= 2 * n - 1; i++)
printf("%c %u %u %u %u\n", HT[i].leaf, HT[i].weight, HT[i].parent, HT[i].lchild, HT[i].rchild);
fclose(fr);
printf("把编码结果存入文件，请输入文件名:\n ");
char CodeFileName[15];
scanf("%s", CodeFileName);
if (!(fc = fopen(CodeFileName, "wb")))
{
printf("打开文件失败，请输入正确的文件名!! ");
exit(0);
}
ch = getchar(); //接收执行scanf语句时最后输入的回车符
printf("待编码的文件位置指针重新指向开始位置\n");
printf("对待编码文件进行编码，编码同步显示，并将结果存入指定的文件\n");
rewind(fp);
while (!feof(fp))
{
ch = fgetc(fp);
printf("%c\n", ch);
if (ch == -1)
{
printf("结束编码\n");
}
else
{
for (int tap = 0, i = 1; tap == 0 && i <= n;) //查找，该叶子对应的编码串
{
if (ch == HT[i].leaf) //找到，打印出对应的编码，并存入文件
{
printf("%s\n", HC[i]);
fputs(HC[i], fc); //将编码字符串存入文件
tap = 1;
}
else
{
i++;
}
}
}
}
fclose(fp); //关闭文件
fclose(fc); //关闭文件
}
int decode(FILE *fc, HuffmanTree HT, int n)
{
while (!feof(fc))
{
char ch = fgetc(fc);
if (ch == '0')
{
n = HT[n].lchild;
if (HT[n].leaf != 0)
{
printf("%c", HT[n].leaf);
return OK;
}
else
{
decode(fc, HT, n);
return OK;
}
}
else if (ch == '1')
{
n = HT[n].rchild;
if (HT[n].leaf != 0)
{
printf("%c", HT[n].leaf);
return OK;
}
else
{
decode(fc, HT, n);
return OK;
}
}
else return OK;
}
return ERROR;
}
//解码文件
void Decoding()
{
FILE *fc, *fr;
char CodeFileName[15], ch, TreeName[15];
int i;
printf("解码文件，请输入文件名(如*.dat):\n ");
scanf("%s", CodeFileName);
if (!(fc = fopen(CodeFileName, "r")))
{
printf("打开文件失败，请输入正确的文件名!! ");
exit(0);
}
ch = getchar(); //接收执行scanf语句时最后输入的回车符
printf("存放编码结果文件已经打开\n");
//读入哈夫曼树
HuffmanTree HT;
printf("取出对应的哈夫曼树文件，请输入文件名,\n");
scanf("%s", TreeName);
if (!(fr = fopen(TreeName, "rb"))) //打开存放哈夫曼树的文件
{
printf("打开文件失败，请输入正确的文件名!! ");
exit(0);
}
int n = _getw(fr); //将叶子数目取出
printf("叶子数目%d\n", n);
HT = (HuffmanTree)malloc((2 * n)*sizeof(HTNode)); /* 然后分配空间，0号单元未用 */
for (i = 1; i <= 2 * n - 1; i++)
if (fread(&HT[i], sizeof(struct HTNode), 1, fr) != 1)
printf("文件读出出错\n");
int length = 2 * n - 1; //总长度
printf("总结点数目为：%d\n", n);
printf("该文件译码后得到的源文件为：\n");
printf("**************************************\n");
while (!feof(fc))
{
decode(fc, HT, length);
}
printf("**************************************\n");
printf("\n\n");
}
int PreOrderPrint(HuffmanTree HT, int n, int count)
{
if (HT[n].lchild)
{
for (int i = 0; i<count; i++)
printf(" ");
printf("%u\n", HT[n].weight);
if (PreOrderPrint(HT, HT[n].lchild, ++count))
if (PreOrderPrint(HT, HT[n].rchild, ++count))
return OK;
return ERROR;
}
else return OK;
}
void PrintTree()
{
//读入哈夫曼树
FILE *fr;
char TreeName[15];
HuffmanTree HT;
printf("取出对应的哈夫曼树文件(如*.dat)，请输入文件名,\n");
scanf("%s", TreeName);
if (!(fr = fopen(TreeName, "rb"))) //打开存放哈夫曼树的文件
{
printf("打开文件失败，请输入正确的文件名!! ");
exit(0);
}
int n = _getw(fr); //将叶子数目取出
printf("含叶子数%d\n", n);
HT = (HuffmanTree)malloc((2 * n)*sizeof(HTNode)); /* 然后分配空间，0号单元未用 */
for (int i = 1; i <= 2 * n - 1; i++)
if (fread(&HT[i], sizeof(struct HTNode), 1, fr) != 1)
printf("文件读出出错\n");
int count = 0;
n = 2 * n - 1;
printf("总结点数目为；%d\n", n);
printf("哈夫曼树的存储形式为：\n");
for (int i = 1; i <= n; i++)
{
printf("%c,%u,%u,%u,%u\n", HT[i].leaf, HT[i].weight, HT[i].parent, HT[i].lchild, HT[i].rchild);
}
printf("哈夫曼树的凹入表形式为：\n");
PreOrderPrint(HT, n, count);
}
void PrintCodeFile()
{
FILE *fc;
printf("打印编码后的文件，请输入文件名(如*.dat):\n ");
char CodeFileName[15];
scanf("%s", CodeFileName);
if (!(fc = fopen(CodeFileName, "r")))
{
printf("打开文件失败，请输入正确的文件名!! ");
exit(0);
}
char ch = getchar(); //接收执行scanf语句时最后输入的回车符
printf("打印编码后的文件，打印方法一\n");
int flag = 1;
while (!feof(fc))
{
ch = fgetc(fc);
if (ch == -1)
{
printf("结束打印\n");
}
else
{
printf("%c", ch);
if (flag <= 49)
flag++;
else
{
flag = 1;
printf("\n");
}
}
}
printf("打印编码后的文件，打印方法二\n");
rewind(fc);
char str[50];
while (!feof(fc))
{
fgets(str, 51, fc);
puts(str);
}
fclose(fc); //关闭文件
}
//系统初始化
void Initialization()
{
printf("**************************************\n");
printf("*编码文件请输入e\n*译码文件请输入d\n*打印编码后的文件请输入p\n*打印哈夫曼树请输入t\n*结束请输入q \n");
printf("**************************************\n");
printf("\n\n\t\t字符:\n\n\n");
printf("**************************************\n");
printf("* 输入一个字符:e,d,p,t or q *\n");
printf("**************************************\n");
}
int read(char cmd)
{
int i, flag = 0;
char choice[10] = { 'e', 'E', 'd', 'D', 'p', 'P', 'T', 't', 'Q', 'q' };
for (i = 0; i<10; i++){
if (cmd == choice[i]) flag++;
}
if (flag == 1) return FALSE;
else return TRUE;
}
// 读入操作命令符
void ReadCommand(char &cmd)
{
do{
cmd = getchar();
} while (read(cmd));
}
//解释执行操作命令
void Interpret(char cmd)
{
switch (cmd)
{
case 'e':
case'E':
EnCoding();
Initialization();
break;
case 'd':
case'D':
Decoding();
Initialization();
break;
case 'p':
case'P':
PrintCodeFile();
Initialization();
break;
case't':
case'T':
PrintTree();
Initialization();
break;
case 'q':
case'Q':
exit(0);
break;
default:
printf("Error\n");
break;
}
}
//主程序
int main()
{
char cmd;
Initialization(); //初始化
do{
ReadCommand(cmd); //读入一个操作命令符
Interpret(cmd); //解释执行操作命令符
}while(cmd != 'q'&&cmd != 'Q');
EnCoding();
Decoding();
return 0;
}
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