数据结构课程设计-（三）哈夫曼编码器

蔚落 2022-12-28 06:22 117阅读 0赞

哈夫曼编/译码器  
任务：建立最优二叉树函数。  
要求：可以建立函数输入二叉树，并输出其哈夫曼树。  
在上交资料中请写明：存储结构、基本算法（可以使用程序流程图）、输入输出、源程序、测试数据和结果、算法的时间复杂度、另外可以提出算法的改进方法；  
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。  
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）。利用已建好的哈夫曼树（如不在内存，则从文件hfmTree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。

huffman树的数据结构定义如下：

typedef struct
    {
        
        int weight;
        int lchild,rchild,parent;
    } HTNode,*HuffmanTree;

（一）哈夫曼树的建立  
1.从所给数据中选择两个最小的值

void Select(HuffmanTree HT,int n,int &s1,int &s2)
    {
        
        int i=1;
        while(HT[i].parent!=0&&i<=n)//找到一个还没连接的，即parent=0；
            i++;
        if(i==n+1)
            return ;
        s1=i;
        i++;
        while(HT[i].parent!=0&&i<=n)//同上
            i++;
        if(i==n+1)
            return ;
        s2=i;
        i++;
        if(HT[s1].weight>HT[s2].weight)//让s1比s2小
            swap(s1,s2);
        for(; i<=n; i++)
        {
        
            if(HT[i].parent==0)
            {
        
                if(HT[i].weight<HT[s1].weight)
                    s2=s1,s1=i;
                else if(HT[i].weight<HT[s2].weight)
                    s2=i;
            }
        }
        return ;
    }

2.根据输入的字符和权值建立哈夫曼树

void CreatHuffmanTree(HuffmanTree &HT,int n)
    {
        
        if(n<=1)
            return ;
        int m=2*n-1;//树共有2n-1个节点
        HT=(HuffmanTree)malloc(sizeof(HTNode)*(m+1));//从1开始多申请一个
        for(int i=1; i<=m; i++)//初始化
        {
        
            HT[i].lchild=0;
            HT[i].parent=0;
            HT[i].rchild=0;
            HT[i].weight=0;
        }
        for(int i=1; i<=n; i++)
            cin>>HT[i].weight;
        int s1,s2;
        for(int i=n+1; i<=m; i++)//后n-1个节点的创建
        {
        
            Select(HT,i-1,s1,s2);//新节点的权值为两个最小的权值和
            HT[s1].parent=i;
            HT[s2].parent=i;
            HT[i].lchild=s1;
            HT[i].rchild=s2;
            HT[i].weight=HT[s1].weight+HT[s2].weight;
        }
        return ;
    }

（二）根据哈夫曼树对字符进行编码

void CreatHuffmanCode(HuffmanTree &HT,char ** &HC,int n)
    {
        
        char *col;
        HC=(char **)malloc(sizeof(char *)*(n+1));
        col=(char *)malloc(sizeof(char)*n);//存储每个编码的临时空间
        col[n-1]='\0';
        //为什么是n-1,n个节点创建的哈夫曼树高为n-1
        //路径条数为n-2，最长的只有n-2个数字。
        for(int i=1; i<=n; i++)
        {
        
            int str=n-1;
            int p=i,f=i;
            while(HT[f].parent!=0)//从叶向上寻找
            {
        
                f=HT[f].parent;
                if(HT[f].lchild==p)
                    col[--str]='0';
                else if(HT[f].rchild==p)
                    col[--str]='1';
                p=f;
            }
            HC[i]=(char *)malloc(sizeof(char)*(n-str));    //为第i个字符编码分配空间
            strcpy(HC[i],&col[str]);//复制到编码中
        }
        free(col);
        return ;
    }

（三）翻译文件中的码

void TransCode(HuffmanTree HT,char b[],char a[],char c[],int n)
    {
        
        //b数组是要翻译的二进制编码
        //a数组是叶子对应的字符
        //c数组存储翻译得到的内容
        FILE *fw;
        int q=2*n-1;   //初始化为根结点的下标
        int k=0;
        int len=strlen(b);
        if((fw=fopen("textfile.txt","w"))==NULL)
            cout<<"Open file error!"<<endl;
        for(int i=0; i<len; i++)
        {
        
            if(b[i]=='0')
                q=HT[q].lchild;
            else if(b[i]=='1')
                q=HT[q].rchild;
            if(HT[q].lchild==0&&HT[q].rchild==0)//叶子节点，此时可译
            {
        
                c[k++]=a[q];
                fputc(a[q],fw);
                q=2*n-1;
            }
            c[k]='\0';
        }
        return ;
    }

（四）对文件中的字符进行编码

void Coding(HuffmanTree &HT,char ** &HC,int n,char a[])
    {
        
        FILE *fp,*fw;
        char c;
        int k;
        if((fp=fopen("tobetran.txt","r"))==NULL)
            cout<<"Open file error!"<<endl;
        if((fw=fopen("codefile.txt","w"))==NULL)
            cout<<"Open file error!"<<endl;
        fscanf(fp,"%c",&c);//从文件中读取一个字符
        while(!feof(fp))
        {
        
            for(int i=1; i<=n; i++)
                if(a[i]==c)//找到对应的编码
                {
        
                    k=i;
                    break;
                }
            for(int i=0; HC[k][i]!='\0'; i++)//输出该字符编码
                fputc(HC[k][i],fw);
            fscanf(fp,"%c",&c);//继续下一个
        }
        fclose(fp);
        fclose(fw);
        return ;
    }

（五）打印编码

void printf_code()
    {
        
        FILE *fp,*fw;
        char temp;
        if((fp=fopen("codefile.txt","r"))==NULL)
            cout<<"error"<<endl;
        if((fw=fopen("codeprin.txt","w"))==NULL)
            cout<<"error"<<endl;
        cout<<"codefile.txt："<<endl;
        fscanf(fp,"%c",&temp);
        for(int i=1;!feof(fp);i++)
        {
        
            printf("%c",temp);
            if(i%50==0)//50个一换行
                cout<<endl;
            fputc(temp,fw);//再写到codeprint文件中
            fscanf(fp,"%c",&temp);
        }
        cout<<endl;
        cout<<"编码已存入文件codeprin.txt"<<endl;
        fclose(fp);
        fclose(fw);
    }

（六）打印哈夫曼树  
（1）生成空格

void co_tree(unsigned char T[100][100],int s,int *m,int j,HuffmanTree HT)
    {
        
        int k,l;
        l=++(*m);
        for(k=0;k<s;k++)//深度越深，前面空格越多
            T[l][k]=' ';
        T[l][k]=HT[j].weight;
        if(HT[j].lchild)
            co_tree(T,s+1,m,HT[j].lchild,HT);
        if(HT[j].rchild)
            co_tree(T,s+1,m,HT[j].rchild,HT);
        T[l][++k]='\0';
        return ;
    }

（2）打印哈夫曼树

void printf_tree(int num,HuffmanTree HT)
    {
        
        unsigned char T[100][100];
        FILE *fp;
        int m=0;
        co_tree(T,0,&m,2*num-1,HT);
        if((fp=fopen("treeprin.txt","w"))==NULL)
            cout<<"Open file error!"<<endl;
        for(int i=1;i<=2*num-1;i++)
        {
        
            for(int j=0;T[i][j]!='\0';j++)
            {
        
                if(T[i][j]==' ')//空格
                   printf(" "),fputc(T[i][j],fp);
                else//字符
                   printf("%u",T[i][j]),fprintf(fp,"%u",T[i][j]);
            }
             cout<<endl;
             fputc(10,fp);
        }
        fclose(fp);
        return ;
    }

主函数部分：

int main()
    {
        
        char a[100]; //存储要编码的所有字符
        char b[400];  //存储要翻译的二进制编码
        char c[100]; //存储翻译出来的结果
        HuffmanTree HT=NULL;
        char ** HC;
        while(1)
        {
        
            char s1[]= {
        "结点"},s2[]= {
        "字符"},s3[]= {
        "权值"},s4[]= {
        "双亲"},s5[]= {
        "左孩子"},s6[]= {
        "右孩子"};
            int flag=1,choose,num,cc=0;
            menu();
            char temp;
            cout<<"选择操作:";
            cin>>choose;
            switch(choose)
            {
        
            case 1:
                cout<<"输入字符个数：";
                cin>>num;
                cout<<"依次输入"<<num<<"个字符:";
                for(int i=1; i<=num; i++)
                    cin>>a[i];
                cout<<"依次输入"<<num<<"个字符的权值:";
                CreatHuffmanTree(HT,num);
                //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=1; i<=num*2-1; i++)
                    //cout<<i<<"\t"<<a[i]<<"\t"<<HT[i].weight<<"\t"<<HT[i].parent<<"\t"<<HT[i].lchild<<"\t"<<HT[i].rchild<<endl;
                FILE *fp;
                if((fp=fopen("hfmtree.txt","w"))==NULL)
                    cout<<"error"<<endl;
                fwrite(&s1,sizeof(s1),1,fp);fwrite(&s2,sizeof(s2),1,fp);fwrite(&s3,sizeof(s3),1,fp);
                fwrite(&s4,sizeof(s4),1,fp);fwrite(&s5,sizeof(s5),1,fp);fwrite(&s6,sizeof(s6),1,fp);
                fputc(10,fp);//10=/n
                for(int i=1; i<=2*num-1; i++)
                {
        
                    fprintf(fp,"%-3d  ",i);
                    fwrite(&a[i],1,1,fp);
                    /*fprintf(fp,"    %-3d    ",HT[i].weight);
                    fprintf(fp,"%-3d    ",HT[i].parent);
                    fprintf(fp,"%-3d    ",HT[i].lchild);
                    fprintf(fp,"%-3d    ",HT[i].rchild);
                    fputc(10,fp);*/
                }
                fclose(fp);
                break;
            case 2:
                CreatHuffmanCode(HT,HC,num);
                cout<<"结点i\t"<<"字符\t"<<"权值\t"<<"编码\t"<<endl;
                for(int i=1; i<=num; i++)
                    cout<<i<<"\t"<<a[i]<<"\t"<<HT[i].weight<<"\t"<<HC[i]<<endl;
                break;
            case 3:
                Coding(HT,HC,num,a);
                cout<<"二进制编码已存入codefile.txt"<<endl;
                break;
            case 4:
                cout<<"从codefile.txt文件中读取进行译码:"<<endl;
                if((fp=fopen("codefile.txt","rb"))==NULL)
                    cout<<"error"<<endl;
                while(1)
                {
        
                    temp = fgetc(fp); //读一个字节。
                    if(temp == EOF) break; //到文件尾，退出循环。
                    b[cc++] =temp ;//赋值到字符数组中。
                }
                b[cc]='\0';
                printf("%s\n",b);
                fclose(fp);
                TransCode(HT,b,a,c,num);
                cout<<"译码结果:";
                printf("%s\n",c);
                cout<<"翻译结果已存入textfile.txt"<<endl;
                break;
            case 5:
                printf_code();
                break;
            case 6:
                cout<<"打印哈夫曼树："<<endl;
                printf_tree(num,HT);
                break;
            case 7:
                flag=0;
                break;
            default:
                cout<<"输入有误，重新输入"<<endl;
                continue;
            }
            if(flag==0)
                break;
        }
        return 0;
    }