哈夫曼编码算法的实现
文章目录
- 哈夫曼编码算法的实现
- 1、需求分析
- 二、概要设计
- 2.1、所用数据结构的定义及其相关说明（相关结构体或类的定义及其含义）
- 2.2、各子程序（函数和过程）的功能
- 三、详细设计
- 3.1、数据类型定义
- 3.1.1.1、 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
- 3.1.2 、选择HT中双亲域为0的权值最小的两个结点
- 3.1.3、建立哈夫曼树：根据统计结果建立哈夫曼树。
- 3.1.4、算法5.11 根据统计结果对各字符进行编码，并保存在Code.txt中
- 3.1.5、菜单选项
- 四、测试分析
- 4.1、读入文本文档中的数据，并进行统计。
- 4.2、建立哈夫曼树：根据统计结果建立哈夫曼树。
- 4.3、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。
- 4.4、 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
- 五、源程序清单
- 六、用户使用手册
1、需求分析
实现一个哈夫曼编码系统，系统包括以下功能：
(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。
(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。
(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：参考教材算法5.10，补充函数Select的实现。
(3) 建立哈夫曼码表：参考教材算法5.11，将编译表HC中的内容写到文件Code.txt中。
(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。
选做内容:
完成译码功能：对任意一个给定的由01组成的文件，根据哈夫曼码表翻译成由字符组成的源文件。
提示：
对文件进行译码的过程必须借助于哈夫曼树。具体过程是：依次读入文件的二进制码，从哈夫曼树的根结点（即HT[m]）出发，若当前读入0，则走向左孩子，否则走向右孩子。一旦到达某一叶子HT[i]时便译出相应的字符编码HC[i]。然后重新从根出发继续译码，直至文件结束。
二、概要设计
2.1、所用数据结构的定义及其相关说明（相关结构体或类的定义及其含义）
2.2、各子程序（函数和过程）的功能
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。
void Count()
2）//选择HT中双亲域为0的权值最小的两个结点
void Select(HuffmanTree HT,int i,int &s1,int &s2)
3）//选择HT中双亲域为0的权值最小的两个结点
void Select(HuffmanTree HT,int i,int &s1,int &s2)
4）//建立哈夫曼树：根据统计结果建立哈夫曼树。
//算法5.10 根据统计结果建立Huffman树
void CreatHuffmanTree(HuffmanTree &HT,int cou[])
5）//算法5.11 根据统计结果对各字符进行编码，并保存在Code.txt中
void CreatHuffmanCode(HuffmanTree HT,HuffmanCode &HC)
6）//对SourceFile.txt进行编码，并保存在ResultFile.txt中
void Code(HuffmanTree &HT,HuffmanCode &HC)
7）//菜单选项
void memu(void)
8）//函数
int main(void)
三、详细设计
3.1、数据类型定义
3.1.1.1、 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
void Count()
{
FILE *fp;
char i;
char word;
char letter[27]={' ','a','b','c','d','e','f','g','h','i','j','k','l','m','n','o',
'p','q','r','s','t','u','v','w','x','y','z'};
//计算输入的字母的个数
if((fp=fopen("character.txt","r"))==NULL)
{
printf("can not open the file character.txt");
exit(0);
}
while((word=fgetc(fp))!=EOF)
{
if (word>='A'&&word<='Z')
{
word=word+32;
}
i=word-96;
cou[i]++;
}
fclose(fp);
printf("\t\tletter\t频率为\n");
for (int j=1;j<=26;j++)
{
if (cou[j]!=0)
{
printf("\t\t%c\t%d\n",letter[j],cou[j]);
}
}
printf("\n");
printf("\t\t字符统计完成！\n");
}
3.1.2 、选择HT中双亲域为0的权值最小的两个结点
void Select(HuffmanTree HT,int i,int &s1,int &s2)
{
//选择两个最小值，将他们的位序输出到s1,s2
int m=0,k=0;
for(k=1;k<=n;++k) //得到第一个父节点为零的节点
{
if(0==HT[k].parent)
{
m=HT[k].weight;
s1=k;
break;
}
}
for(;k<=n;++k) //得到最小值
{
if(0==HT[k].parent && HT[k].weight<m)
{
m=HT[k].weight;
s1=k;
}
}
for(k=1;k<=n;++k) //得到第二个父节点为零的节点
{
if(k!=s1 && 0==HT[k].parent)
{
m=HT[k].weight;
s2=k;
break;
}
}
for(;k<=n;++k) //求得次小元
{
if(0==HT[k].parent && k!=s1 && HT[k].weight<m)
{
m=HT[k].weight;
s2=k;
}
}
}//Select
3.1.3、建立哈夫曼树：根据统计结果建立哈夫曼树。
//算法5.10 根据统计结果建立Huffman树
void CreatHuffmanTree(HuffmanTree &HT,int cou[])
{
if(n<=1) return;
int m=2*n-1;
HT=new HTNode[m+1];
//0 号单元未用，所以需要动态分配m+1个单元，HT[m]表示根节点
int s1=0,s2=0; //
for(int i=1;i<=m;i++)
//初始化HuffmanTree 将1~m单元中的双亲，左右孩子的下标初始化为0
{
HT[i].lchild=0;
HT[i].rchild=0;
HT[i].parent=0;
}
for(i=1;i<=n;i++) //输入叶节点的权值
HT[i].weight=cou[i-1];
for(i=n+1;i<=m;i++)
{
Select(HT,i,s1,s2);
//选择HT中两个双亲域为0且权值最小的两个节点的序号s1和s2
HT[s1].parent=i; HT[s2].parent=i;
//标记其双亲结点为HT[i]
HT[i].lchild=s1; HT[i].rchild=s2;
//HT[s1]和HT[s2]作为HT[i]的左右孩子
HT[i].weight=HT[s1].weight+HT[s2].weight;
//HT[i]的权值为左右孩子权值之和
}
printf("\t\thuffmantree构造完成\n");
}
3.1.4、算法5.11 根据统计结果对各字符进行编码，并保存在Code.txt中
void CreatHuffmanCode(HuffmanTree HT,HuffmanCode &HC)
{
int start;
char *cd;
HC=new char*[n+1];
cd=new char[n];
cd[n-1]='\0';
int i,c,f;
for (i=1;i<=n;++i)
{
start=n-1;
c=i;f=HT[i].parent;
while(f!=0){
--start;
if (HT[f].lchild==c)
cd[start]='0';
else cd[start]='1';
c=f;
f=HT[f].parent;
}
HC[i]=new char[n-start];
strcpy(HC[i],&cd[start]);
}
delete cd;
printf("\t\tHuffmanCode创建完毕\n");
}
//对SourceFile.txt进行编码，并保存在ResultFile.txt中
void Code(HuffmanTree &HT,HuffmanCode &HC)
{
FILE *fp;
char word;
int i;
if((fp=fopen("character.txt","r"))==NULL)
{
printf("can not open the file character.txt");
exit(0);
}
fp=fopen("character.txt","r");
while((word=fgetc(fp))!=EOF)
{
if (word>='A'&&word<='Z')
{
word=word+32;
}
i=word-96;
cou[i]++;
}
if(!word)
printf("cannot open the file!\n");
printf("\t\thuffman编码完成\n");
fclose(fp);
}
3.1.5、菜单选项
void memu(void)
{
printf("\t\t||************ 欢迎使用学生信息管理系统！****************||\n");
printf("\t\t||**name:yuan number:1xxxxxxxxx *******||\n");
printf("\t\t|| ********************************* ||\n");
printf("\t\t|| * 功能菜单 * ||\n");
printf("\t\t|| ***********************************************||\n");
printf("\t\t|| 1.字符信息统计,统计出现的字符及其频率 ||\n");
printf("\t\t|| 2.建立哈夫曼树：根据统计结果建立哈夫曼树 ||\n");
printf("\t\t|| 3.建立哈夫曼码表将各字符对应的编码表保存在Code.txt ||\n");
printf("\t\t|| 4.对源文件进行编码,将字符转换成相应的编码文件 ||\n");
printf("\t\t|| 5.退出系统 ||\n");
printf("\t\t|| ****************************************************||\n");
printf("\t\t>>>请选择您需要的服务(1--5):");
}
四、测试分析
实验结果：
4.1、读入文本文档中的数据，并进行统计。
ourceFile.txt文件内容为
4.2、建立哈夫曼树：根据统计结果建立哈夫曼树。
4.3、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。
字符对应的编码表保存在文件Code.txt，结果为：
4.4、 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
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，结果为：
五、源程序清单
//头文件
#include "stdio.h"
#include "stdlib.h"
#include "string.h"
int cou[100];
//哈夫曼树的结构体
typedef struct
{
int weight; //结点的
int parent,lchild,rchild;
}HTNode,*HuffmanTree;
typedef char **HuffmanCode;
int n=2;
//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。
void Count()
{
FILE *fp;
char i;
char word;
char letter[27]={' ','a','b','c','d','e','f','g','h','i','j','k','l','m','n','o',
'p','q','r','s','t','u','v','w','x','y','z'};
//计算输入的字母的个数
if((fp=fopen("character.txt","r"))==NULL)
{
printf("can not open the file character.txt");
exit(0);
}
while((word=fgetc(fp))!=EOF)
{
if (word>='A'&&word<='Z')
{
word=word+32;
}
i=word-96;
cou[i]++;
}
fclose(fp);
printf("\t\tletter\t频率为\n");
for (int j=1;j<=26;j++)
{
if (cou[j]!=0)
{
printf("\t\t%c\t%d\n",letter[j],cou[j]);
}
}
printf("\n");
printf("\t\t字符统计完成！\n");
}
//选择HT中双亲域为0的权值最小的两个结点
void Select(HuffmanTree HT,int i,int &s1,int &s2)
{
//选择两个最小值，将他们的位序输出到s1,s2
int m=0,k=0;
for(k=1;k<=n;++k) //得到第一个父节点为零的节点
{
if(0==HT[k].parent)
{
m=HT[k].weight;
s1=k;
break;
}
}
for(;k<=n;++k) //得到最小值
{
if(0==HT[k].parent && HT[k].weight<m)
{
m=HT[k].weight;
s1=k;
}
}
for(k=1;k<=n;++k) //得到第二个父节点为零的节点
{
if(k!=s1 && 0==HT[k].parent)
{
m=HT[k].weight;
s2=k;
break;
}
}
for(;k<=n;++k) //求得次小元
{
if(0==HT[k].parent && k!=s1 && HT[k].weight<m)
{
m=HT[k].weight;
s2=k;
}
}
}//Select
//建立哈夫曼树：根据统计结果建立哈夫曼树。
//算法5.10 根据统计结果建立Huffman树
void CreatHuffmanTree(HuffmanTree &HT,int cou[])
{
if(n<=1) return;
int m=2*n-1;
HT=new HTNode[m+1];
//0 号单元未用，所以需要动态分配m+1个单元，HT[m]表示根节点
int s1=0,s2=0; //
for(int i=1;i<=m;i++)
//初始化HuffmanTree 将1~m单元中的双亲，左右孩子的下标初始化为0
{
HT[i].lchild=0;
HT[i].rchild=0;
HT[i].parent=0;
}
for(i=1;i<=n;i++) //输入叶节点的权值
HT[i].weight=cou[i-1];
for(i=n+1;i<=m;i++)
{
Select(HT,i,s1,s2);
//选择HT中两个双亲域为0且权值最小的两个节点的序号s1和s2
HT[s1].parent=i; HT[s2].parent=i;
//标记其双亲结点为HT[i]
HT[i].lchild=s1; HT[i].rchild=s2;
//HT[s1]和HT[s2]作为HT[i]的左右孩子
HT[i].weight=HT[s1].weight+HT[s2].weight;
//HT[i]的权值为左右孩子权值之和
}
printf("\t\thuffmantree构造完成\n");
}
//算法5.11 根据统计结果对各字符进行编码，并保存在Code.txt中
void CreatHuffmanCode(HuffmanTree HT,HuffmanCode &HC)
{
int start;
char *cd;
HC=new char*[n+1];
cd=new char[n];
cd[n-1]='\0';
int i,c,f;
for (i=1;i<=n;++i)
{
start=n-1;
c=i;f=HT[i].parent;
while(f!=0){
--start;
if (HT[f].lchild==c)
cd[start]='0';
else cd[start]='1';
c=f;
f=HT[f].parent;
}
HC[i]=new char[n-start];
strcpy(HC[i],&cd[start]);
}
delete cd;
printf("\t\tHuffmanCode创建完毕\n");
}
//对SourceFile.txt进行编码，并保存在ResultFile.txt中
void Code(HuffmanTree &HT,HuffmanCode &HC)
{
FILE *fp;
char word;
int i;
if((fp=fopen("character.txt","r"))==NULL)
{
printf("can not open the file character.txt");
exit(0);
}
fp=fopen("character.txt","r");
while((word=fgetc(fp))!=EOF)
{
if (word>='A'&&word<='Z')
{
word=word+32;
}
i=word-96;
cou[i]++;
}
if(!word)
printf("cannot open the file!\n");
else
{
}
printf("\t\thuffman编码完成\n");
fclose(fp);
}
//菜单选项
void memu(void)
{
printf("\t\t||************ 欢迎使用学生信息管理系统！****************||\n");
printf("\t\t||**name:伍思源 number:182034490136 电信18-1 *******||\n");
printf("\t\t|| ********************************* ||\n");
printf("\t\t|| * 功能菜单 * ||\n");
printf("\t\t|| ****************************************************||\n");
printf("\t\t|| 1.字符信息统计,统计出现的字符及其频率 ||\n");
printf("\t\t|| 2.建立哈夫曼树：根据统计结果建立哈夫曼树 ||\n");
printf("\t\t|| 3.建立哈夫曼码表将各字符对应的编码表保存在Code.txt ||\n");
printf("\t\t|| 4.对源文件进行编码,将字符转换成相应的编码文件 ||\n");
printf("\t\t|| 5.退出系统 ||\n");
printf("\t\t|| ****************************************************||\n");
printf("\t\t>>>请选择您需要的服务(1--5):");
}
int main(void)
{
HuffmanTree ht;
HuffmanCode hc;
int no;
while(1)
{
memu();
scanf("%d",&no);
printf("\n");
switch(no)
{
//字符信息统计,统计出现的字符及其频率
case 1:
Count();
break;
//建立哈夫曼树：根据统计结果建立哈夫曼树
case 2:
CreatHuffmanTree(ht,cou);
break;
//建立哈夫曼码表将各字符对应的编码表保存在Code.txt
case 3:
CreatHuffmanCode(ht,hc);
break;
//对源文件进行编码,将字符转换成相应的编码文件
case 4:
Code(ht,hc);
break;
//退出系统
case 5:
printf("\t\t\t退出系统\n");
return 0;
}
printf("\n");
}
}
六、用户使用手册
用户执行代码后，主菜单会显示5个功能，分别为：
(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。
(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。
（5） //退出系统
首先，用户根据提示选择功能（1）： 读取待编码的源文件SourceFile.txt，统计出现的字符及其频率
若选择功能(2)：用户可以根据自己的需求建立哈夫曼树：根据统计结果建立哈夫曼树
若选择功能(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。
若选择功能(4)：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
若选择功能(5):根据学号进行折半查找，用非递归算法实现，则根据提示输入学生的学号，就可以显示出结果