2021年数据结构哈夫曼编码实验报告

数据结构试验汇报
――试验五简单哈夫曼编/译码设计与实现本试验目是经过对简单哈夫曼编/译码系统设计与实现来熟练掌握树型结构在实
际问题中应用。

此试验能够作为综合试验, 阶段性试验时能够选择其中多个功效来设计
和实现。

一、【问题描述】
利用哈夫曼编码进行通信能够大大提升信道利用率, 缩短信息传输时间, 降低传输成本。

不过, 这要求在发送端经过一个编码系统对待传数据预先编码, 在接收端将传来数据进行译码, 此试验即设计这么一个简单编/码系统。

系统应该含有以下多个功效:
1、接收原始数据。

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nodedata.dat中。

2、编码。

利用已建好哈夫曼树（如不在内存, 则从文件nodedata.dat中读入）, 对文件中正文进行编码, 然后将结果存入文件code.dat中。

3、译码。

利用已建好哈夫曼树将文件code.dat中代码进行译码, 结果存入文件textfile.dat中。

4、打印编码规则。

即字符与编码一一对应关系。

二、【数据结构设计】
1、结构哈夫曼树时使用静态链表作为哈夫曼树存放。

在结构哈夫曼树时, 设计一个结构体数组HuffNode保留哈夫曼树中各结点信息, 依据二叉树性质可知, 含有n个叶子结点哈夫曼树共有2n-1个结点, 所以数组HuffNode大小设置为2n-1, 描述结点数据类型为:
typedef struct
{
int weight;//结点权值
int parent;
int lchild;
int rchild;
char inf;
}HNodeType;
2、求哈夫曼编码时使用一维结构数组HuffCode作为哈夫曼编码信息存放。

求哈夫曼编码, 实质上就是在已建立哈夫曼树中, 从叶子结点开始, 沿结点双亲链域回退到根结点, 没回退一步, 就走过了哈夫曼树一个分支, 从而得到一位哈夫曼码值, 因为一个字符哈夫曼编码是从根结点到对应叶子结点所经过路径上各分支所组成0、1序列, 所以先得到分支代码为所求编码低位码, 后得到分支代码位所求编码高位码, 所以设计以下数据类型:
#define MAXBIT 10
typedef struct
{
int bit[MAXBIT];
int start;
}HcodeType;
3、文件nodedata.dat、code.dat和textfile.dat。

三、【功效（函数）设计】
1、初始化功效模块。

此功效模块功效为从键盘接收字符集大小n, 以及n个字符和n个权值。

2、建立哈夫曼树功效模块。

此模块功效为使用1中得到数据根据教材中结构哈夫曼树算法结构哈夫曼树, 立即HuffNode数组中各个位置各个域都添上相关值, 并将这个结构体数组存于文件hfmtree.dat 中。

3、建立哈夫曼编码功效模块。

此模块功效为从文件nodedata.dat中读入相关字符信息进行哈夫曼编码, 然后将结果存入code.dat中, 同时将字符与0、1代码串一一对应关系打印到屏幕上。

4、译码功效模块。

此模块功效为接收需要译码0、1代码串, 根据3中建立编码规则将其翻译成字符集中字符所组成字符串形式, 存入文件textfile.dat, 同时将翻译结果在屏幕上打印输出。

四、【编码实现】
#include<iostream.h>
#include<fstream.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
#define MaxBit 10
#define Maxvalue 100//应该大于权重之和
#define Maxleaf 100
#define Maxnode Maxleaf*2-1
typedef struct
{
int weight;
int parent;
int lchild;
int rchild;
char inf;
}HNodeType;
struct HcodeType
{
int bit[MaxBit];
int start;
};
void Creat_Haffmantree(int &n)
{
HNodeType *HaffNode=new HNodeType[2*n-1];
int i,j;
int m1,m2,x1,x2;
for(i=0;i<2*n-1;i++)
{
HaffNode[i].weight=0;
HaffNode[i].parent=-1;
HaffNode[i].lchild=-1;
HaffNode[i].rchild=-1;
HaffNode[i].inf='0';
}
for(i=0;i<n;i++)
{
cout<<"请输入字符"<<endl;
cin>>HaffNode[i].inf;
cout<<"请输入该字符权值"<<endl;
cin>>HaffNode[i].weight;
}
for(i=0;i<n-1;i++)//结构哈夫曼树
{
m1=m2=Maxvalue;
x1=x2=0;
for(j=0;j<n+i;j++)//选择最小和次小
{
if(HaffNode[j].parent==-1&&HaffNode[j].weight<m1)
{
m2=m1;
x2=x1;
m1=HaffNode[j].weight;
x1=j;
}
else
{
if(HaffNode[j].parent==-1&&HaffNode[j].weight<m2)
{
m2=HaffNode[j].weight;
x2=j;
}
}
}
//将找出最小和次小合并, 发明其父母结点
HaffNode[x1].parent=n+i;
HaffNode[x2].parent=n+i;
HaffNode[n+i].weight=HaffNode[x1].weight+HaffNode[x2].weight;
HaffNode[n+i].lchild=x1;
HaffNode[n+i].rchild=x2;
HaffNode[n+i].inf=NULL;
}
cout<<"显示存放哈弗曼树信息:"<<endl;
cout<<"权值左孩子右孩子双亲"<<endl;
for(i=0;i<2*n-1;i++)
{
cout<<HaffNode[i].weight<<" ";
cout<<HaffNode[i].lchild<<" ";
cout<<HaffNode[i].rchild<<" ";
cout<<HaffNode[i].parent<<" ";
cout<<HaffNode[i].inf<<endl;
}
//写入文件
fstream outfile1;
outfile1.open("E:\\nodedata.dat",ios::out|ios::trunc|ios::binary);//建立进行写入文件
if(!outfile1) //没有创建成功则显示对应信息
{
cout<<"nodedata.dat文件不能打开"<<endl;
abort();
}
for(i=0;i<2*n-1;i++) //将内存中从HaffNode[i]地址开始sizeof(HaffNode[i])内容写入文件中
outfile1.write((char*)&HaffNode[i],sizeof(HaffNode[i]));
outfile1.close ();//关闭文件
delete []HaffNode;
}
void HaffCode(int &n)//哈夫曼编码
{
HNodeType *HaffNode=new HNodeType[Maxnode];
HcodeType *HaffCode=new HcodeType[Maxleaf];
HcodeType cd;
int i,j,c,p;
fstream in("E:\\nodedata.dat",ios::in|ios::binary);
in.read((char*)HaffNode,(2*n-1)*sizeof(HNodeType));
in.close();
fstream outfile;
outfile.open("E:\\codedata.dat",ios::out|ios::binary);//建立进行写入文件
for(i=0;i<n;i++)
{
cd.start=n-1;
c=i;
p=HaffNode[c].parent;
while(p!=-1)
{
if(HaffNode[p].lchild==c)
cd.bit[cd.start]=0;
else
cd.bit[cd.start]=1;
cd.start--;
c=p;
p=HaffNode[c].parent;
}
for(j=cd.start+1;j<n;j++)
HaffCode[i].bit[j]=cd.bit[j];
HaffCode[i].start=cd.start;
}
for(i=0;i<n;i++)
{
outfile<<HaffNode[i].inf;
for(j=HaffCode[i].start+1;j<n;j++)
outfile<<HaffCode[i].bit[j];
}
cout<<"字符信息--编码信息"<<endl;
for(i=0;i<n;i++)
{
cout<<HaffNode[i].inf<<"---";
for(j=HaffCode[i].start+1;j<n;j++)
cout<<HaffCode[i].bit[j];
cout<<endl;
}
outfile.close ();
cout<<"请输入要编码字符串,基础元素为（";
for(i=0;i<n;i++)
cout<<HaffNode[i].inf<<",";
cout<<")"<<endl;
char inf[100];
cin>>inf;
int f=strlen(inf);
fstream outfile1;
outfile1.open("E:\\code.dat",ios::out|ios::binary);//建立进行写入文件if(!outfile1)
{
cout<<"code.dat文件不能打开!"<<endl;
abort();
}
else
{ cout<<endl;
cout<<"字符串编码后为:";
for(int x=0;x<f;x++)
{
for(i=0;i<n;i++)
{
if(inf[x]==HaffNode[i].inf)
{
for(j=HaffCode[i].start+1;j<n;j++)
{
outfile1.write((char*)&HaffCode[i].bit[j],sizeof(HaffCode[i].bit[j]));
cout<<HaffCode[i].bit[j];
}
}
}
}
}
cout<<endl;
cout<<"编译后代码串已经存入code.dat文件中!"<<endl;
cout<<endl;
outfile1.close();
delete []HaffNode;
delete []HaffCode;
}
void decode( int &n)//解码
{
int i;
HNodeType *HaffNode=new HNodeType[2*n-1];
fstream infile1;
infile1.open("E:\\nodedata.dat",ios::in|ios::binary);//读出哈夫曼树if(!infile1)
{
cout<<"nodedata.dat文件不能打开"<<endl;
abort();
}
for(i=0;i<2*n-1;i++)
infile1.read((char*)&HaffNode[i],sizeof(HNodeType));
infile1.close();
int tempcode[100];
int num=0;
for(i=0;i<100;i++)
tempcode[i]=-1;
HcodeType *Code=new HcodeType[n];
fstream infile2;//读编码
infile2.open("E:\\code.dat",ios::in|ios::binary);
while(!infile2.eof())
{
infile2.read((char*)&tempcode[num],sizeof(tempcode[num]));
num++;
}
infile2.close();
num--;
cout<<"从文件中读出编码为"<<endl;
for(i=0;i<num;i++)
cout<<tempcode[i];
cout<<endl;
int m=2*n-2;
i=0;
cout<<endl;
cout<<"译码后为:"<<endl;
fstream outfile;
outfile.open("E:\\textfile.txt",ios::out);
if(!outfile)
{
cout<<"textfile.txt文件不能打开!"<<endl;
abort();
}
while(i<num)// 小于字符串长度
{
while(HaffNode[m].lchild!=-1&&HaffNode[m].rchild!=-1)
{
if(tempcode[i]==0)
{
m=HaffNode[m].lchild;
i++;
}
else if(tempcode[i]==1)
{
m=HaffNode[m].rchild;
i++;
}
}
cout<<HaffNode[m].inf;
outfile<<HaffNode[m].inf;
m=2*n-2;
}
cout<<endl;
outfile.close();
cout<<"译码后结果已经存入textfile.txt中!"<<endl;
delete []HaffNode;
}
int main()
{
int n;
cout<<"************* 欢迎进入编/译码系统! *********************"<<endl;
int ch1;
do{
cout<<" 1.建树"<<endl;
cout<<" 2:编码, 并显示字符和对应编码"<<endl;
cout<<" 3:译码"<<endl;
cout<<" 0:退出"<<endl;
cout<<"********************************************************"<<endl ;
cout<<"请选择(0~3):";
cin>>ch1;
while(!(ch1<=3&&ch1>=0)) //输入不在0到4之间无效
{
cout<<"数据输入错误, 请重新选择(0~4):";
cin>>ch1;
}
switch(ch1)
{
case 1:
{
cout<<"\t\t\t请输入编码个数"<<endl;//叶子结点个数
cin>>n;
Creat_Haffmantree(n);
break;
}
case 2: HaffCode(n); break;
case 3: decode(n); break;
}
}while(ch1!=0);
return 0;
}
五、【运行与测试】
1、令叶子结点个数n为4, 权值集合为{1, 3, 5, 7}, 字符集合为{A, B, C, D}, 并有以下对应关系, A――1、B――3, C――5, D――7, 调用初始化功效模块能够正确接收这些数据。

2、调用建立哈夫曼树功效模块, 结构静态链表HuffNode存放。

3、调用建立哈夫曼编码功效模块, 在屏幕上显示以下对应关系:
A――111、B――110、C――10、D――0
4、调用译码功效模块, 输入代码串“”后, 屏幕上显示译码结果:
――――ABCD。