数据结构实验报告八—哈夫曼编译码

问题描述：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）。

对于双工通信（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，试设计一个哈夫曼编码系统。

基本要求：(1)从文件中读入字符集大小n，以及n个字符和n个权值。

(2)构建哈夫曼树，对每个字符生成哈夫曼编码。

(3)从文件中读入需编码的字符串，利用哈夫曼编码，对字符串进行编码，编码结果保存在文件。

一、需求分析：（1）、根据输入的字符和字符的权值建立哈夫曼树。

（2）、字符的数目和字符的权值由用户自己设定。

（3）、根据建立的哈夫曼树进行，编码和译码操作。

二、概要设计：1.哈夫曼树的定义typedef struct{char letter; //存储字符int weight; //存储字符的权值int parent; //父亲int lchild; //左孩子int rchild; //右孩子}HTNode,*HuffmanTree;2.算定义的存储结构//本结构存储哈夫曼树、编码等，便于后面的操作进行typedef struct{HuffmanTree HT;//动态分配数组存储哈夫曼编码表HuffmanCode HC;//记录输入字符的长度，编码和译码用到int len;char *c;//存储输入的字符}Huf;3.一些操作函数void setHuffmanTree(HuffmanTree &HT,char *str,int *w,int n)建立哈夫曼树，str是存储输入字符的数组，w 是存储字符权值的数组，n为输入字符的数目Huf setHuffmanCode(HuffmanTree &HT,HuffmanCode &HC,int n,char*s)为哈夫曼树编码，HT是已经建立的哈夫曼树，HC用于存储编码，民为字符的数目，s是存储字符的数组Huf Initialization()初始化函数void Encoding(Huf huf)编码函数void Decoding(Huf huf)译码函数void Print()打印代码文件的函数void Treeprinting(Huf huf)打印哈夫曼树的函数4.主函数void main(){根据不同的选择，执行特定的函数，完成操作}三、详细设计核心程序为哈夫曼树的构建，实现该功能时，通过不断调用selecte（在已有的结点中选择双亲结点值为0，且权值最小的两个结点）函数查找构造哈夫曼树中的各个子树的结点，直到所有这种结点全部用完，即一颗哈夫曼树即构造完成。

1、建立哈夫曼树及求哈夫曼编码//初始化操作，接受输入，调用函数setHuffmanTree，//setHuffmanCode创建树并编码Huf Initialization(){HuffmanTree HT;HuffmanCode HC;char c[100];//存放输入的字符int w[100];//存放字符的权值int n;cout<<"请输入字符的个数："<<endl;cin>>n;cout<<"请输入所有字符："<<endl;gets(c);for(int i=1;i<=n;i++){cout<<"请输入第"<<i<<"个字符的权值："<<endl;cin>>w[i];}//将数组c中的元素向右移动一位for(int j=n-1;j>=0;j--){c[j+1]=c[j];}// 调用setHuffmanTree函数setHuffmanTree(HT,c,w,n);//调用setHuffmanCode函数Huf huf=setHuffmanCode(HT,HC,n,c);return huf;}//选择权值最小的两个结点void Select(HuffmanTree &HT,int s,int &s1,int &s2){int j, k, i;j=k=10000;s1=s2=0;for(i=1;i<=s;i++){if(HT[i].parent==0){if(HT[i].weight<j){k=j;s2=s1;j=HT[i].weight;s1=i;}else if(HT[i].weight<k){k=HT[i].weight;s2=i;}}}}//创建哈夫曼树函数的具体实现void setHuffmanTree(HuffmanTree &HT,char *str,int *w,int n){HuffmanTree p;int m,i,s1,s2; //s1,s2是权值最小的两个结点的序号m = 2*n-1; //一棵有N个叶子节点的哈夫曼树共有2*N-1个结点//动态定义长度，0号单元未使用HT=(HuffmanTree)malloc((m+1)*sizeof(HTNode));//初始化for(p=HT+1,i=1;i<=n;++i,++p){p->letter = str[i]; p->weight = w[i];(*p).parent = 0; p->lchild = 0; p->rchild = 0;}for(;i<=m;++i,++p){p->weight=0; p->parent=0; p->lchild=0; p->rchild=0;}//建立哈夫曼树for(i=n+1;i<=m;++i){Select(HT,i-1,s1,s2); //此函数为自己定义用于选择出s1,s2HT[s1].parent=i; HT[s2].parent=i;HT[i].lchild=s1; HT[i].rchild=s2;HT[i].weight=HT[s1].weight+HT[s2].weight;}// 将哈夫曼树写入到文件hufTree.dat中FILE *huftree;huftree=fopen("hufTree.dat","rt");if(huftree==NULL){ huftree=fopen("hufTree.dat","wt");for(i=1;i<=m;i++)fprintf(huftree,"%d %d %d %d\n",HT[i].weight,HT[i].parent,HT[i].lchild,HT[i].rchild);//向文件中写入rewind(huftree);}}//从叶子到根结点逆向求每个字符的赫夫曼编码Huf setHuffmanCode(HuffmanTree &HT,HuffmanCode &HC,int n,char *s){ Huf huf;// 分配n个字符编码的头指针向量huf.c=(char *)malloc((n+1)*sizeof(char));//将以输入的字符存储在huf的c中for(int j=1;j<=n;j++){huf.c[j]=s[j];}int start = 1; char *cd; int f,c,i;//分配n个字符编码的头指针向量HC=(HuffmanCode)malloc((n+1)*sizeof(char*));//临时的编码存储，作用是分配求编码的工作空间cd=(char*)malloc(n*sizeof(char));cd[n-1]='\0'; //编码结束符//按已生成的哈夫曼树，逐个求哈夫曼编码并获得各个字符的哈夫曼编码for(i=1;i<=n;++i){start = n - 1; //编码结束符的位置//从叶子到根逆向求编码for(c = i, f = HT[i].parent; f != 0; c = f, f = HT[f].parent) if(HT[f].lchild == c) cd[--start] = '0';else cd[--start] = '1';//为第i个字符编码分配空间HC[i] = (char *)malloc((n - start) * sizeof(char));//从cd复制编码（串）到HCstrcpy(HC[i], &cd[start]);}//将HC,HT,n分别存储到结构体Huf中huf.HC=HC;huf.HT=HT;huf.len=n;free(cd); //释放工作空间return huf;//返回值，供后面的操作使用}2、编码//利用已建好的哈夫曼树对文件中的正文进行编码，然后将结果存入文//件codefile.dat中,如果正文中没有要编码的字符，则键盘读入void Encoding(Huf huf){int i=0,j=0,n;char ch[10000];//code为指向文件CodeFile.dat的指针，tbt为指向文件//ToBeTran的指针FILE *code,*tbt;n=huf.len;tbt=fopen("ToBeTran.dat","rt");//如果ToBeTran中没有要编码的字符，则键盘读入//如果ToBeTran中有要编码的字符，则从文件读取if(tbt==NULL){printf("不存在文件ToBeTran.dat");printf("\n请输入要进行编码的报文: ");gets(ch);printf("\n");code=fopen("CodeFile.dat","wt+");}else{fscanf(tbt,"%s",&ch);fclose(tbt);code=fopen("CodeFile.dat","wt+");}// 将ch中的元素与哈夫曼树中的进行匹配，为字符串编码while(ch[j]){for(i=1;i<=n;i++)if(ch[j]==huf.HT[i].letter){ //将编码写入到文件中fprintf(code,"%s",huf.HC[i]);break;}j++;}rewind(code);fclose(code);printf("已进行编码，结果保存到文件CodeFile.dat中");}3、译码//利用已建好的哈夫曼树将文件对CodeFile.dat中的代码进行译码，//结果存入文件TextFile.dat 中void Decoding(Huf huf){HuffmanTree p;int i,n,j=0;char d[10000];FILE *code;//指向CodeFile.dat的指针n=huf.len;code=fopen("CodeFile.dat","rt");if(code==NULL){printf("没有找到CodeFile.dat文件，先编码\n");printf("输入哈夫曼码进行译码:");scanf("%s",&d);}else{fscanf(code,"%s",d);fclose(code);}code=fopen("TextFile.dat","wt+");while(d[j]){p=&huf.HT[2*n-1];//从根开始找叶子节点进行译码//简而言之就是遇到0向左，遇到一向右，直到找到叶子while(p->lchild||p->rchild){if(d[j]=='0'){i=p->lchild;p=&huf.HT[i];}else{ i=p->rchild;p=&huf.HT[i]; }j++;}printf("%c",huf.c[i]);//将找到叶子节点的字符写入TextFile.datfprintf(code,"%c",huf.c[i]); }fclose(code);printf("译码成功，结果保存到文件TextFile.dat中");}4、打印代码文件//将文件CodeFile每行50个代码显示到终端//将此字符形式的编码写入CodePrin中void Print(){char ch;//code是指向CodeFile的指针，codeprin是指向//CodePrin的指针FILE *code,*codeprin;code=fopen("CodeFile.dat","r");codeprin=fopen("CodePrin.dat","w");//每行输出50个字符，将编码写进文件CodePrin中for(int i=1;(ch=fgetc(code))!=EOF;i++){if(i>=50){printf("\n");fputc('\n',codeprin);i=1;}putchar(ch);fputc(ch,codeprin);}fclose(codeprin);fclose(code);printf("\n已经写入到文件CodePrin.dat中\n");}5、打印哈夫曼树//输出哈夫曼树节点，权值，双亲，左孩子，右孩子//前n个结点打出对应的字符void Treeprinting(Huf huf){int j,n;FILE *tree;tree=fopen("TreePrint.dat","w");n=huf.len;for (j=1; j<=n; j++){printf("\n%4d(%c)%5d%8d%8d%8d",j,huf.c[j],huf.HT[j].weight,h uf.HT[j].parent,huf.HT[j].lchild, huf.HT[j].rchild);fprintf(tree,"\n%4d(%c)%5d%8d%8d%8d",j,huf.c[j],huf.HT[j].we ight,huf.HT[j].parent,huf.HT[j].lchild, huf.HT[j].rchild);}for (int h=n+1; h<=2*n-1; h++){printf("\n%4d%8d%8d%8d%8d",h,huf.HT[h].weight,huf.HT[h].pare nt,huf.HT[h].lchild, huf.HT[h].rchild);fprintf(tree,"\n%4d%8d%8d%8d%8d",h,huf.HT[h].weight,huf.HT[h ].parent,huf.HT[h].lchild, huf.HT[h].rchild);}fclose(tree);}6、主函数//通过不接收不同的输入，调用相应的函数void main(){Huf huf;int num;char input;while(1){cout<<"I:初始化"<<endl;cout<<"E:编码"<<endl;cout<<"D:译码"<<endl;cout<<"P:印代码文件"<<endl;cout<<"T:打印哈夫曼树"<<endl;cout<<"Q:退出"<<endl<<endl;cout<<"请输入你的选择：";cin>>input;if(input=='I'||input=='i'){num=1;}else if(input=='E'||input=='e'){num=2;}else if(input=='D'||input=='d'){num=3;}else if(input=='P'||input=='p'){num=4;}else if(input=='T'||input=='t'){num=5;}else if(input=='Q'||'q'){num=6;}else{num=7;}switch(num){case 1:huf=Initialization();getch(); break;case 2:Encoding(huf);getch(); break;case 3:Decoding(huf);getch(); break;case 4:Print();getch(); break;case 5:Treeprinting(huf);getch(); break;case 6:return;default:printf("选择有错，请重新选择\n");getch(); break;}}}四、调试分析1.开始时并未设计Huf这个结构体，但后来发现进行操作的时候很费力，在编写的过程中，就将后面要用到东西都放到这个结构体中了。