哈夫曼树课程设计报告

数据结构
课程设计报告
设计题目：哈夫曼树应用
专业：软件工程
班级：软件
学生：
学号：
指导教师：罗作民 / 张翔
起止时间：2011-07-04—2011-07-08
2011 年春季学期
目录
一．具体任务 (2)
1功能 (2)
2分步实施………………………………………………………………………...2.
3要求 (2)
二．哈夫曼编码 (2)
1问题描述 (2)
2.基本要求 (3)
3实现提示 (3)
三．设计流程图 (4)
1建立哈夫曼树 (4)
2编码 (5)
3译码 (6)
4主程序 (7)
四．设计概要 (8)
1问题哈夫曼的定义....................................................................................... .......8..
2所实现的功能函数如下 (8)
3功能模块 (8)
五．源程序 (9)
六．调试分析 (15)
七．心得与体会 (18)
八．参考文献 (18)
一、任务
题目：哈夫曼树应用
1.功能：
1．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.将已在内存中的哈夫曼树以直观的方式（比如树）显示在终端上；
2．利用已经建好的哈夫曼树（如不在内存，则从文件htmTree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，并输出结果，将文件CodeFile以紧凑格式先是在终端上，每行50个代码。

同时将此字符形式的编码文件写入文件CodePrint中。

3．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，并输出结果。

2.分步实施：
1）初步完成总体设计，搭好框架，确定人机对话的界面，确定函数个数；
2）完成最低要求：完成功能1；
3）进一步要求：完成功能2和3。

有兴趣的同学可以自己扩充系统功能。

3.要求：
1）界面友好，函数功能要划分好
2）总体设计应画一流程图
3）程序要加必要的注释
4）要提供程序测试方案
5）程序一定要经得起测试，宁可功能少一些，也要能运行起来，不能运行的程序是没有价值的。

二、哈夫曼编码
1. 问题描述
利用赫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。

这要求在
发送端通过一个编码系统对待传输数据预先编码，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编
写一个赫夫曼码的编/译码系统。

2.基本要求
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，建立赫夫曼
树，并将它存于文件hfmTree中。

(2) E：编码（Encoding）。

利用已建好的赫夫曼树（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）。

利用已建好的赫夫曼树将文件CodeFile中的代码进行译码，结果存入文件Textfile中。

3.实现提示
(1) 编码结果以文本方式存储在文件Codefile中。

(2) 用户界面可以设计为“菜单”方式：显示上述功能符号，再加上“Q”，表示退出运行Quit。

请用户键入一个选择功能符。

此功能执行完毕后再显示此菜单，直至某次用户选择了“Q”为止。

(3) 在程序的一次执行过程中，第一次执行I， D或C命令之后，赫夫曼树已经在内存了，不必再读入。

每次执行中不一定执行I命令，因为文件hfmTree可能早已建好。

三、设计流程图
建立哈夫曼树：
编码：
译码：
主程序：
四、概要设计
1）问题哈夫曼的定义：
1.哈夫曼树节点的数据类型定义为：
typedef struct{ //赫夫曼树的结构体
char ch;
int weight; //权值
int parent,lchild,rchild;
}htnode,*hfmtree;
2）所实现的功能函数如下
1、void hfmcoding(hfmtree &HT,hfmcode &HC,int n)初始化哈夫曼树，处理InputHuffman(Huffman Hfm)函数得到的数据，按照哈夫曼规则建立2叉树。

此函数块调用了Select（）函数。

2、void Select(hfmtree &HT,int a,int *p1,int *p2) //Select函数，选出HT树到a 为止，权值最小且parent为0的2个节点
3、 int main()
主函数：利用已建好的哈夫曼树（如不在内存，则从文件hfmtree.txt中读入）
对文件中的正文进行编码，然后将结果存入文件codefile.txt中。

如果正文中没有要编码的字符，则键盘读入并存储到ToBeTran文件中。

读入ToBeTran中将要编码的内容，将编码好的哈夫曼编码存储到CodeFile中。

4、Encoding
编码功能：对输入字符进行编码
5、Decoding
译码功能：利用已建好的哈夫曼树将文件codefile.txt中的代码进行译码，结果存入文件textfile.dat 中。

Print() 打印功能函数：输出哈夫曼树，字符，权值，以及它对应的编码。

6.主函数的简要说明，主函数主要设计的是一个分支语句，让用户挑选所实现的功能。

使用链树存储，然后分别调用统计频数函数，排序函数，建立哈夫曼函数，编码函数，译码函数来实现功能。

3）功能模块：
五、源程序
#include<iostream.h>
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<fstream.h>
typedef struct{ //哈夫曼树的结构体
char ch;
int weight; //权值
int parent,lchild,rchild;
}htnode,*hfmtree;
typedef char **hfmcode;
void Select(hfmtree &HT,int a,int *p1,int *p2) //Select函数，选出HT树到a为止，权值最小且parent为0的2个节点
{
int i,j,x,y;
for(j=1;j<=a;++j){
if(HT[j].parent==0){
x=j;
break;
}
}
for(i=j+1;i<=a;++i){
if(HT[i].weight<HT[x].weight&&HT[i].parent==0){
x=i; //选出最小的节点
}
}
for(j=1;j<=a;++j) {
if(HT[j].parent==0&&x!=j)
{
y=j;
break;
}
}
for(i=j+1;i<=a;++i)
{
if(HT[i].weight<HT[y].weight&&HT[i].parent==0&&x!=i)
{
y=i; //选出次小的节点
}
}
if(x>y){
*p1=y;
*p2=x;
}
else
{
*p1=x;
*p2=y;
}
}
void hfmcoding(hfmtree &HT,hfmcode &HC,int n) //构建哈夫曼树HT，并求出n个字符的哈夫曼编码HC
{
int i,start,c,f,m,w;
int p1,p2;
char *cd,z;
if(n<=1){
return;
}
m=2*n-1;
HT=(hfmtree)malloc((m+1)*sizeof(htnode));
for(i=1;i<=n;++i) //初始化n个叶子结点
{
printf("请输入第%d字符信息和权值：",i);
scanf("%c%d",&z,&w);
while(getchar()!='\n')
{
continue;
}
HT[i].ch=z;
HT[i].weight=w;
HT[i].parent=0;
HT[i].lchild=0;
HT[i].rchild=0;
}
for(;i<=m;++i) //初始化其余的结点
{
HT[i].ch='0';
HT[i].weight=0;
HT[i].parent=0;
HT[i].lchild=0;
HT[i].rchild=0;
}
for(i=n+1;i<=m;++i) //建立哈夫曼树
{
Select(HT,i-1,&p1,&p2);
HT[p1].parent=i;HT[p2].parent=i;
HT[i].lchild=p1;HT[i].rchild=p2;
HT[i].weight=HT[p1].weight+HT[p2].weight;
}
HC=(hfmcode)malloc((n+1)*sizeof(char *));
cd=(char *)malloc(n*sizeof(char));
cd[n-1]='\0';
for(i=1;i<=n;++i) //给n个字符编码
{
start=n-1;
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';
}
}
HC[i]=(char*)malloc((n-start)*sizeof(char));
strcpy(HC[i],&cd[start]);
}
free(cd);
}
int main(){
char code[100],h[100],hl[100];
int n,i,j,k,l;
ifstream input_file; //文件输入输出流
ofstream output_file;
char choice,str[100];
hfmtree HT;
hfmcode HC;
cout<<"\n";
cout<<" "<<"软件092班"<<" "<<"姓名:张耀飞"<<" "<<"学号：3090921040\n" ;
while(choice!='Q'&&choice!='q') //当choice的值不为q且不为Q时循环
{
cout<<" "<<"*************************哈夫曼编码/译码器
*************************\n";
cout<<" "<<"I.Init"<<" "<<"E.Encoding"<<" "<<"D.Decoding"<<" "<<"Q.Exit\n";
cout<<"请输入您要操作的步骤：";
cin>>choice;
if(choice=='I'||choice=='i') //初始化赫夫曼树
{
cout<<"请输入字符个数：";
cin>>n;
hfmcoding(HT,HC,n);
for(i=1;i<=n;++i)
{
cout<<HT[i].ch<<":"<<HC[i]<<endl;
}
output_file.open("hfmTree.txt");
if(!output_file){
cout<<"can't open file!"<<endl;
return 1;
}
for(i=1;i<=n;i++)
{
output_file<<"("<<HT[i].ch<<HC[i]<<")";
}
output_file.close();
cout<<"哈夫曼树已经创建完毕，并且已经放入hfmTree.txt文件中!"<<endl;
}
else if(choice=='E'||choice=='e') //进行编码，并将字符放入ToBeTran.txt，码值放入CodeFile.txt中
{
printf("请输入字符：");
gets(str);
output_file.open("ToBeTree.txt");
if(!output_file)
{
cout<<"can't open file!"<<endl;
return 1;
}
output_file<<str<<endl;
output_file.close();
output_file.open("CodeFile.txt");
if(!output_file){
cout<<"can't open file!"<<endl;
return 1;
}
for(i=0;i<strlen(str);i++){
for(j=0;j<=n;++j)
{
if(HT[j].ch==str[i])
{
output_file<<HC[j];
break;
}
}
}
output_file.close();
cout<<"\n";
cout<<"编码完毕，并且已经存入CodeFile.txt文件！\n";
input_file.open("CodeFile.txt"); //从CodeFile.txt中读入编码，输出在终端
if(!input_file)
{
cout<<"can't open file!"<<endl;
return 1;
}
input_file>>code;
cout<<"编码码值为："<<code<<endl;
input_file.close();
}
else if(choice=='D'||choice=='d') //读入CodeFile.txt中的编码进行译码，将译出来的字符放入Textfile.txt中
{
input_file.open("CodeFile.txt");
if(!input_file){
cout<<"can't open file!"<<endl;
return 1;
}
input_file>>h;
input_file.close();
output_file.open("Textfile.txt");
if(!output_file)
{
cout<<"can't open file!"<<endl;
return 1;
}
k=0;
while(h[k]!='\0') //先用编码中的前几个和字符的编码相比较，然后往后移
{
for(i=1;i<=n;i++){
l=k;
for(j=0;j<strlen(HC[i]);j++,l++){
hl[j]=h[l];
}
hl[j]='\0';
if(strcmp(HC[i],hl)==0)
{
output_file<<HT[i].ch;
k=k+strlen(HC[i]);
break;
}
}
}
output_file.close();
input_file.open("Textfile.txt");
if(!input_file){
cout<<"can't open file!"<<endl;
return 1;
}
input_file>>h;
cout<<h<<endl;
input_file.close();
cout<<"译码结束，字符已经存入Textfile.txt文件中！"<<endl;
}
else if(choice=='Q'||choice=='q') //退出程序
{
exit(0);
}
else //如果选了选项之外的就让用户重新选择
{
cout<<"您没有输入正确的步骤，请重新输入！"<<endl;
}
cout<<endl;
}
return 0;
}
六、调试分析
编码
译码
退出
实验心得与体会
在我自己课程设计中，就在编写好源代码后的调试中出现了不少的错误，遇到了很多麻烦及困难，我的调试及其中的错误和我最终找出错误，修改为正确的能够执行的程序中，通过分析，我学到了：在定义头文件时可多不可少，即我们可多写些头文件，肯定不会出错，但是若没有定义所引用的相关头文件，必定调试不通过；
在执行译码操作时，不知什么原因，总是不能把要编译的二进制数与编译成的字符用连接号连接起来，而是按顺序直接放在一起，视觉效果不是很好。

还有就是，很遗憾的是，我们的哈夫曼编码/译码器没有像老师要求的那样完成编一个文件的功能，这是我们设计的失败之处。

通过本次数据结构的课程设计，我学习了很多在上课没懂的知识，并对求哈夫曼树及哈夫曼编码/译码的算法有了更加深刻的了解，更巩固了课堂中学习有关于哈夫曼编码的知识，真正学会一种算法了。

当求解一个算法时,不是拿到问题就不加思索地做，而是首先要先对它有个大概的了解，接着再详细地分析每一步怎么做，无论自己以前是否有处理过相似的问题，只要按照以上的步骤，必定会顺利地做出来。

这次课程设计，我在编辑中犯了不应有的错误，设计统计字符和合并时忘记应该怎样保存数据，对文件的操作也很生疏。

在不断分析后明确并改正了错误和疏漏，我的程序有了更高的质量。

八．参考文献：
[1 ] 谭浩强. C 程序设计(第二版) [M] . 北京:清华大学出版社,1999. 161 - 163.
[2 ] 谭浩强,张基温,唐永炎. C 语言程序设计教程(第二版) [M] . 北京:高等教育出版社,1998. 113 - 115.
[3 ] 严蔚敏,吴伟民. 数据结构(C 语言版) [M] . 北京:清华大学出版社,2002. 55 - 58.
[4] 李士峰,张谢华,孙清滇. ActiveX文档技术在《VB 程序设计》网络课件制作中的应用 [5 ] 王颖,王正洲. 汉诺塔问题迭代算法实现和分析[J ] . 合肥联合大学学报,1999 ,
考核成绩评定：
签字：
年月日。