赫夫曼编码译码

赫夫曼编码/译码
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。

以下为选做：
(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：印赫夫曼树（Tree printing）。

将已在内存中的赫夫曼树以直观的方式（比如树）显示在终端上，同时将此字符形式的赫夫曼树写入文件TreePrint 中。

3.测试要求
(1) 已知某系统在通信联络中只可能出现八种字符，其频率分别为0.05,0.29,0.07,0.08,0.14,0.23,0.03,0.11，试设计赫夫曼编码。

(2) 用下表给出的字符集和频度的实际统计数据建立赫夫曼树，并实现以下报文的编码和译码：“THIS PROGRAME IS MY FA VORITE”。

字符 A B C D E F G H I J K L M
频度186 64 13 22 32 103 21 15 47 57 1 5 32 20
字符N O P Q R S T U V W X Y Z
频度57 63 15 1 48 51 80 23 8 18 1 16 1
4.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。

概要设计
1)问题分析哈夫曼树的定义
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
2、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。

3、Encoding
编码功能：对输入字符进行编码
4、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。

5.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。

2)系统结构图（功能模块图）
五．程序说明
1）.哈夫曼编码/译码器源代码
#include<iostream.h>
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<fstream.h>
typedef struct{ //赫夫曼树的结构体
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;
}
{
*p1=x;
*p2=y;
}
}
void hfmcoding(hfmtree &HT,hfmcode &HC,int n) //构建赫夫曼树HT，并求出n个字符的赫夫曼编码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) //建立赫夫曼树
{
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<<" "<<"计算机（3）班"<<" "<<"Q07620307"<<" "<<"XXX\n";
while(choice!='Q'&&choice!='q') //当choice的值不为q且不为Q时循环{
cout<<" "<<"*************************赫夫曼编码/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 oen file!"<<endl;
return 1;
}
for(i=1;i<=n;i++)
{
output_file<<"("<<HT[i].ch<<HC[i]<<")";
}
output_file.close();
cout<<"赫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("ToBeTran.txt");
if(!output_file)
{
cout<<"can't oen file!"<<endl;
return 1;
}
output_file<<str<<endl;
output_file.close();
output_file.open("CodeFile.txt");
if(!output_file){
cout<<"can't oen file!"<<endl;
return 1;
}
for(i=0;i<strlen(str);i++){
for(j=0;j<=n;++j)
{
if(HT[j].ch==str[i])
{
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 oen 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 oen file!"<<endl;
return 1;
}
input_file>>h;
input_file.close();
output_file.open("Textfile.txt");
if(!output_file)
{
cout<<"can't oen 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)
{
k=k+strlen(HC[i]);
break;
}
}
}
output_file.close();
input_file.open("Textfile.txt");
if(!input_file){
cout<<"can't oen 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。