算法设计与分析课程设计报告

压缩软件课程设计书一、问题描述：建立一个文本文件，统计该文件中各字符频率，对各字符进行Huffman编码，将该文件至翻译成Huffman编码文件，再将Huffman编码文件翻译成原文件。

二、算法分析及思路：对于该问题，我们做如下分析：（1）首先得构造出哈弗曼树，我们用函数HuffmanTree(int w[],int s[],int n)设计；（2）在构建哈弗曼树的基础上，进一步实现哈弗曼编码问题，我们用函数Huffmancode(char wen[])设计；（3）实现哈弗曼编码后再进一步实现哈弗曼译码问题，我们用函数Huffmandecode()设计；（4）其中编码问题中，得进一步统计出各个字符在文件中的频率，并进行一些必要的标记，我们用函数runhuffman(char wen[])设计；（5）在译码过程中，还有必要的一步是比较原文件与译码后的文件是否相同，我们用函数compare(char wen[])设计；（6）其中的文件输入我们用到类”fstream.h”中的输入输出流，并在运行的文件夹中建立一个文件名为逍遥游的文本文件，且在逍遥游文件中输入需要编码的数据。

三、主要解决的设计问题：1.写一个对txt文件压缩和解压的程序，使用动态编码。

2.使用Huffman编码压缩和解压时，Huffman树的存储可以直接存储树结构，也可以存储所有字符的频度或权值，然后读取时建立Huffman树；3.使用Huffman编码压缩和解压时，注意定义压缩码的结束标记，可以使用一个特殊的字符作为结束标记，也可以在压缩码之前存储其比特长度；如果使用一个特殊字符作为结束标记，则其频度为1，需要在建立Huffman树时把它看作一个独立的字符进行建树。

4.使用Huffman编码压缩和解压时，在一个缓冲区里面收集压缩码比特流，每当收集的比特数满8时，可以把这8比特通过位操作合并成一个字节写入文件（当然也可以收集满一定数目的字节后再写入文件）。

写入文件的最小信息单位为字节。

四、程序设计的流程图：五、输入和输出说明：1、数据输入：由文件input.txt提供输入需要压缩的内容；2、结果输出：将压缩好的文件内容输出到《编码后的文件.txt》中，再由《编码后的文件.txt》解压到《译码后的文件.txt》中。

六、程序及其注解：1、数据结构设计（即类的设计，包括类的数据成员、函数成员）类的设计用HuffmanTree.h保存如下:#include<iostream>#include<fstream>using namespace std;const int MaxSize=512;//--------------------------------------------------------------struct element //哈夫曼树的结点{int str; //记录字符在数组中的位置int weight; //字符出现频率（权值）int lchild,rchild,parent; //哈夫曼树各个指针变量char bits[30]; //存储哈夫曼编码的数组};//--------------------------------------------------------------class HuffmanTree{element hufftree[MaxSize]; //存放哈夫曼树结点的数组int num; //结点数public:HuffmanTree(int w[],int s[],int n);void Select(int n,int &s1,int &s2);void Huffmancode(char wen[]); //哈夫曼编码void Huffmandecode(); //哈夫曼译码};//--------------------------------------------------------------class Run{public:void huffman(char wen[]); //将编码后的文件译成原文件void runhuffman(char wen[]); //统计各字符频率void compare(char wen[]); //比较逍遥游文件和译码后的文件};//--------------------------------------------------------------2、算法设计（类的函数成员的具体设计）（1）算法一设计用HuffmanTree.cpp保存如下：#include<iostream>#include"HuffmanTree.h"using namespace std;//-------------------------------------------------------------------void HuffmanTree::Select(int n,int &s1,int &s2){s1=-1;s2=-1;for(int i=0;i<=n;i++){if(hufftree[i].parent==-1){if(s1==-1) {s1=i;continue;}if(s2==-1) {s2=i;continue;}if(hufftree[i].weight<hufftree[s1].weight)s1=i;else if(hufftree[i].weight<hufftree[s2].weight)s2=i;}}}//-------------------------------------------------------------------HuffmanTree::HuffmanTree(int w[],int s[],int n){num=n;int i1,i2;i1=i2=0;for(int i=0;i<2*num-1;i++)//外部叶子结点数为num个时，内部结点数为n-1，整个哈夫曼树的需要的结点数为2*num-1.{hufftree[i].parent=-1;hufftree[i].lchild=-1;hufftree[i].rchild=-1;}for(int j=0;j<num;j++){hufftree[j].weight=w[j];hufftree[j].str=s[j];}for(int k=num;k<2*num-1;k++) //构建哈夫曼树{Select(k-1,i1,i2); //在hufftree中找权值最小的两个结点i1和i2hufftree[i1].parent=k;hufftree[i2].parent=k;hufftree[k].weight=hufftree[i1].weight+hufftree[i2].weight;hufftree[k].lchild=i1;hufftree[k].rchild=i2;}}//-------------------------------------------------------------------void HuffmanTree::Huffmancode(char wen[]){ifstream in(wen);ofstream out("编码后的文件.txt");int start=MaxSize-1;int cha=0;char cd[MaxSize]; //存放一个编码cd[MaxSize-1]='\0';for(int i=0;i<num;i++){start=MaxSize-1;int c,f;for(c=i,f=hufftree[i].parent;f!=-1;c=f,f=hufftree[f].parent){if(hufftree[f].lchild==c) //置左分支编码0cd[--start]='0';else cd[--start]='1'; //置右分支编码1}strcpy(hufftree[i].bits,&cd[start]);//将编码存放在相应结点存储哈夫曼编码的数组中}cout<<"字符在数组中的下标及其编码如下："; //输出字符在数组中的位置及其编码for(int k=0;k<num;k++){if(k%3==0) cout<<endl;cout<<hufftree[k].str<<":"<<hufftree[k].bits<<'\t';}cout<<endl<<endl;for(char ch;in.get(ch);) //将逍遥游文件中各个字符转变成相应的编码，写入编码后的文件中{if((int)ch<0) cha=(int)ch+256;else cha=(int)ch;for(int j=0;j<num;j++)if(hufftree[j].str==cha)out<<hufftree[j].bits;}cout<<"编码成功！"<<endl;}//-------------------------------------------------------------------void HuffmanTree::Huffmandecode(){ifstream in("编码后的文件.txt");ofstream out("译码后的文件.txt");int i=2*num-2;for(char b;in>>b;){if(b=='0')i=hufftree[i].lchild;else i=hufftree[i].rchild;if(hufftree[i].lchild==-1){out<<(char)hufftree[i].str;i=2*num-2;}}cout<<"译码成功！"<<endl;}//-------------------------------------------------------------------（2）算法二设计用HuffmanRun.cpp保存如下：#include<iostream>#include"HuffmanTree.h"using namespace std;//---------------------------------------------------------void Run::runhuffman(char wen[]){ifstream in(wen);int w[MaxSize];int weight[MaxSize]; //存放各个字符的频率int str[MaxSize]; //存放逍遥游文件中各个字符在数组w中的位置(下标)int i=0;int n=0;int cha=0;for(int j=0;j<MaxSize;j++)w[j]=0;/*从文件逍遥游中依次读入字符，根据字符的ASCII码值将字符存入str[]数组的相应位置而weight[]数组的相应位置则记录该字符出现的频率*/for(char ch;in.get(ch);){if((int)ch<0) cha=(int)ch+256; //中文的ASCII码值为负数，加上256使其可以存放在数组中else cha=(int)ch;w[cha]++;}for(int k=0;k<MaxSize;k++)if(w[k]!=0){str[n]=k;weight[n]=w[k];n++;}cout<<"字符在数组中的下标及其权值如下："; //输出字符在数组中的位置及其权值for(int p=0;p<n;p++){if(p%6==0)cout<<endl;cout<<str[p]<<":"<<weight[p]<<'\t';}cout<<endl<<endl;HuffmanTree h(weight,str,n); //构造哈夫曼树h.Huffmancode(wen); //利用哈夫曼树进行编码及译码h.Huffmandecode();}//---------------------------------------------------------void Run::huffman(char wen[]){ifstream in(wen);int weight[MaxSize]; //存放各个字符的频率int str[MaxSize]; //存放逍遥游文件中各个字符在数组w中的位置(下标)int n=0;HuffmanTree h(weight,str,n); //构造哈夫曼树h.Huffmandecode();}void Run::compare(char wen[]){ifstream ina(wen);ifstream inc("译码后的文件.txt");char stringa[100000];int i=0;int flag=0;char stringc[100000];int j=0;for(char cha;ina>>cha;) //将文件逍遥游的内容读入数组stringa[]{stringa[i]=cha;i++;}stringa[i]='\0';for(char chc;inc>>chc;) //将译码后的文件内容读入数组stringc[]{stringc[j]=chc;j++;}stringc[j]='\0';/*比较文件逍遥游和译码后的文件内容，若相同则说明编码正确，若不同，则说明编码错误*/for(int k=0;stringa[k]!='\0'&&stringc[k]!='\0';k++)if(stringa[k]!=stringc[k]) flag=0;if(stringa[k]=='\0'&&stringc[k]=='\0') flag=1;else flag=0;if(flag==0)cout<<"逍遥游文件与译码后的文件不相同，编码错误！"<<endl;elsecout<<"逍遥游文件与译码后的文件相同，编码正确！"<<endl;}//---------------------------------------------------------（3）实现算法设计的主程序用HaffmanMain.cpp保存如下：#include<iostream>#include"HuffmanTree.h"using namespace std;void main(){char wenjian[20];int t=1;while(1){if(t==1){cout<<"请输入要编码的文件名：";cin>>wenjian;Run manager;manager.runhuffman(wenjian);pare(wenjian);}else{cout<<"请输入要译码的文件名：";cin>>wenjian;Run manager;manager.huffman(wenjian);}cout<<"请继续选择需要执行的功能："<<endl;cout<<"请问您是需要编码文件还是译码文件？"<<endl;cout<<"如果是要编码文件，那么请输入1；"<<endl;cout<<"如果是要译码文件，那么请输入0。