实验报告哈夫曼编译码系统的设计与实现

数据结构实验报告哈夫曼编/译码系统的设计与实现（该实验为设计性实验，共用6个学时）实验要求：1．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设计一个哈夫曼编/译码系统。

2．一个完整的系统应具有以下功能：1）初始化（Initialzation）。

从数据文件DataFile.dat中读入字符及每个字符的权值，建立哈夫曼树HuffTree；2）编码（EnCoding）。

用已建好的哈夫曼树,对文件ToBeTran.dat中的文本进行编码形成报文，将报文写在文件Code.txt中；3）译码（Decoding）。

利用已建好的哈夫曼树，对文件CodeFile.dat中的代码进行译码形成原文，结果存入文件Textfile.txt中；4）输出（Output）:输出ToBeTran.dat及其报文Code.txt；输出CodeFile.dat及其原文Textfile.txt；[备注]：1）数据文件DataFile.dat中，元素类型为（字符，权值） , DataFile.dat的建立可以根据用户输入的一段原文，通过统计出现的字符及各字符出现的次数（与出现的概率作用相同）而得到。

另：为了使输出的哈夫曼树不太大，规定报文中只能出现A-H的8个字符，当然对程序稍加修改就可以对出现的所有可输和字符进行处理。

2）ToBeTran.dat中的内容由用户在程序执行时从键盘随机输入得到；3）CodeFile.dat中的内容由用户在程序执行时从键盘随机输入得到；DataFile.dat、ToBeTran.dat、CodeFile.dat在程序运行时建立是为了保证编/译码系统的通用性；三．总的设计思想，及环境语言、工具等总的设计思想：1．根据实验要求，先创建文件DataFile.dat、ToBeTran.dat和CodeFile.dat；用下面三个函数实现；void creatDataFile( )； //创建数据文件void creatToBeTran( )；//创建原文文件void creatCodeFile( )；//创建报文文件2.从文件DataFile.dat中读出各字符及相应的权值，创建哈夫曼树HT；3.根据构造的哈夫曼树，求相应字符的哈夫曼编码；4．从文件ToBeTran.dat中读出要翻译的原文，将其翻译成译文存入文件Code.txt中5．从文件CodeFile.dat中读出要翻译的报文，将其翻译成原文存入文件Textfile.txt中环境语言：Windows下的Microsoft VC++四、数据结构与模块说明在这个系统中，哈夫曼树的存储结构采用顺序存储；其结点结构为：程序中用到的头文件、类型定义及主要的函数原型如下：#include"stdio.h"#include"malloc.h"#include"string.h"#define char_num 8typedef struct{ char ch ; int w;} DFileNode ;// 定义数据文件的元素类型typedef struct //赫夫曼树和赫夫曼编码的存储表示{char ch; //相应字符int weight;//字符的权值int parent,lchild,rchild;//双亲、左、右孩子指针（下标）char *next; // 指向该字符的编码的指针}HTNode,*HuffmanTree; // 动态分配数组存储赫夫曼树HuffmanTree HT;void creatDataFile( )//创建数据文件void creatToBeTran( )//创建原文文件void creatCodeFile( )//创建报文文件int min(HuffmanTree t,int i)；// 求无双亲且权值最小的结点，函数void select()调用void select(HuffmanTree t,int i,int &s1,int &s2)；// s1为最小的两个值中序号小的那个void print_huff_tree(HuffmanTree HT ,int n)；//输出哈夫曼树，在必要时调用以验证算法的正确性void creatHuffmanTree( HuffmanTree &HT, int n)；//创建含n叶子结点的哈夫曼树,字符及权值在文件DataFile.dat中即初始化void HuffmanCoding(HuffmanTree &HT,int n)；//对有n个叶子结点的哈夫曼树上的叶子结点进行编码void EnCoding()//编码:对文件ToBeTran.dat中的文本进行编码，放在文件Code.txt中void Decoding( )；//译码:对文件CodeFile.dat中的报文进行译码，放在文件Textfile.txt中void output( )；//输出原文和对应的译文；输出报文和对应的原文；五、主要算法的设计与实现void creatHuffmanTree( HuffmanTree &HT, int n){//创建含n叶子结点的哈夫曼树,字符及权值在文件DataFile.dat中即初始化Initialzation FILE *f1;int m,i,s1,s2;HuffmanTree p;DFileNode s; //从文件中读数据时用；m=2*n-1;f1=fopen("DataFile.dat","rb");HT=(HuffmanTree)malloc((m+1)*sizeof(HTNode)); //0号单元未用printf("字符及相应的权值为：");{fread(&s,1,sizeof(DFileNode),f1); //从文件中读一个数给s,构造叶子printf("(%c,%d)",s.ch,s.w);(*p).ch=s.ch;(*p).weight=s.w;(*p).parent=0;(*p).lchild=0;(*p).rchild=0;(*p).next=NULL;}fclose(f1);printf("\n");for(;i<=m;++i,++p){ (*p).ch=' ';(*p).parent=0;(*p).lchild=0;(*p).rchild=0;(*p).next=NULL;} for(i=n+1;i<=m;++i)//建n-1个分支结点{ // 在HT[1~i-1]中选择parent为0且weight最小的两个结点,其序号分别为s1和s2 select(HT,i-1,s1,s2);HT[s1].parent=HT[s2].parent=i;HT[i].lchild=s1;HT[i].rchild=s2;HT[i].weight=HT[s1].weight+HT[s2].weight;}}void HuffmanCoding(HuffmanTree &HT,int n)//对有n个叶子结点的哈夫曼树上的叶子结点进行编码{char *cd;int i,start,c,f;cd=(char*)malloc(n*sizeof(char)); // 分配求编码的工作空间cd[n-1]='\0'; // 编码结束符for(i=1;i<=n;i++){ // 逐个字符求赫夫曼编码start=n-1; // 编码结束符位置for(c=i,f=HT[i].parent;f!=0;c=f,f=HT[f].parent)// 从叶子到根逆向求编码if(HT[f].lchild==c)cd[--start]='0';elsecd[--start]='1';HT[i].next=(char*)malloc((n-start)*sizeof(char));// 为第i个字符编码分配空间strcpy(HT[i].next,&cd[start]); // 从cd复制编码(串)到HC}free(cd); // 释放工作空间void EnCoding()//编码:对文件ToBeTran.dat中的文本进行编码，放在文件Code.txt中{FILE *f1, *f2;char c;int s,i;f1=fopen("ToBeTran.dat","r");//打开文件ToBeTran.dat为了读f2=fopen("Code.txt","w");//打开文件Code.txt为了写// printf("原文：");while(fread(&c,1,sizeof(char),f1)){ i=1;while(HT[i].ch!=c) i++;//printf("%c",c);fputs(HT[i].next,f2);}//printf("\n");fclose(f1);fclose(f2);//f2=fopen("Code.txt","r");//printf("译文：");//while(fread(&c,1,sizeof(char),f2)) putchar(c);//printf("\n");fclose(f2);}void Decoding( )//译码:对文件CodeFile.dat中的报文进行译码，放在文件Textfile.txt中{FILE *f1, *f2;char c;int s,i,p;f1=fopen("CodeFile.dat","rb");f2=fopen("Textfile.txt","w");//printf("报文：");p=2*char_num-1; //P指向哈夫曼树的根while(fread(&s,1,sizeof(int),f1)){// printf("%d",s);if(s==0) p=HT[p].lchild; else p=HT[p].rchild;if(HT[p].lchild==0){ c=HT[p].ch; fputc(c,f2); p=2*char_num-1; //让P重新指向哈夫曼树的根}}printf("\n");fclose(f1);fclose(f2);//f2=fopen("Textfile.txt","r");//while(fread(&c,1,sizeof(char),f2)) putchar(c);//printf("\n");//fclose(f2);}六、源程序见电子稿(文件名为: .cpp ); //文件名由自己取七、运行结果与运行情况第一次运行：创建数据文件DataFile.dat请输入一段仅包含大写字母A--H的一段文字以#结束ABCHHDHFGEHDBCHDGFA#字符及每个字符出现的次数(字符，出现次数)(A ,2) , (B ,2) , (C ,2) , (D ,3) , (E ,1) , (F ,2) , (G ,2) , (H ,5) 初始的哈夫曼树:字符权值双亲左孩子右孩子指向编码的指针A 2 9 0 0 ->(null)B 2 10 0 0 ->(null)C 2 10 0 0 ->(null)D 3 12 0 0 ->(null)E 1 9 0 0 ->(null)F 2 11 0 0 ->(null)G 2 11 0 0 ->(null)H 5 14 0 0 ->(null)3 12 1 5 ->(null)4 13 2 3 ->(null)4 13 6 7 ->(null)6 14 4 9 ->(null)8 15 10 11 ->(null)11 15 8 12 ->(null)19 0 13 14 ->(null)编码后的哈夫曼树:字符权值双亲左孩子右孩子指向编码的指针A 2 9 0 0 ->1110B 2 10 0 0 ->000C 2 10 0 0 ->001D 3 12 0 0 ->110E 1 9 0 0 ->1111F 2 11 0 0 ->010G 2 11 0 0 ->011H 5 14 0 0 ->103 12 1 5 ->(null)4 13 2 3 ->(null)4 13 6 7 ->(null)6 14 4 9 ->(null)19 0 13 14 ->(null)字符A的编码为:1110 字符B的编码为:000 字符C的编码为:001 字符D的编码为:110 字符E的编码为:1111 字符F的编码为:010 字符G的编码为:011 字符H的编码为:10创建原文文件,请输入一段仅包含大写字母A--H的一段文字作为原文以#结束ABCGDBCHFE#原文：ABCGDBCHFE译文：1110000001011110000001100101111创建报文文件,请输入一段仅包含0和1的一段文字作为原文以2作为结束标志. 输入报文中的第一个代码0或1（为整数类型)0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 0 20 0 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 0报文:0000111001010原文:BGHFH第二次运行创建数据文件DataFile.dat请输入一段仅包含大写字母A--H的一段文字以#结束AABABABABABAEGHF#字符及每个字符出现的次数(字符，出现次数)(A ,7) , (B ,5) , (C ,0) , (D ,0) , (E ,1) , (F ,1) , (G ,1) , (H ,1) , 初始的哈夫曼树:字符权值双亲左孩子右孩子指向编码的指针A 7 15 0 0 ->(null)B 5 14 0 0 ->(null)C 0 9 0 0 ->(null)D 0 9 0 0 ->(null)E 1 10 0 0 ->(null)F 1 11 0 0 ->(null)G 1 11 0 0 ->(null)H 1 12 0 0 ->(null)0 10 3 4 ->(null)1 12 5 9 ->(null)2 13 6 7 ->(null)2 13 8 10 ->(null)4 14 11 12 ->(null)9 15 2 13 ->(null)16 0 1 14 ->(null)编码后的哈夫曼树:字符权值双亲左孩子右孩子指向编码的指针A 7 15 0 0 ->0B 5 14 0 0 ->10C 0 9 0 0 ->111110D 0 9 0 0 ->111111G 1 11 0 0 ->1101H 1 12 0 0 ->11100 10 3 4 ->(null)1 12 5 9 ->(null)2 13 6 7 ->(null)2 13 8 10 ->(null)4 14 11 12 ->(null)9 15 2 13 ->(null)16 0 1 14 ->(null)字符A的编码为:0 字符B的编码为:10 字符C的编码为:111110字符D的编码为:111111 字符E的编码为:11110 字符F的编码为:1100字符G的编码为:1101 字符H的编码为:1110创建原文文件,请输入一段仅包含大写字母A--H的一段文字作为原文以#结束ABCBDGFBCGD#原文：ABCBDGFBCGD译文：0101111101011111111011100101111101101111111创建报文文件,请输入一段仅包含0和1的一段文字作为原文以2作为结束标志.输入报文中的第一个代码0或1（为整数类型)0 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 0 20 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 0报文:0001010101000原文:AAABBBBAAPress any key to continue八、自我评析与总结该实验做得比较成功，例如在编写调试程序时，并不是仅仅把目标局限在编译通过，执行有结果上。