数据结构课程设计-（三）哈夫曼编码器

哈夫曼编/译码器
任务：建立最优二叉树函数。
要求：可以建立函数输入二叉树，并输出其哈夫曼树。
在上交资料中请写明：存储结构、基本算法（可以使用程序流程图）、输入输出、源程序、测试数据和结果、算法的时间复杂度、另外可以提出算法的改进方法；
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写一个哈夫曼码的编/译码系统。
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，建立哈夫曼树，并将它存于文件hfmTree中。
（2）E：编码（Encoding）。利用已建好的哈夫曼树（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）。利用已建好的哈夫曼树将文件CodeFile中的代码进行译码，结果存入文件TextFile中。
（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：印哈夫曼树（Tree printing）。将已在内存中的哈夫曼树以直观的方式（树或凹入表形式）显示在终端上，同时将此字符形式的哈夫曼树写入文件TreePrint中。

huffman树的数据结构定义如下：

typedef struct
{int weight;int lchild,rchild,parent;
} HTNode,*HuffmanTree;

（一）哈夫曼树的建立
1.从所给数据中选择两个最小的值

void Select(HuffmanTree HT,int n,int &s1,int &s2)
{int i=1;while(HT[i].parent!=0&&i<=n)//找到一个还没连接的，即parent=0；i++;if(i==n+1)return ;s1=i;i++;while(HT[i].parent!=0&&i<=n)//同上i++;if(i==n+1)return ;s2=i;i++;if(HT[s1].weight>HT[s2].weight)//让s1比s2小swap(s1,s2);for(; i<=n; i++){if(HT[i].parent==0){if(HT[i].weight<HT[s1].weight)s2=s1,s1=i;else if(HT[i].weight<HT[s2].weight)s2=i;}}return ;
}

2.根据输入的字符和权值建立哈夫曼树

void CreatHuffmanTree(HuffmanTree &HT,int n)
{if(n<=1)return ;int m=2*n-1;//树共有2n-1个节点HT=(HuffmanTree)malloc(sizeof(HTNode)*(m+1));//从1开始多申请一个for(int i=1; i<=m; i++)//初始化{HT[i].lchild=0;HT[i].parent=0;HT[i].rchild=0;HT[i].weight=0;}for(int i=1; i<=n; i++)cin>>HT[i].weight;int s1,s2;for(int i=n+1; i<=m; i++)//后n-1个节点的创建{Select(HT,i-1,s1,s2);//新节点的权值为两个最小的权值和HT[s1].parent=i;HT[s2].parent=i;HT[i].lchild=s1;HT[i].rchild=s2;HT[i].weight=HT[s1].weight+HT[s2].weight;}return ;
}

（二）根据哈夫曼树对字符进行编码

void CreatHuffmanCode(HuffmanTree &HT,char ** &HC,int n)
{char *col;HC=(char **)malloc(sizeof(char *)*(n+1));col=(char *)malloc(sizeof(char)*n);//存储每个编码的临时空间col[n-1]='\0';//为什么是n-1,n个节点创建的哈夫曼树高为n-1//路径条数为n-2，最长的只有n-2个数字。for(int i=1; i<=n; i++){int str=n-1;int p=i,f=i;while(HT[f].parent!=0)//从叶向上寻找{f=HT[f].parent;if(HT[f].lchild==p)col[--str]='0';else if(HT[f].rchild==p)col[--str]='1';p=f;}HC[i]=(char *)malloc(sizeof(char)*(n-str));    //为第i个字符编码分配空间strcpy(HC[i],&col[str]);//复制到编码中}free(col);return ;
}

（三）翻译文件中的码

void TransCode(HuffmanTree HT,char b[],char a[],char c[],int n)
{//b数组是要翻译的二进制编码//a数组是叶子对应的字符//c数组存储翻译得到的内容FILE *fw;int q=2*n-1;   //初始化为根结点的下标int k=0;int len=strlen(b);if((fw=fopen("textfile.txt","w"))==NULL)cout<<"Open file error!"<<endl;for(int i=0; i<len; i++){if(b[i]=='0')q=HT[q].lchild;else if(b[i]=='1')q=HT[q].rchild;if(HT[q].lchild==0&&HT[q].rchild==0)//叶子节点，此时可译{c[k++]=a[q];fputc(a[q],fw);q=2*n-1;}c[k]='\0';}return ;
}

（四）对文件中的字符进行编码

void Coding(HuffmanTree &HT,char ** &HC,int n,char a[])
{FILE *fp,*fw;char c;int k;if((fp=fopen("tobetran.txt","r"))==NULL)cout<<"Open file error!"<<endl;if((fw=fopen("codefile.txt","w"))==NULL)cout<<"Open file error!"<<endl;fscanf(fp,"%c",&c);//从文件中读取一个字符while(!feof(fp)){for(int i=1; i<=n; i++)if(a[i]==c)//找到对应的编码{k=i;break;}for(int i=0; HC[k][i]!='\0'; i++)//输出该字符编码fputc(HC[k][i],fw);fscanf(fp,"%c",&c);//继续下一个}fclose(fp);fclose(fw);return ;
}

（五）打印编码

void printf_code()
{FILE *fp,*fw;char temp;if((fp=fopen("codefile.txt","r"))==NULL)cout<<"error"<<endl;if((fw=fopen("codeprin.txt","w"))==NULL)cout<<"error"<<endl;cout<<"codefile.txt："<<endl;fscanf(fp,"%c",&temp);for(int i=1;!feof(fp);i++){printf("%c",temp);if(i%50==0)//50个一换行cout<<endl;fputc(temp,fw);//再写到codeprint文件中fscanf(fp,"%c",&temp);}cout<<endl;cout<<"编码已存入文件codeprin.txt"<<endl;fclose(fp);fclose(fw);
}

（六）打印哈夫曼树
（1）生成空格

void co_tree(unsigned char T[100][100],int s,int *m,int j,HuffmanTree HT)
{int k,l;l=++(*m);for(k=0;k<s;k++)//深度越深，前面空格越多T[l][k]=' ';T[l][k]=HT[j].weight;if(HT[j].lchild)co_tree(T,s+1,m,HT[j].lchild,HT);if(HT[j].rchild)co_tree(T,s+1,m,HT[j].rchild,HT);T[l][++k]='\0';return ;
}

（2）打印哈夫曼树

void printf_tree(int num,HuffmanTree HT)
{unsigned char T[100][100];FILE *fp;int m=0;co_tree(T,0,&m,2*num-1,HT);if((fp=fopen("treeprin.txt","w"))==NULL)cout<<"Open file error!"<<endl;for(int i=1;i<=2*num-1;i++){for(int j=0;T[i][j]!='\0';j++){if(T[i][j]==' ')//空格printf(" "),fputc(T[i][j],fp);else//字符printf("%u",T[i][j]),fprintf(fp,"%u",T[i][j]);}cout<<endl;fputc(10,fp);}fclose(fp);return ;
}

主函数部分：

int main()
{char a[100]; //存储要编码的所有字符char b[400];  //存储要翻译的二进制编码char c[100]; //存储翻译出来的结果HuffmanTree HT=NULL;char ** HC;while(1){char s1[]= {"结点"},s2[]= {"字符"},s3[]= {"权值"},s4[]= {"双亲"},s5[]= {"左孩子"},s6[]= {"右孩子"};int flag=1,choose,num,cc=0;menu();char temp;cout<<"选择操作:";cin>>choose;switch(choose){case 1:cout<<"输入字符个数：";cin>>num;cout<<"依次输入"<<num<<"个字符:";for(int i=1; i<=num; i++)cin>>a[i];cout<<"依次输入"<<num<<"个字符的权值:";CreatHuffmanTree(HT,num);//cout<<"结点i"<<"\t字符"<<"\t权值"<<"\t双亲"<<"\t左孩子"<<"\t右孩子"<<endl;//for(int i=1; i<=num*2-1; i++)//cout<<i<<"\t"<<a[i]<<"\t"<<HT[i].weight<<"\t"<<HT[i].parent<<"\t"<<HT[i].lchild<<"\t"<<HT[i].rchild<<endl;FILE *fp;if((fp=fopen("hfmtree.txt","w"))==NULL)cout<<"error"<<endl;fwrite(&s1,sizeof(s1),1,fp);fwrite(&s2,sizeof(s2),1,fp);fwrite(&s3,sizeof(s3),1,fp);fwrite(&s4,sizeof(s4),1,fp);fwrite(&s5,sizeof(s5),1,fp);fwrite(&s6,sizeof(s6),1,fp);fputc(10,fp);//10=/nfor(int i=1; i<=2*num-1; i++){fprintf(fp,"%-3d  ",i);fwrite(&a[i],1,1,fp);/*fprintf(fp,"    %-3d    ",HT[i].weight);fprintf(fp,"%-3d    ",HT[i].parent);fprintf(fp,"%-3d    ",HT[i].lchild);fprintf(fp,"%-3d    ",HT[i].rchild);fputc(10,fp);*/}fclose(fp);break;case 2:CreatHuffmanCode(HT,HC,num);cout<<"结点i\t"<<"字符\t"<<"权值\t"<<"编码\t"<<endl;for(int i=1; i<=num; i++)cout<<i<<"\t"<<a[i]<<"\t"<<HT[i].weight<<"\t"<<HC[i]<<endl;break;case 3:Coding(HT,HC,num,a);cout<<"二进制编码已存入codefile.txt"<<endl;break;case 4:cout<<"从codefile.txt文件中读取进行译码:"<<endl;if((fp=fopen("codefile.txt","rb"))==NULL)cout<<"error"<<endl;while(1){temp = fgetc(fp); //读一个字节。if(temp == EOF) break; //到文件尾，退出循环。b[cc++] =temp ;//赋值到字符数组中。}b[cc]='\0';printf("%s\n",b);fclose(fp);TransCode(HT,b,a,c,num);cout<<"译码结果:";printf("%s\n",c);cout<<"翻译结果已存入textfile.txt"<<endl;break;case 5:printf_code();break;case 6:cout<<"打印哈夫曼树："<<endl;printf_tree(num,HT);break;case 7:flag=0;break;default:cout<<"输入有误，重新输入"<<endl;continue;}if(flag==0)break;}return 0;
}

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