Huffman编码的设计与实现

文章目录

（一）设计描述
（二）需求分析
（三）详细设计
（四）代码实现与测试
（五）个人总结

（一）设计描述

1.题目描述
设计一个利用哈夫曼算法的编码和译码系统，重复地显示并处理以下项目，直到选择退出为止。

1) 输入一串字符，然后统计其中各个字符的个数,即每个字符的权值。
2)  进行初始化操作,并建立哈夫曼树；
3)  编码：利用建好的哈夫曼树生成哈夫曼编码，并输出编码；
4)  译码，即输入每个字符对应的二进制的编码（0或1），然后输出对应的字符。
5) 结束操作。

2.设计目的与要求

1）目的：

通过布置具有一定难度的实际程序设计项目，进一步理解和掌握课堂上所学各种基本抽象数据类型的逻辑结构、存储结构和操作实现算法

2）要求：

1.要求利用C\C++语言来完成系统的设计；
2.突出C语言的函数特征（以多个函数实现每一个子功能）或者C++语言面向对象的编程思想；
3.画出功能模块图；
4.进行简单界面设计，能够实现友好的交互；
5.具有清晰的程序流程图和数据结构的详细定义；
6.熟练掌握C语言或者C++语言的各种操作。

（二）需求分析

第一步	定义Treecount（哈夫曼树节点的个数），随后定义两个结构体，HTnode和HTcode，结构体HTnode储存数据信息，即（输入的字符（data），权值（weight），父结点（parent），左孩子（lchild），右孩子（rchild））。结构体HTnode储存结果信息，即（输入的字符（data），BT数组（储存哈夫曼编码结果），start（哈夫曼编码的起始位置），num统计各个字符的出现的个数，即权值，input 输入的字符）
第二步	定义字符指针P，数组letter[]和数组string[],数组letter用来调用数据 input，data，num；string[]用来输入字符，同时让指针P指向string[];由于数组是单个存储，判断字符是否相同，用account，num分别统计字母个数以及每个字符的对应次数，即求权值。
第三步	首先定义两个数组huffnode，array[]分别储存结点与字符，然后进行哈夫曼树的初始化，然后找到权值最小的两个结点，并记录当前下标。由于是逆序输出，左右子树的结点位置为2n-1；得知左右子树的权值后，让左右子树权值进行相加，把值赋给一个新的结点。
第四步	结构体HTcode实例化一个对象begin，并定义两个数组huffnode，huffcode，调用哈夫曼树，并记录编码的位置为n-1；倒序编码，并记录下标。然后回溯头结点，找到左孩子，赋值为0；找到右孩子赋值为1。然后进行start–，倒着计算编码，沿着父母结点往上走到结点，保存并求出每个叶子节点的哈夫曼编码与编码的起始位。
第五步	定义数组code数组，字符指针q，输入0和1的数字组合，此时哈夫曼树对应的叶子结点下标为2n-2；然后进行译码，如果读到0，从根结点的左孩子继续读入，直到读到1，然后继续读入，即读到了一个叶子（字符），即翻译一个字符成功，然后进行遍历输出结果。
第六步	用户选择结束系统

（三）详细设计

1.实现思想

1.首先要构造一棵哈夫曼树，哈夫曼树的结点结构包括权值，双亲，左右孩子；假如由n个字符来构造一棵哈夫曼树，则共有结点2n-1个；在构造前，先初始化，初始化操作是把双亲，左右孩子的下标值都赋为0；然后依次输入每个结点的权值

2.第二步是通过n-1次循环，每次先找输入的权值中最小的两个结点，把这两个结点的权值相加赋给一个新结点，，并且这个新结点的左孩子是权值最小的结点，右孩子是权值第二小的结点；鉴于上述找到的结点都是双亲为0的结点，为了下次能正确寻找到剩下结点中权值最小的两个结点，每次循环要把找的权值最小的两个结点的双亲赋值不为0（i）.就这样通过n-1循环下、操作，创建了一棵哈夫曼树，其中，前n个结点是叶子（输入的字符结点）后n-1个是度为2的结点

3.编码的思想是逆序编码，从叶子结点出发，向上回溯，如果该结点是回溯到上一个结点的左孩子，则在记录编码的数组里存“0”，否则存“1”，注意是倒着存；直到遇到根结点（结点双亲为0），每一次循环编码到根结点，把编码存在编码表中，然后开始编码下一个字符（叶子）

4．译码的思想是循环读入一串哈夫曼序列，读到“0”从根结点的左孩子继续读，读到“1”从右孩子继续，如果读到一个结点的左孩子和右孩子是否都为0，如果是说明已经读到了一个叶子（字符），翻译一个字符成功，把该叶子结点代表的字符存在一个存储翻译字符的数组中，然后继续从根结点开始读，直到读完这串哈夫曼序列，遇到结束符便退出翻译循环

3.2 创建哈夫曼树图示
已知叶子节点为{10，20，30，40}，以这4个权值构建树b的过程为：

3.实现流程图

（四）代码实现与测试

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<windows.h>#define Treecount 50            //最大叶结点个数
#define MAXSIZE 500
typedef struct node {char data;int weight;int parent;int lchild;int rchild;
} HTnode;
typedef struct code {char  data;int BT[MAXSIZE];      //数组，存放字符的哈夫曼编码int start;           //该编码在数组中的开始位置char input;int num;
} HTcode;
void Createhufftree(HTnode HuffNode[],int n,HTcode array[]) {   // array[]: 用来存储字符及其权值int i,j;int minfirst,minsecond;int Lnode,Rnode;for(i=0; i<2*n-1; i++) {HuffNode[i].data=0;HuffNode[i].weight=0;HuffNode[i].parent=-1;HuffNode[i].lchild=-1;HuffNode[i].rchild=-1;}for(i=0; i<n-1; i++) {minfirst=minsecond=32767;  //给最小和次小的树赋最大值Lnode=Rnode=-1;for(j=0; j<n+i; j++) {if(HuffNode[j].parent==-1 && HuffNode[j].weight<minfirst) {    //每次找出剩下的最小权值，并将最小权值赋给次小minfirst=minsecond;Rnode=Lnode;minfirst=HuffNode[j].weight;Lnode=j;   //记录下标} else if(HuffNode[j].parent==-1 && HuffNode[j].weight<minsecond) {minsecond=HuffNode[j].weight;Rnode=j;}}HuffNode[Lnode].parent = n+i;HuffNode[Rnode].parent = n+i;HuffNode[n+i].weight = HuffNode[Lnode].weight+HuffNode[Rnode].weight;HuffNode[n+i].lchild = Lnode;HuffNode[n+i].rchild = Rnode;}for(i=0; i<n; i++) {HuffNode[i].weight=array[i].num;    //将字符个数赋给权值HuffNode[i].data=array[i].input;}
}
void QQ() {printf("请输入二进制译码启动密码，密码错误默认结束（即为默认退出）：");long sercret;scanf("%d",&sercret);if(sercret==11011) {Sleep(1000);} else {Sleep(1000);printf("非法操作，结束系统");exit(-1);}
}
void  HuffmanCoding(int  n, HTcode array[]) {// array[]: 用来存储字符及其权值HTnode  HuffNode[1000];HTcode  HuffCode[Treecount];HTcode  begin;FILE *fp;fp=fopen("D:\\a.txt","w");Createhufftree(HuffNode,n,array);int  i, j ;int  loc,p;char code[30],*q;for(i=0; i<n; i++) {begin.start=n-1;                  //编码的开始位置loc=i;p=HuffNode[loc].parent;while(p!=-1) {if(HuffNode[p].lchild==loc)begin.BT[begin.start]=0;elsebegin.BT[begin.start]=1;begin.start--;                       //倒着计算编码loc=p;                               //沿着父母结点往上走到顶点p=HuffNode[loc].parent;}for(j=begin.start+1; j<n; j++)HuffCode[i].BT[j]=begin.BT[j];HuffCode[i].start=begin.start;                      //   保存求出的每个叶节点的哈夫曼编码和编码的起始位printf("\n");}printf("各个字符对应的二进制编码(1//0//1//0)如下：\n");for(i=0; i<n; ++i) {printf("字符%c的密文:",HuffNode[i].data);for(j=HuffCode[i].start + 1; j<n; j++)      //start走过了，加一恢复到开始位，编码个数小于nprintf("%d", HuffCode[i].BT[j]);printf("\n");}printf("\n");printf("编码成功，1s后打印哈夫曼编码：\n");Sleep(1000);for(i=0; i<n; ++i) {for(j=HuffCode[i].start+1; j<n; j++) {fprintf(fp,"%d",HuffCode[i].BT[j]);}for(j=HuffCode[i].start + 1; j<n; j++) {printf("%d", HuffCode[i].BT[j]);}}printf("\n\n");if(i>0) {QQ();}//   译码：system("cls");printf("            ----- ∮哈夫曼译码系统已经就绪 ∮-------        \n");printf("各字符的对应的编码如下：\n"); for(i=0; i<n; ++i) {printf("字符%c的密文:",HuffNode[i].data);for(j=HuffCode[i].start + 1; j<n; j++)      //start走过了，加一恢复到开始位，编码个数小于nprintf("%d", HuffCode[i].BT[j]);printf("\n");}printf("                  --> 请输入对应的二进制数字：              \n");scanf("%s",&code);q = code;loc = 2*n -2;                                  //    哈夫曼树的根节点下标printf("译码成功，正在打印译码结果：\n");Sleep(2000);while( *q != NULL) {if( *q== '0') {loc = i =HuffNode[loc].lchild;if(HuffNode[loc].lchild == -1 && HuffNode[loc].rchild == -1) {printf("%c",HuffNode[i].data);fprintf(fp,"%c",HuffNode[i].data);loc = 2*n - 2;}} else if(*q == '1') {loc = i = HuffNode[loc].rchild;if(HuffNode[loc].lchild == -1 && HuffNode[loc].rchild == -1) {fprintf(fp,"%c",HuffNode[i].data);printf("%c",HuffNode[i].data);loc = 2*n-2;                       // 重新从根遍历}} else {printf("非法输入！");}q++;}printf("\n");fclose(fp);
}
void menu() {system("color F");printf("                                                      ");printf("                                                     \n");printf("   ____〓〓〓〓〓〓〓〓〓〓〓〓〓〓〓〓〓〓〓____    \n");printf("               ||  哈夫曼编码  ||                    \n");printf("        _________☆界面选择如下☆_________           \n");printf("                                                     \n");printf("             -> 1 ☆.编码与译码                      \n");printf("             -> 2 ☆.结束系统                        \n");printf("------------ ☆             ☆-----------------      \n");printf("              ∮请手动输入编号：              ");
}
void Treeaction() {HTcode letter[50];char string[1000], *p;int i, account=0;printf("          ----- ∮哈夫曼编码系统已经就绪 ∮-------        \n");printf("            》》  请输入你要编码的字符串:");scanf("%s",&string);for(i=0; i<50; i++) {letter[i].input=0;letter[i].num=0;}p=string;while(*p!=NULL) {for(i=0; i<=account+1; i++) {if(letter[i].input==NULL) {      //letter[i].input存储所有的字符,用letter[i].num存储相同的字符的数量letter[i].input=*p;letter[i].num++;account++;                       // 统计不同字符的个数break;} else if(letter[i].input==*p) {letter[i].num++;break;}}p++;}printf("\n");printf("不同的明文(字符)个数:%d\n",account);printf("\n");printf("输出输入的字符的权值\n");for(i=0; i<account; i++) {       //输出不同字符及其所对应的权值printf("当前字符%c的权值为%d",letter[i].input,letter[i].num);printf("\n");}printf("\n");HuffmanCoding(account,letter);}
int main() {int  n,flaglist=1;char choice;while(flaglist) {menu();scanf("%d",&n);switch(n) {case 1:system("cls");Treeaction();printf("\n");printf("2秒后系统进行返回！\n") ;Sleep(2000);printf("\n");system("cls");printf("已经返回！\n"); printf("请根据个人意愿进行操作！\n");printf("\n");break;case 2:exit(0);}}return 0;
}

（五）个人总结

通过这次课程设计，我收获了很多，认清了课程设计的需求，更认清了自己。谈起缺点，自己代码实现的能力也是破绽百出，对相对较难的题目不能冷静解决，经常犯一些低级的错误。然无独有偶，自己也有优点，自己思想上能理解难题，并尝试解决难题，考虑比较周到。
这次的课程设计，难度处于中等地位，但实现起来并不没有想象中的那么容易。它需要考虑多种因素，必须充分理解题目要求，化大难题为多个小难题，把具体实现步骤细分，认真完成每一步步骤，然后综合实现题目对应的问题。时间如白驹过隙，无声滑过指尖。
学期即将完结，即将大二，不免多生感想。回想一年时光，自己虽说付出努力，然并不能收益众多。深知自己与他人之差距，然必须成为优秀者，方可日后有一席之地。

我没有科学家的那样的天赋异禀，而我却又有一颗积极向上的心，以“努力不一定成功，但不努力绝不会成功”为座右铭，付诸行动与汗水，不忘初心，厚积薄发。正如诗人王之涣所说:“欲穷千里目，更上一层楼。”要有“燕雀安知鸿鹄之志”的眼光，实现能力之飞跃，思想之迅捷，然自己必须十分努力，才能看起来毫不费力。
风雨过后才会见到彩虹。你尽管去努力，剩下的交给天命。定当不忘学习，砥砺前行。肺腑之言，溢于言表。