数据结构与算法（C语言版）---哈夫曼编译码器

1、需求分析

1.1、问题阐述

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写一个哈夫曼码的编/译码系统。

1.2、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，建立哈夫曼树,并将它存于文件hfmTree中。

(2) E:编码(Encoding).利用以建好的哈夫曼树(如不在内存,则从文件hfm'Tree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。

1.3、测试数据

（1）利用教科书例6-2的数据测试程序：

（2）用下表给出的字符集和权重建立哈夫曼树，并实现以下报文的编码和译码：“THIS PROGRAM IS MY FAVORITE”。

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

2、设计概要

利用数组开到2*n-1的内存来存储哈夫曼树，然后利用文件流的操作读取、保存文件来实现各个功能。

3、详细设计

对于I初始化操作，从终端读取字符集大小n和n个字符，n个权值，然后开数组2*n-1，遍历n到2*n-1 ，每次查询数组0-N中没有双亲的结点的最小和次小结点作为该结点的左、右子节点。以此建立哈夫曼树，然后将哈夫曼树的各个数据存储进hfmTree.txt文件中。
对于E编码操作，利用建立好的哈夫曼树，首先进行各个字符的二进制码的编写，代码中利用了递归的算法，每次都对结点进行二进制编码赋值，然后递归左子树加个“0”，右子树则加个“1”，这样便生成了每个结点的二进制编码串了，然后读入文件ToBETran.txt文件中的数据，遍历数据中每一个字符，对每个字符代表的二进制编码存进Code File.txt文件中，便成功完成了编码。
对于D 译码操作，读取Code File.txt文件中的数据，定义一个pi=2*n-2（代表根节点），然后遍历数据，如果该数据为‘0’，则pi = hfmtree[pi].lchild,等于它的左子树的结点，否则pi 就等于它的右子树的结点，如果此时pi刚好为叶子节点，那么可以直接输出pi结点代表的字符，同时将pi再次赋值为2*n-2。最后便完成了所有数据的译码，并且存储进TextFile.txt文件。
对于P印代码文件操作，首先读取出CodeFile文件中的数据，然后以每行50个输出，代码设置了一个pi=1，在循环中pi与一直加1，如果pi%50==0就输出u按行符，并且将换行好的数据存放进CodePrin.txt文件中。
对于T打印哈夫曼树操作，我们利用了二位字符数组存放字符，首先全部赋值为空格，其次利用前序遍历哈夫曼树，将结点用‘o’存进二维数组中，最终我们可以以直观的形似看到这棵树，然后再输出它的前序遍历结果即可。

4、用户手册

输入I、E、D、P、T、Q进行不同的操作。

5、测试数据

①对测试数据（1）的测试结果：

1.当输入I时会初始化输入字符集和频率并建立哈夫曼树，同时将哈夫曼树的数据保存进hfmTree.txt文件中。（代码会自动将频度换成权重）

2.输入E时，会创建二进制哈夫曼编码，并且从ToBetran文件中读取的正文进行编码，然后将编码存放于CodeFile文件。（测试的ToBetran文件为：“ABBCAAEFGH”）。结果完全正确！

3.当输入D时，会对CodeFile文件中的二进制编码进行译码，译码后，将结果存进TextFile文件中。如图，译码的结果和我们文件中的样例完全一致，说明结果正确！

4.当输入P时，进行打印编码操作，将CodeFile文件中的数据以50一行在终端进行显示，然后存储进CodePrin文件，结果以50一行输出在终端，并且已经存进了CodeFile文件中，结果正确！

5.当输入T时，系统会打印哈夫曼树：这里以‘o’作为结点，更加的美观，便于观看，同时输出它的前序遍历结果。如图：结果正确。

6.当输入Q时，直接退出：

②对测试数据（2）的测试结果：

1.当输入I时会初始化并建立哈夫曼树，同时将哈夫曼树的数据保存进hfmTree.txt文件中。

2.输入E时，会创建二进制哈夫曼编码，并且从ToBetran文件中读取的正文进行编码，然后将编码存放于CodeFile文件。（测试样例提供的ToBetran文件为：“THIS PROGRAM IS MY FAVORITE”）。结果完全正确！

3.当输入D时，会对CodeFile文件中的二进制编码进行译码，译码后，将结果存进TextFile文件中。如图，译码的结果和我们文件中的样例完全一致，说明结果正确。

4.当输入P时，进行打印编码操作，将CodeFile文件中的数据以50一行在终端进行显示，然后存储进CodePrin文件，结果以50一行输出在终端，并且已经存进了CodeFile文件中，结果正确！

5.当输入T时，系统会打印哈夫曼树：这里以‘o’作为结点，更加的美观，便于观看，同时输出它的前序遍历结果。由于数据过多，打印出来在终端自动换行了，所以利用小的数据进行对打印操作的测试，利用（A B C D E）权重为：（3 2 4 5 7）；如图：结果正确。

6.当输入Q时，直接退出：

附录

源程序文件名清单：

CodeFile.txt

CodePrin.txt

hfmTree.txt

TextFile.txt

ToBetran.txt
哈夫曼编译码器.cpp
哈夫曼编译码器.exe

5、源代码

//
// Created by stu_kk on 2022/4/16.
//
#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;
int n = 0;
char word[10001];//
int wei[10001];//权重
typedef struct HuffmanTree{char pi;int weight;int parent,lchild,rchild;
}Tree;
string code[10000];
//初始化操作
Tree *hftree;
void crearteTree(int n){hftree= (Tree*) malloc(sizeof(Tree)*(2*n-1));for(int i = 0;i<n;i++){hftree[i].pi = word[i];hftree[i].weight = wei[i];hftree[i].parent = hftree[i].lchild = hftree[i].rchild = -1;}for(int i = n;i<2*n-1;i++){hftree[i].parent = -1;hftree[i].pi = '$';int min = 1000000;//最小int cmin = 1000000;//次小int mpi = -1;int cmpi = -1;for(int j = 0;j<i;j++){if(hftree[j].parent == -1) {if (hftree[j].weight < min) {if(min < cmin){cmin = min;cmpi = mpi;}min = hftree[j].weight;mpi = j;}else {if (hftree[j].weight < cmin) {cmin = hftree[j].weight;cmpi = j;}}}}hftree[i].weight = cmin+min;hftree[i].lchild = mpi;hftree[i].rchild = cmpi;hftree[mpi].parent = i;hftree[cmpi].parent = i;}
}
void Init(){cout<<"输入的是（1.权重）还是（2.字符出现频率）"<<endl;int is1;cin>>is1;if(is1 == 1){cout<<"输入字符集大小:";cin>>n;cout<<"输入"<<n<<"个字符集:（如果输入的是空格，请用'.'表示）";for(int i = 0;i<n;i++){cin>>word[i];}cout<<"输入"<<n<<"个字符集的权重:";for(int i = 0;i<n;i++){cin>>wei[i];}}else{cout<<"输入字符集大小:";cin>>n;cout<<"输入"<<n<<"个字符集:（如果输入的是空格，请用'.'表示）";for(int i = 0;i<n;i++){cin>>word[i];}cout<<"输入"<<n<<"个字符集的出现频率:";for(int i = 0;i<n;i++){double as;cin>>as;wei[i] = as * 100;}};cout<<"输入数据成功，正在创建哈夫曼树......."<<endl;crearteTree(n);cout<<"创建哈夫曼树成功，下面输出该哈夫曼树的参数。"<<endl;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 = 0;i<2*n-1;i++){cout<<i<<"\t"<<hftree[i].pi<<"\t"<<hftree[i].weight<<"\t"<<hftree[i].parent<<"\t"<<hftree[i].lchild<<"\t"<<hftree[i].rchild<<endl;}FILE *fp;if((fp = fopen("hfmTree.txt","w")) == NULL){cout<<"打开文件失败"<<endl;}//数据存进hfmTree.txt文件for(int i = 0;i<2*n-1;i++){fprintf(fp,"%d ",i);fwrite(&word[i],1,1,fp);fprintf(fp," %d ",hftree[i].weight);fprintf(fp,"%d ",hftree[i].parent);fprintf(fp,"%d ",hftree[i].lchild);fprintf(fp,"%d ",hftree[i].rchild);}fclose(fp);cout<<"哈夫曼树创建成功并且存入文件hfmTree.txt中了！！！"<<endl;
}
//初始化操作//EEEEEEEEEEEEEEE编码编码
void bianma(Tree *tree,int pi,string s){//递归编码code[tree[pi].pi] = s;if(tree[pi].lchild != -1)bianma(tree,tree[pi].lchild,s+"0");if(tree[pi].rchild != -1)bianma(tree,tree[pi].rchild,s+"1");
}
void E(){//编码bianma(hftree,2*n-2,"");cout<<"二进制码生成成功，编码结果为:"<<endl;cout<<"结点i"<<"\t字符"<<"\t权值"<<"\t编码"<<endl;for(int i = 0;i<n;i++){cout<<i<<"\t"<<hftree[i].pi<<"\t"<<hftree[i].weight<<"\t"<<code[hftree[i].pi]<<endl;}cout<<"接下来读取ToBetran文件的正文并且进行编码:"<<endl;FILE *fp = fopen("ToBetran.txt","r");char mp[1001];int po = 0;while(1){char di = fgetc(fp);if(di == EOF)break;mp[po++] = di;}fclose(fp);string s = mp;cout<<mp<<"的编码为: ";string ans = "";for(int i = 0;i<po;i++){if(mp[i]==' '){mp[i] = '.';}cout<<code[mp[i]];ans += code[mp[i]];}cout<<endl;cout<<"将编好的码存进CodeFile.txt中"<<endl;FILE *p = fopen("CodeFile.txt","w");char nnp[ans.length()];for(int i = 0;i<ans.length();i++){nnp[i] = ans[i];}fwrite(nnp,sizeof(nnp),1,p);fclose(p);cout<<"编好的码存进CodeFile.txt成功!!!"<<endl;
}
//EEEEEEEEEE编码编码void Menu(){cout<<"---------------哈夫曼编码器/译码器----------------"<<endl;cout<<"   I:初始化并创建哈夫曼树        E:编码           "<<endl;cout<<"   D:对二进制码进行译码         P:打印编码        "<<endl;cout<<"   T:哈夫曼树                  Q:退出            "<<endl;cout<<"-----------------------------------------------"<<endl;
}
void D(){cout<<"先将CodeFile文件中的二进制编码取出:"<<endl;FILE *p = fopen("CodeFile.txt","r");char ch[10001] ;int po = 0;while(true){char as = fgetc(p);if(as == EOF)break;ch[po++] = as;}cout<<"CodeFile文件中的二进制编码为:"<<ch<<endl;cout<<"接着对二进制编码进行翻译:"<<endl;cout<<ch<<"的翻译结果为:";int pi = 2*n-2;string ans = "";for(int i  =0;i < po;i++){if(ch[i] == '0'){pi = hftree[pi].lchild;}else{pi = hftree[pi].rchild;}if(hftree[pi].lchild == -1 && hftree[pi].rchild == -1){if(hftree[pi].pi == '.'){ans+=' ';}elseans+=hftree[pi].pi;pi = 2*n-2;}}cout<<ans<<endl;cout<<"将其存进TextFile文件中"<<endl;FILE *fp = fopen("TextFile.txt","w");for(int i = 0;i<ans.length();i++)fprintf(fp,"%c",ans[i]);fclose(fp);cout<<"数据存进TextFile文件成功！"<<endl;
}
//DDDDDDDDDDD//PPPPPPP
void P(){cout<<"将CodeFile文件中的数据以50一行在终端进行显示，然后存储进CodePrin文件:"<<endl;FILE *cf = fopen("CodeFile.txt","r");FILE *cp = fopen("CodePrin.txt","w");char temp;fscanf(cf,"%c",&temp);for(int i = 1;!feof(cf);i++){cout<<temp;fputc(temp,cp);fscanf(cf,"%c",&temp);if(i%50 == 0) {cout << endl;fputc('\n',cp);}}cout<<endl;cout<<"存储进CodePrin文件成功！"<<endl;
}
//PPPPPP//TTTTTTTT
char mp[151][151];
void prin(int l,int r,int num,int ceng){mp[l][r] = hftree[num].weight;if(hftree[num].lchild !=-1){prin(l+1,r - (ceng - l - 1),hftree[num].lchild,ceng);}if(hftree[num].rchild !=-1){prin(l+1,r + (ceng - l - 1),hftree[num].rchild,ceng);}
}
int findchenshu(int pi){//递归计算层数if(pi == -1){return 0;}int lnum = findchenshu(hftree[pi].lchild) + 1;int rnum = findchenshu(hftree[pi].rchild) + 1;return max(lnum,rnum);
}
void out(int pi){if(pi == -1){return ;}cout<<hftree[pi].pi<<"\t"<<hftree[pi].weight<<endl;out(hftree[pi].lchild);out(hftree[pi].rchild);
}
void T(){cout<<"打印哈夫曼树："<<endl;int num = 2*n-2;memset(mp,' ',sizeof(mp));//先都存为空格int cengshu = findchenshu(2*n-2);//计算层数cout<<"测试：层数为:"<<cengshu<<endl;int zhongjian = 1;for(int i = 1;i<=cengshu;i++){zhongjian *= 2;}zhongjian--;prin(0,zhongjian/2,num,cengshu);for(int i = 0;i<zhongjian;i++){bool is = true;for(int j = 0;j<zhongjian;j++){if(mp[i][j] == ' '){cout<<mp[i][j];}else{is = false;cout<<'o';}}cout<<endl;if(is){break;}}cout<<"输出成功,其中，该树的先序遍历为:"<<endl;cout<<"字符"<<"\t"<<"权重"<<endl;out(2*n-2);cout<<"哈夫曼树打印完毕"<<endl;
}
//TTTTTTTTT
int main(){while(true){char choose;//选择什么操作Menu();//显示菜单cout<<"请输入你想要进行的操作"<<endl;cin>>choose;switch (choose) {case 'I':Init();break;case 'E'://c创建二进制哈夫曼编码，并且从ToBetran文件中读取的正文进行编码，然后存放于CodeFile文件E();break;case 'D'://对CodeFile文件中的二进制编码进行译码。D();break;case 'P':P();//将CodeFile文件中的数据以50一行在终端进行显示，然后存储进CodePrin文件break;case 'T':T();//打印哈夫曼树break;case 'Q':exit(0);default:break;}}return 0;
}

其中，一些文件为：

ToBetran.txt文本中的数据为：

THIS PROGRAM IS MY FAVORITE

三个月前写的了，如果有问题的话，就直接联系我要一些文件。