一、问题描述

利用哈夫曼编码进行信息通讯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。试对于任意的一段文本（可能是直接输入的，也可能是保存在本地文件中或者网络上的)，写一个哈夫曼码的编译码系统。

二、基本要求

一个完整的系统应具有以下功能：

(l)I:初始化 (Initialization)。从终端读入字符集大小 n，及 n 个字符和 m 个权值，建立哈夫曼树，并将它存于文件 hfmtree 中。

(2)C:编码 (Coding)。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 tobetrans 中的正文进行编码，然后将结果存入文件 codefile 中。

(3)D:解码(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:打印代码文件 (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 codeprint 中。

(5)T:打印哈夫曼树 (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。

三、逻辑结构设计

Huffman编码过程中会根据字符出现的概率高低来构造一棵树，存在一对多的关系，直观呈现“层次”特征，故Huffman编码用树形结构。

四、存储结构设计

Huffman树结构上有左右子结点的关系，故可以让一个存储结点包含其子树的邻接关系，也就是用链式存储结构。

图Huffman UML

五、主要操作设计

1.编码：当Huffman树tree初始化之后，tree调用coding()方法，获取单个字符与编码的关系，然后tree调用encoding（）方法，与文件中的所有字符进行比对，完成输入内容的编码。

2. 解码：map中存放着字符与编码的关系，将传进来的字符串从头到尾一个一个地与map中的数据进行比对，发现相同，就将其输入到textfile中。

六、技术难点与解决方法

难点：实现过程中哈夫曼树的打印用JavaFX比较困难。

解决方法：在createPrintTree方法，传入相关参数，node是该哈夫曼树的root结点，row是X轴的偏移量，col是Y轴的偏移量，deep是树的深度。进入方法之后，根据坐标的计算，分别将对应的结点放在相应的位置。然后递归调用，先后处理父节点的左右孩子。

七、实现与展示

八、详细代码


import java.io.*;
import java.util.*;public class Coding {private Map<String,Object> codes;
//当Huffman树tree初始化之后，tree调用coding()方法，获取单个字符与编码的关系，然后tree调用encoding（）方法，与文件中的所有字符进行比对，完成输入内容的编码public Coding(){codes=new HashMap<>();}public void buildHuffmanCodes() throws Exception{HuffmanTreeNode Htree=readTree();String buildCode="";code(Htree,buildCode,codes);}private void code(HuffmanTreeNode Htree,String buildCode,Map<String ,Object> codes){if (Htree!=null){if (Htree.getLeftChild()==null && Htree.getRightChild()==null){codes.put(buildCode,Htree.getData());}code(Htree.getLeftChild(),buildCode+"0",codes);code(Htree.getRightChild(),buildCode+"1",codes);}}private HuffmanTreeNode readTree() throws Exception{ObjectInputStream ois=new ObjectInputStream(new FileInputStream("hfmtree.txt"));try {return (HuffmanTreeNode) ois.readObject();} catch (IOException e){System.out.println("读取文件失败！");return null;}}public void save() throws Exception{DataOutputStream os=new DataOutputStream(new FileOutputStream("codefile.txt"));List<Object> text=readText();Set<String > keys=codes.keySet();try {for (int i=0;i<text.size();i++){for (String key: keys){if (text.get(i).equals(codes.get(key))) {os.writeUTF(key);break;}}}os.close();System.out.println("编码成功！已保存至文件(codefile.txt)！");} catch (IOException e){System.out.println("保存失败！");}}private List<Object> readText() throws Exception{DataInputStream is=new DataInputStream(new FileInputStream("tobetrans.txt"));List<Object> text=new ArrayList<>();try{while (true){text.add(is.readChar());}} catch (EOFException e){}return text;}public Map<String, Object> getCodes() {return codes;}public void setCodes(Map<String, Object> codes) {this.codes = codes;}
}

package experimentFinal2;import java.io.*;
import java.util.*;public class Decoding {private Map<String,Object> codes;//map中存放着字符与编码的关系，将传进来的字符串从头到尾一个一个地与map中的数据进行比对，发现相同，就将其输入到textfile中。public Decoding() throws Exception{codes=createMap();}public Map<String,Object> createMap() throws Exception{codes=new HashMap<>();List<String> code=readCode();for (int i=0;i<code.size();i++) {codes.put(code.get(i),null);}return codes;}public void DecodingHuffmanTree() throws Exception{HuffmanTreeNode Htree=readTree();String buildCode="";decode(Htree,buildCode,codes);}private void decode(HuffmanTreeNode Htree,String buildCode,Map<String ,Object> codes){if (Htree!=null){if (Htree.getLeftChild()==null && Htree.getRightChild()==null){codes.put(buildCode,Htree.getData());}decode(Htree.getLeftChild(),buildCode+"0",codes);decode(Htree.getRightChild(),buildCode+"1",codes);}}private HuffmanTreeNode readTree() throws Exception{ObjectInputStream ois=new ObjectInputStream(new FileInputStream("hfmtree.txt"));try {return (HuffmanTreeNode) ois.readObject();} catch (IOException e){System.out.println("读取文件失败！");return null;}}public List<String> readCode() throws Exception{DataInputStream is=new DataInputStream(new FileInputStream("codefile.txt"));List<String> codes=new ArrayList<>();try {while (true){codes.add(is.readUTF());}} catch (EOFException e){}return codes;}public void save() throws Exception{DataOutputStream oos=new DataOutputStream(new FileOutputStream("textfile.txt"));List<String> code=readCode();Set<String> keys=codes.keySet();try {for (int i=0;i<code.size();i++){for (String key: keys){if (code.get(i).equals(key)) {oos.writeChar((char)codes.get(key));break;}}}oos.close();System.out.println("解码成功！已保存至文件(textfile.txt)！");} catch (IOException e){System.out.println("保存失败！");}}public Map<String, Object> getCodes() {return codes;}public void setCodes(Map<String, Object> codes) {this.codes = codes;}
}

package experimentFinal2;import java.io.*;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;public class HuffmanTree {private HuffmanTreeNode Htree;private int leafNode=0;private int depth=0;public HuffmanTree(){Htree=new HuffmanTreeNode();}public void createHuffmanTree() throws Exception{List<HuffmanTreeNode> leafNodes=readFromlFile();this.leafNode=leafNodes.size();if (leafNode==0){return;}while (leafNodes.size()>1){sort(leafNodes);//排序HuffmanTreeNode LChild=leafNodes.get(0);//左孩子为0HuffmanTreeNode RChild=leafNodes.get(1);//右孩子为1HuffmanTreeNode parent=new HuffmanTreeNode(null,LChild.getWeight()+RChild.getWeight());//双亲的权值合为左孩子、右孩子权值的合parent.setLeftChild(LChild);parent.setRightChild(RChild);leafNodes.remove(0);leafNodes.remove(0);leafNodes.add(parent);}Htree=leafNodes.get(0);}public void creatNew(String s) throws Exception {DataOutputStream os=new DataOutputStream(new FileOutputStream("tobetrans.txt"));for (int i=0;i<s.length();i++){os.writeChar(s.charAt(i));}os.close();}private List<HuffmanTreeNode> readFromlFile() throws Exception{DataInputStream is=new DataInputStream(new FileInputStream("tobetrans.txt"));List<HuffmanTreeNode> leafNodes=new ArrayList<>();HuffmanTreeNode p;try {while (true) {//统计字符在文档中出现的概率 概率的大小作为权值p=new HuffmanTreeNode();char data=is.readChar();int index=weighting(leafNodes,data);if (index!=-1){leafNodes.get(index).setWeight(leafNodes.get(index).getWeight()+1);} else {p.setData(data);p.setWeight(1);leafNodes.add(p);}}} catch (EOFException e){}is.close();return leafNodes;}public void print() throws Exception{List<HuffmanTreeNode> leafNodes=readFromlFile();System.out.println("文件字符集：");for (HuffmanTreeNode node: leafNodes){System.out.println("字符："+node.getData()+"   权值："+node.getWeight());}System.out.println();}private int weighting( List<HuffmanTreeNode> leafNodes,char c){//找到相应的叶子结点并返回下标for (int i=0;i<leafNodes.size();i++){if (leafNodes.get(i).getData().equals(c)){return i;}}return -1;}private void sort(List<HuffmanTreeNode> leafNodes){//按权值排序for (int i=0;i<leafNodes.size();i++){for (int j=0;j<leafNodes.size()-1-i;j++){if (leafNodes.get(j).getWeight()>leafNodes.get(j+1).getWeight()){HuffmanTreeNode p=leafNodes.get(j);leafNodes.set(j,leafNodes.get(j+1));leafNodes.set(j+1,p);}}}}public void save() throws Exception{ObjectOutputStream oos=new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("hfmtree.txt"));try{oos.writeObject(Htree);oos.close();System.out.println("初始化成功！哈夫曼树已创建！");} catch (IOException e){System.out.println(e.getMessage());}}public void deepCount(HuffmanTreeNode Htree,int count){//求深度if (Htree!=null){count++;if (Htree.getLeftChild()==null && Htree.getRightChild()==null){//如果没有孩子if (count>this.depth){this.depth=count;}}deepCount(Htree.getLeftChild(),count);deepCount(Htree.getRightChild(),count);}}public HuffmanTreeNode getHtree() {return Htree;}public void setHtree(HuffmanTreeNode htree) {Htree = htree;}public int getLeafNode() {return leafNode;}public void setLeafNode(int leafNode) {this.leafNode = leafNode;}public int getDepth() {int count=0;deepCount(this.Htree,count);return depth;}public void setDepth(int depth) {this.depth = depth;}
}

package experimentFinal2;import java.io.Serializable;public class HuffmanTreeNode implements Serializable {private Object data;private int weight=0;private HuffmanTreeNode leftChild=null;private HuffmanTreeNode rightChild=null;private int parent=-1;public HuffmanTreeNode(){}public HuffmanTreeNode(Object data,int weight){this(data,weight,null,null,-1);}public HuffmanTreeNode(Object data,int weight,HuffmanTreeNode leftChild,HuffmanTreeNode rightChild, int parent){this.data=data;this.weight=weight;//权值this.leftChild=leftChild;//左孩子this.rightChild=rightChild;//右孩子this.parent=parent;//双亲}public Object getData() {return data;}public void setData(Object data) {this.data = data;}public int getWeight() {return weight;}public void setWeight(int weight) {this.weight = weight;}public HuffmanTreeNode getLeftChild() {return leftChild;}public void setLeftChild(HuffmanTreeNode leftChild) {this.leftChild = leftChild;}public HuffmanTreeNode getRightChild() {return rightChild;}public void setRightChild(HuffmanTreeNode rightChild) {this.rightChild = rightChild;}public int getParent() {return parent;}public void setParent(int parent) {this.parent = parent;}
}

package experimentFinal2;import java.io.*;public class Print {private StringBuilder code;public Print() throws Exception{code=readCode();}public void printCodefile(){System.out.println("codefile.txt:");int begin=0;int end=50;for (;begin<code.length();begin=begin+50,end=end+50){if (end>code.length()){end=code.length();}System.out.println(code.substring(begin,end));}}private StringBuilder readCode() throws Exception{DataInputStream is=new DataInputStream(new FileInputStream("codefile.txt"));StringBuilder codes=new StringBuilder();try {while (true){codes.append(is.readUTF());}} catch (EOFException e){}return codes;}public void save() throws Exception{DataOutputStream os=new DataOutputStream(new FileOutputStream("codeprint.txt"));try {os.writeUTF(code.toString());os.close();System.out.println("代码已写入文件（codeprint.txt）！");} catch (IOException e){System.out.println("保存失败！");}}
}

package experimentFinal2;import java.util.Scanner;public class Test {public static void main(String[] args) throws  Exception{System.out.println("数据压缩与解压缩：");int choice;boolean running=true;while (running){choice=menu();switch (choice){case 1: initialization();break;case 2: coding();break;case 3: decoding();break;case 4: print();break;case 5: treePrint();break;case 6: running=false;}}System.out.println("谢谢使用");}public static int menu(){while (true){System.out.println("-----------------------------------");System.out.println("请选择功能：                        ");System.out.println("   1. I:初始化（Initialization）    ");System.out.println("   2. C:编码（Coding）              ");System.out.println("   3. D:解码（Decoding）            ");System.out.println("   4. P:打印代码文件（Print）        ");System.out.println("   5. T:打印哈夫曼树（Tree printing）");System.out.println("   6. 退出                          ");System.out.println("-----------------------------------");System.out.print("请输入您的选择：");Scanner input =new Scanner(System.in);int choice=input.nextInt();if (choice>0 && choice<7){return choice;} else {System.out.println("该选项不存在，请重新输入！\n");}}}public static void initialization() throws Exception{Scanner input=new Scanner(System.in);HuffmanTree Htree=new HuffmanTree();System.out.println("--------------------------");System.out.println("1.新建字符集   2.读取文件");System.out.println("--------------------------");System.out.print("请输入您的选择：");int choice;while (true){choice=input.nextInt();if (choice==1 || choice==2){break;}System.out.println("选择错误，重新选择！");}if (choice==1){System.out.print("新字符集：");String s=input.next();Htree.creatNew(s);}Htree.print();Htree.createHuffmanTree();Htree.save();}//当Huffman树tree初始化之后，tree调用coding()方法，获取单个字符与编码的关系public static void coding() throws Exception{Coding coding=new Coding();coding.buildHuffmanCodes();coding.save();}public static void decoding() throws Exception{Decoding decoding=new Decoding();decoding.DecodingHuffmanTree();decoding.save();}public static void print() throws Exception{Print print=new Print();print.printCodefile();print.save();}public static void  treePrint() throws Exception{TreePrinting treePrinting=new TreePrinting();TreePrinting.main();treePrinting.save();}
}

package experimentFinal2;import javafx.application.Application;
import javafx.scene.Scene;
import javafx.scene.control.*;
import javafx.scene.layout.*;
import javafx.scene.paint.Color;
import javafx.scene.shape.Circle;
import javafx.scene.shape.Line;
import javafx.scene.text.Text;
import javafx.stage.Stage;
import java.io.DataOutputStream;
import java.io.FileOutputStream;public class TreePrinting extends Application {private String codes="";public static void main(){Application.launch();}public BorderPane pane() throws Exception{HuffmanTree Htree=new HuffmanTree();Pane pane=new Pane();GridPane gridPane=new GridPane();gridPane.setHgap(20);//水平间距gridPane.setVgap(20);//垂直间距BorderPane borderPane=new BorderPane();Text text=new Text("Enter a text");TextField textField=new TextField();textField.setMinWidth(800);Button button=new Button("Show Huffman Tree");button.setOnAction(e->{try {pane.getChildren().clear();Htree.creatNew(textField.getText());Htree.createHuffmanTree();Htree.save();Coding coding=new Coding();coding.buildHuffmanCodes();coding.save();Decoding decoding=new Decoding();String s=textField.getText()+" is encoded to ";for (String str: decoding.readCode()){this.codes+=str;}s+=codes;if (textField.getText() .equals("")){s="please enter a text !";}createTree(Htree.getHtree(),Htree.getDepth()*50,pane,50,400);Alert alert = new Alert(Alert.AlertType.INFORMATION);alert.titleProperty().set("Encode Text to Bits");alert.headerTextProperty().set(s);alert.showAndWait();} catch (Exception ex) {ex.printStackTrace();}});FlowPane flowPane=new FlowPane();flowPane.getChildren().addAll(text,textField,button);borderPane.setTop(flowPane);Text text1=new Text("Enter a bit string");TextField textField1=new TextField();textField1.setMinWidth(800);Button button1=new Button("Decode Text");button1.setMinWidth(100);button1.setOnAction(e->{try {Htree.createHuffmanTree();String codes=textField1.getText();StringBuilder s=new StringBuilder(textField1.getText()+" is encoded to ");decode(codes,s,Htree.getHtree());if (textField1.getText().equals("")){s.replace(0,s.length(),"please enter a string !");}Alert alert = new Alert(Alert.AlertType.INFORMATION);alert.titleProperty().set("Decode Bits to Text");alert.headerTextProperty().set(s.toString());alert.showAndWait();} catch (Exception ex) {ex.printStackTrace();}});FlowPane flowPane1=new FlowPane();flowPane1.getChildren().addAll(text1,textField1,button1);borderPane.setBottom(flowPane1);borderPane.setCenter(pane);return borderPane;}public void start(Stage primaryStage) throws Exception{Scene scene=new Scene(pane(),1000,800);primaryStage.setTitle("HuffmanTree");primaryStage.setScene(scene);primaryStage.show();}public void decode(String codes,StringBuilder s,HuffmanTreeNode Htree){for (int i=0;i<codes.length();i++) {HuffmanTreeNode p=Htree;for (;i<codes.length();i++) {if (codes.charAt(i) == '1') {p=p.getRightChild();} else {p=p.getLeftChild();}if(p.getLeftChild()==null && p.getRightChild()==null){s.append(p.getData());break;}}}}public void createTree(HuffmanTreeNode Htree,int depth,Pane pane,int row,int col){if (Htree!=null) {Circle circle = new Circle(20);circle.setFill(null);circle.setStroke(Color.BLACK);Label label = new Label(Htree.getWeight() + "", circle);label.setContentDisplay(ContentDisplay.CENTER);label.setLayoutX(col);label.setLayoutY(row);pane.getChildren().add(label);row+=50;col-=depth;int row1=row,col1=2*depth+col;depth/=2;if(Htree.getLeftChild()!=null){Line line=new Line(label.getLayoutX(),label.getLayoutY()+30,col+35,row+5);Text text1=new Text("0");text1.setX((line.getStartX()+line.getEndX())/2-5);text1.setY((line.getStartY()+line.getEndY())/2-5);pane.getChildren().addAll(line,text1);}if (Htree.getRightChild()!=null){Line line2=new Line(label.getLayoutX()+40,label.getLayoutY()+30,col1+5,row1+5);Text text2=new Text("1");text2.setX((line2.getStartX()+line2.getEndX())/2-5);text2.setY((line2.getStartY()+line2.getEndY())/2-5);pane.getChildren().addAll(line2,text2);}if(Htree.getLeftChild()==null && Htree.getRightChild()==null){Text text=new Text(Htree.getData()+"");text.setX(label.getLayoutX()+20);text.setY(label.getLayoutY()+60);pane.getChildren().add(text);}createTree(Htree.getLeftChild(),depth, pane,row,col);createTree(Htree.getRightChild(),depth, pane,row1,col1);}}public void save() throws Exception{DataOutputStream os=new DataOutputStream(new FileOutputStream("TreePrint.txt"));os.writeUTF(this.codes);os.close();}
}

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