哈夫曼编码器

整理了一下最近做的数据结构上机实习题：

【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。试为这样的信息收发站写一个哈夫曼码的编译码系统。

【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，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）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：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codeprint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。

【测试数据】 （1）已知某系统在通信联络中只可能出现八种字符，其频率分别为 0.05，0.29，0.07，0.08，0.14，0.23，0.03，0.11，试设计哈夫曼编码。 （2）实现以下报文的编码和译码：“THIS PROGRAM IS MY FAVORITE”。

【实现提示】 （1）用户界面可以设计为“菜单”方式：显示上述功能符号，再加上 “E”，表示结束运行End，请用户键入一个选择功能符。此功能执行完毕 后再显示此菜单，直至某次用户选择了“E”为止。 （2）程序的一次执行过程中，第一次执行I、D或C命令之后，哈夫曼 树已经在内存了，不必再读入。每次执行中不一定执行I命令，因为文件 hfmtree可能早已建好。

 

haffman.h

 1 typedef struct {
 2     char data;
 3     int weight ;
 4     int flag;
 5     int parent ;
 6     int leftChild ;
 7     int rightChild ;
 8 }HaffNode ;
 9 
10 typedef struct {
11     char bit[MaxNode];
12     int start ;
13     int weight ;
14     char data ;
15 }Code ;
16 
17 void Haffman(int weight[],char str[],int n,HaffNode haffTree[])
18 {
19     int i,j,m1,m2,x1,x2 ;
20     for(i=0;i<2*n-1;i++){
21         if(i<n) {
22             haffTree[i].weight=weight[i];
23             haffTree[i].data=str[i];
24         }else {
25             haffTree[i].weight=0;
26             haffTree[i].data='0';
27         }
28         haffTree[i].parent=-1;
29         haffTree[i].flag=0;
30         haffTree[i].leftChild=-1;
31         haffTree[i].rightChild=-1;
32     }
33     for(i=0;i<n-1;i++){
34         m1=m2=MaxValue ;
35         x1=x2=0;
36         for(j=0;j<n+i;j++){
37             if(haffTree[j].weight<m1&&haffTree[j].flag==0){
38                 m2=m1;
39                 x2=x1;
40                 m1=haffTree[j].weight;
41                 x1=j;
42             }else if(haffTree[j].weight<m2&&haffTree[j].flag==0)
43             {
44                 m2=haffTree[j].weight;
45                 x2=j ;
46             }
47         }
48         haffTree[x1].parent=n+i;
49         haffTree[x2].parent=n+i;
50         haffTree[x1].flag=haffTree[x2].flag=1;
51         haffTree[n+i].weight=haffTree[x1].weight+haffTree[x2].weight;
52         haffTree[n+i].leftChild=x1;
53         haffTree[n+i].rightChild=x2;
54     }
55 }
56 
57 void HaffmanCode(HaffNode haffTree[],int n,Code haffCode[])
58 {
59     Code *cd=(Code *)malloc(sizeof(Code));
60     int i,j,child,parent ;
61     for(i=0;i<n;i++){
62         cd->start=n-1;
63         cd->weight=haffTree[i].weight;
64         cd->data=haffTree[i].data ;
65         child=i;
66         parent=haffTree[child].parent ;
67         while(parent!=-1){
68             if(haffTree[parent].leftChild==child)
69                 cd->bit[cd->start]='0';
70             else 
71                 cd->bit[cd->start]='1';
72 
73             cd->start--;
74             child=parent ;
75             parent=haffTree[child].parent;
76         }
77         for(j=cd->start+1;j<n;j++)
78             haffCode[i].bit[j]=cd->bit[j];
79         haffCode[i].bit[j]='\0';
80         haffCode[i].start=cd->start+1;
81         haffCode[i].weight=cd->weight;
82         haffCode[i].data=cd->data;
83     }
84 }

  1 #include<iostream>
  2 #include<iomanip>
  3 #include<cstdio>
  4 #include<cstdlib>
  5 #include<cstring>
  6 #include<string>
  7 #include<fstream>
  8 #define MaxValue 32767
  9 #define MaxNode 10000
 10 #include"Haffman.h"
 11 using namespace std ;
 12 
 13 ifstream input_file ;
 14 ofstream output_file ;
 15 int n,m=0;
 16 HaffNode *myHaffTree=(HaffNode *)malloc(sizeof(HaffNode)*(2*MaxNode-1));
 17 Code *myHaffCode=(Code *)malloc(sizeof(Code)*MaxNode);
 18 
 19 void Initialization(){
 20     char str[MaxNode];
 21     int weight[MaxNode];
 22     cout<<"请输入字符个数："<<endl;
 23     cin>>n;
 24     for(int i=0;i<n;i++){
 25         cout<<"请输入第"<<i+1<<"个字符以及相应的权值"<<endl;
 26         cin>>str[i]>>weight[i];
 27     }
 28 
 29     Haffman(weight,str,n,myHaffTree);
 30     HaffmanCode(myHaffTree,n,myHaffCode);
 31 
 32     for(int i=0;i<n;i++){
 33         cout<<myHaffCode[i].data<<": ";
 34         for(int j=myHaffCode[i].start;j<n;j++){
 35             cout<<myHaffCode[i].bit[j];
 36         }
 37         cout<<endl;
 38     }
 39 
 40     output_file.open("hfmTree.txt");
 41     if(!output_file){
 42         cout<<"can't open file !"<<endl;
 43         return ;
 44     }
 45     for(int i=0;i<n;i++){
 46         output_file<<"("<<myHaffTree[i].data<<myHaffTree[i].weight<<")"<<endl;
 47     }
 48     output_file.close();
 49     cout<<"哈夫曼树已创建完成，并且已放入hfmTree.txt中."<<endl;
 50     cout<<endl<<endl;
 51 }
 52 
 53 void Coding(){
 54     cout<<"请输入字符或字符串："<<endl;
 55     string str ;
 56     string code ;
 57     cin>>str;
 58     output_file.open("tobetran.txt");
 59     if(!output_file){
 60         cout<<"can't open file !"<<endl;
 61         return ;
 62     }
 63     output_file<<str;
 64     output_file.close();
 65     output_file.open("codefile.txt");
 66     if(!output_file){
 67         cout<<"can't open file !"<<endl;
 68         return ;
 69     }
 70     for(int i=0;i<str.size();i++){
 71         for(int j=0;j<n;j++){
 72         if(myHaffTree[j].data==str[i]){
 73             for(int k=myHaffCode[j].start;k<n;k++){
 74                 output_file<<myHaffCode[j].bit[k];
 75             }
 76             break;
 77             }
 78         }
 79     }
 80     output_file.close();
 81     cout<<"编码完毕，并且已经存入codefile.txt中！"<<endl;
 82     input_file.open("codefile.txt");
 83     if(!input_file){
 84         cout<<"can't open file !"<<endl;
 85         return ;
 86     }
 87     input_file>>code;
 88     cout<<"编码码值为："<<endl;
 89     cout<<code<<endl;
 90     input_file.close();
 91     cout<<endl<<endl;
 92 }
 93 
 94 
 95 void Decoding(){
 96     char s[MaxNode],s1[MaxNode];
 97     int i,j,k,l,p;
 98     input_file.open("codefile.txt");
 99     if(!input_file){
100         cout<<"can't open file !"<<endl;
101         return ;
102     }
103     input_file>>s;
104     input_file.close();
105     output_file.open("textfile.txt");
106     if(!output_file){
107         cout<<"can't open file !"<<endl;
108         return ;
109     }
110     k=0;
111     while(s[k]!='\0'){
112         for( i=0;i<n;i++){
113             l=k;
114             for( j=0;j<strlen(myHaffCode[i].bit)-myHaffCode[i].start;j++,l++){
115                 s1[j]=s[l];
116             }
117             s1[j]='\0';
118             for(p=myHaffCode[i].start,j=0;p<n;p++,j++)
119                 if(myHaffCode[i].bit[p]!=s1[j]) break;
120             if(p==n){
121                 output_file<<myHaffTree[i].data;
122                 k+=strlen(myHaffCode[i].bit)-myHaffCode[i].start;
123                 break;
124             }
125         }
126     }
127     output_file.close();
128     input_file.open("textfile.txt");
129     if(!input_file){
130         cout<<"can't open file !"<<endl;
131         return ;
132     }
133     input_file>>s;
134     cout<<s<<endl;
135     input_file.close();
136     cout<<"译码结束，字符已经存入textfile.txt文件中!"<<endl;
137     cout<<endl<<endl;
138 }
139 
140 void Print(){
141     char s[MaxNode],s1[MaxNode];
142     int i,j,k,l,p;
143     input_file.open("codefile.txt");
144     if(!input_file){
145         cout<<"can't open file !"<<endl;
146         return ;
147     }
148     input_file>>s;
149     int icount=0;
150     for(int i=1;i<strlen(s)+1;i++){
151         cout<<s[i-1];
152         if(i%50==0) cout<<endl;
153     }
154     cout<<endl;
155     input_file.close();
156     output_file.open("codeprint.txt");
157     k=0;
158     while(s[k]!='\0'){
159         for( i=0;i<n;i++){
160             l=k;
161             for( j=0;j<strlen(myHaffCode[i].bit)-myHaffCode[i].start;j++,l++){
162                 s1[j]=s[l];
163             }
164             s1[j]='\0';
165             for(p=myHaffCode[i].start,j=0;p<n;p++,j++)
166                 if(myHaffCode[i].bit[p]!=s1[j]) break;
167             if(p==n){
168                 output_file<<myHaffTree[i].data;
169                 k+=strlen(myHaffCode[i].bit)-myHaffCode[i].start;
170                 break;
171             }
172         }
173     }
174     output_file.close();
175     cout<<"字符形式的编码文件写入文件codeprint中！"<<endl;
176     cout<<endl<<endl;
177 }
178 
179 void TreePrinting(HaffNode *myHaffTree1,HaffNode *myHaffTree2,int m){
180     if(myHaffTree1!=myHaffTree2-1)
181     {
182         if(m)output_file.close();
183         output_file.open("treeprint.txt");
184         if(!output_file){
185             cout<<"can't  open file !"<<endl;
186             return ;
187         }
188         TreePrinting(myHaffTree2+myHaffTree1->rightChild,myHaffTree2,m+1);
189         cout<<setw(4*m)<<myHaffTree1->weight<<endl;
190         output_file<<myHaffTree1->weight<<endl;
191         TreePrinting(myHaffTree2+myHaffTree1->leftChild,myHaffTree2,m+1);
192         output_file.close();
193     }
194 }
195 
196 
197 int main(){
198     char ch ;
199     while(1){
200         cout<<"          *******************哈夫曼编/译码器****************"<<endl;
201         cout<<"              I---Initialization"<<"         C---Coding"<<endl;
202         cout<<"              D---Decoding"<<"               P---Print"<<endl;
203         cout<<"          T---Tree  printing"<<"         E---Exit"<<endl;
204         cout<<"              ------------------------------------------"<<endl;
205         cout<<"please select a function key:"<<endl;
206         cin>>ch;
207         if(ch=='I')
208             Initialization();
209         else if(ch=='C')
210             Coding();
211         else if(ch=='D')
212             Decoding();
213         else if(ch=='P')
214             Print();
215         else if(ch=='T'){
216             TreePrinting(myHaffTree+2*n-2,myHaffTree,0);
217             cout<<"此字符形式的哈夫曼树已写入文件treeprint中"<<endl;
218             cout<<endl<<endl;
219         }
220         else if(ch=='E')
221             break;
222         else 
223             cout<<"The key is not exsit, please select again !"<<endl;
224     }
225     return 0;
226 }