20182327 2019-2020 《程序设计与数据结构》哈夫曼编码测试报告

20182327 2019-2020 《程序设计与数据结构》哈夫曼编码测试报告

• 课程：《程序设计与数据结构》
• 班级： 1823
• 姓名：赵天昊
• 学号：20182327
• 实验教师：王志强
• 实验日期：2019年11月17日
• 必修/选修： 必修

教材中的哈夫曼树

• 1、在计算机数据处理中，哈夫曼编码使用变长编码表对源符号（如文件中的一个字母）进行编码，其中变长编码表是通过一种评估来源符号出现机率的方法得到的，出现机率高的字母使用较短的编码，反之出现机率低的则使用较长的编码，这便使编码之后的字符串的平均长度、期望值降低，从而达到无损压缩数据的目的。

• 2、例如，在英文中，e的出现机率最高，而z的出现概率则最低。当利用哈夫曼编码对一篇英文进行压缩时，e极有可能用一个比特来表示，而z则可能花去25个比特（不是26）。用普通的表示方法时，每个英文字母均占用一个字节，即8个比特。二者相比，e使用了一般编码的1/8的长度，z则使用了3倍多。倘若我们能实现对于英文中各个字母出现概率的较准确的估算，就可以大幅度提高无损压缩的比例。

• 3、哈夫曼树又称最优二叉树，是一种带权路径长度最短的二叉树。所谓树的带权路径长度，就是树中所有的叶结点的权值乘上其到根结点的路径长度（若根结点为0层，叶结点到根结点的路径长度为叶结点的层数）。树的路径长度是从树根到每一结点的路径长度之和，记为WPL=（W1XL1+W2XL2+W3XL3+...+WnXLn），N个权值Wi（i=1,2,...n）构成一棵有N个叶结点的二叉树，相应的叶结点的路径长度为Li（i=1,2,...n）。可以证明哈夫曼树的WPL是最小的。

哈夫曼树及测试的实现

• 参考教材java创建哈夫曼树和实现哈夫曼——java实现哈夫曼编码，尝试读懂代码的同时加入自己的理解。

• 首先建立哈夫曼树的结点类【HuffmanNode】利用泛型实现结点，定义左子树，右子树，权值和编码。

  ```
  public class HuffmanTreeNode implements Comparable {
  protected int weight; // 权值
  protected HuffmanTreeNode left; // 左孩子
  protected HuffmanTreeNode right; // 右孩子
  protected HuffmanTreeNode parent; // 父结点
  protected char element;
  protected HuffmanTreeNode(int weight, char element, HuffmanTreeNode left, HuffmanTreeNode right, HuffmanTreeNode parent) {
  this.weight = weight;
  this.element = element;
  this.left = left;
  this.right = right;
  this.parent = parent;
  }
  @Override
  public int compareTo(HuffmanTreeNode o) {
  if (this.weight > o.weight)
  return 1;
  else if (this.weight < o.weight)
  return -1;
  else
  return 0;
  }

···

• 编写以下代码读取txt文件中的字母，用于将字母转化成哈夫曼编码。

  ~~~
  public static void main(String[] args) throws IOException {
  File file = new File("C:\Users\12441\Desktop\game\input1.txt");
  Scanner scan = new Scanner(file);
  String s = scan.nextLine();
  System.out.println(s);
  int[] array = new int[26];
  for (int i = 0; i < array.length; i++) {
  array[i] = 0;
  }
  for (int i = 0; i < s.length(); i++) {
  char x = s.charAt(i);
  array[x - 'a']++;
  ···

• 编写【getEnCoding】类将读取的字母转化成为哈夫曼编码，并且规定左子树为0，右子树为1

 public String[] getEncoding() {
        ArrayList arrayList = new ArrayList();
        inOrder(root,arrayList);
        for (int i=0;i

• 最后编写实现类【Huffman】从input1.txt中读取信息，转化为哈夫曼编码后将哈夫曼编码放入output.txt中后完成测试

public class RunHuffmanTree {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        File file = new File("C:\\Users\\12441\\Desktop\\game\\input1.txt");
        Scanner scan = new Scanner(file);
        String s = scan.nextLine();
        System.out.println(s);
        int[] array = new int[26];
        for (int i = 0; i < array.length; i++) {
            array[i] = 0;
        }
        for (int i = 0; i < s.length(); i++) {
            char x = s.charAt(i);
            array[x - 'a']++;
        }
        System.out.println("打印各字母出现频率：");
        for (int i = 0; i < array.length; i++) {
            System.out.print((char) ('a' + i) + ":" + (double) array[i] / s.length() + " ");
        }
        HuffmanTreeNode[] huffmanTreeNodes = new HuffmanTreeNode[array.length];
        for (int i = 0; i < array.length; i++) {
            huffmanTreeNodes[i] = new HuffmanTreeNode(array[i], (char) ('a' + i), null, null, null);
        }

        HuffmanTree huffmanTree = new HuffmanTree(huffmanTreeNodes);
        System.out.println("打印各字母的编码");
        String[] codes = huffmanTree.getEncoding();
        for (int i = 0; i < codes.length; i++) {
            System.out.println((char) ('a' + i) + ":" + codes[i]);
        }
        //进行编码：
        String result = "";
        for (int i = 0; i < s.length(); i++) {
            int x = s.charAt(i) - 'a';
            result += codes[x];
        }
        System.out.println("编码结果：" + result);
        //写入文件
        File file1 = new File("C:\\Users\\12441\\Desktop\\game\\output.txt");
        FileWriter fileWriter = new FileWriter(file1);
        fileWriter.write(result);
        fileWriter.close();
        //从文件读取
        Scanner scan1 = new Scanner(file1);
        String s1 = scan1.nextLine();
        HuffmanTreeNode huffmanTreeNode = huffmanTree.getRoot();
        //进行解码
        String result2 = "";
        for (int i = 0; i < s1.length(); i++) {
            if (s1.charAt(i) == '0') {
                if (huffmanTreeNode.left != null) {
                    huffmanTreeNode = huffmanTreeNode.left;
                }
            } else {
                if (s1.charAt(i) == '1') {
                    if (huffmanTreeNode.right != null) {
                        huffmanTreeNode = huffmanTreeNode.right;
                    }
                }
            }
            if (huffmanTreeNode.left == null && huffmanTreeNode.right == null) {
                result2 += huffmanTreeNode.element;
                huffmanTreeNode = huffmanTree.getRoot();
            }
        }
        System.out.println("解码结果：" + result2);
        //写入文件
        File file2 = new File("C:\\Users\\12441\\Desktop\\game\\file2.txt");
        FileWriter fileWriter1 = new FileWriter(file1);
        fileWriter1.write(result2);
        // 判断解码后原来是否一致
        System.out.println("编码解码后原来是否一致：" + result2.equals(s));
    }

}

实验结果

• 
  https://gitee.com/besti1823/2012_327_zhao_tianhao.git