哈夫曼

学号 2019-2020-20182321 《数据结构与面向对象程序设计》哈夫曼算法

实践过程

构建哈夫曼树

1.将所有带权值的结点按权值从小到大排列（这里的权值我们用每个字符出现的概率来代替）；

2.依次选取权值最小的结点放在树的底部，权值小的在左边(取出的结点相当于从这些结点的集合中剔除)；

3.生成一个新节点作为这两个结点的父节点，且父节点的权值等于这两个结点权值之和，然后要把这个新结点放回我们需要构成树的结点中，继续进行排序；

4.重复上述2、3步骤，直至全部节点形成一棵树，此树便是哈夫曼树，最后生成的结点即为根节点。这样构成的哈夫曼树，所有的存储有信息的结点都在叶子结点上。

核心代码如下

 Node createTree(List nodes) {
        // 只要nodes数组中还有2个以上的节点
        while (nodes.size() > 1) {
            quickSort(nodes);
            //获取权值最小的两个节点
            Node left = nodes.get(nodes.size() - 1);
            Node right = nodes.get(nodes.size() - 2);

            //生成新节点，新节点的权值为两个子节点的权值之和
            Node parent = new Node(null, left.weight + right.weight);

            //让新节点作为两个权值最小节点的父节点
            parent.leftChild = left;
            parent.rightChild = right;

            //删除权值最小的两个节点
            nodes.remove(nodes.size() - 1);
            nodes.remove(nodes.size() - 1);

            //将新节点加入到集合中
            nodes.add(parent);
        }

        return nodes.get(0);

给每个字母编码

构造成哈夫曼树之后，从根节点出发，左子树为0，右子树为1，将0,1串联在一起，直到叶子节点为止，这个就是字母的编码。再将编码写进我们节点中的code量里。
如下图

核心代码如下

节点类

  public class Node {
        E data;
        public String code = "";
        double weight;
        Node leftChild;
        Node rightChild;

        public Node(E data, double weight) {
            super();
            this.data = data;
            this.weight = weight;
        }

    }

 public void setCode(Node root) {

        if (root.leftChild != null) {
            root.leftChild.code = root.code + "0";
            setCode(root.leftChild);
        }

        if (root.rightChild != null) {
            root.rightChild.code = root.code + "1";
            setCode(root.rightChild);
        }

    }

运行结果如图

给文件加密编码

我们按字符读取文件里面的内容后，再转换成字符串，一个一个的放进哈夫曼树里进行差找，相对应的字符（即找到相对应的叶子节点），将叶子节点的code变量（即单个字符的编码），放入输出的字符串中，最后输出。

核心代码如下

 private String hfmCodeStr = "";// 哈夫曼编码连接成的字符串

    /**
     * 编码
     */
    public String toHufmCode(String str,Node root) {

        for (int i = 0; i < str.length(); i++) {
           char c = str.charAt(i) ;
            search(root, c);
        }
        return hfmCodeStr;
    }

    private void search(Node root, char c) {
        if (root.leftChild == null && root.rightChild == null) {
            if (c == (char)root.data) {
                hfmCodeStr += root.code; // 找到字符，将其哈夫曼编码拼接到最终返回二进制字符串的后面
            }
        }
        if (root.leftChild != null) {
            search(root.leftChild, c);
        }
        if (root.rightChild != null) {
            search(root.rightChild, c);
        }

    }

运行成功后截图

给文件解密

解密的话就不用读取文件了，将之前的加密的字符串拿来，这时候我们设置两个指针，一个start，一个end，表示一个哈夫曼码的长度，比如哈夫曼编码为1001，我初始start为0，end为1，截取1001的前两位，即10，然后查找字母表，看看有没有编码为10的字母，如果没有，那end++，查找有没有编码为100的字母，如果还没有，再end++，找到了1001的字母为a（假设），接着就输出字符a，然后把start指针指向end指针的位置，再重复前面的步骤来进行解码，核心代码如下：

 String result="";
    boolean target = false; // 解码标记
    public String CodeToString(String codeStr,Node root) {

        int start = 0;
        int end = 1;

        while(end <= codeStr.length()){
            target = false;
            String s = codeStr.substring(start, end);
            matchCode(root, s); // 解码
            // 每解码一个字符，start向后移
            if(target){
                start = end;
            }
            end++;
        }
        return result;
    }

    private void matchCode(Node root, String code){
        if (root.leftChild == null && root.rightChild == null) {
            if (code.equals(root.code)) {
                result += root.data; // 找到对应的字符，拼接到解码字符穿后
                target = true; // 标志置为true
            }
        }
        if (root.leftChild != null) {
            matchCode(root.leftChild, code);
        }
        if (root.rightChild != null) {
            matchCode(root.rightChild, code);
        }
    }

运行结果如下