【小项目】用Huffman树实现文件压缩并解压

一、前言

        如果你学习数据结构，就一定会学到Huffman树，而Huffman编码实际上上就是zip压缩的核心部分，所以，如果已经学习了Huffman树，为何不尝试写一个压缩程序出来呢？

如果你没有学习Huffman树，那咱们就一起先学习一下Huffman树吧。

二、Huffman树压缩文件

定义：Huffman树，又称为最优二叉树，是加权路径长度最短的二叉树。

建立：

        这样建立的树，保证所有数据成员都在叶子节点上，且数越小，离根节点越远，越大，离根节点越近，那么这样的特点应用于压缩中是很关键的，我们可以让出现次数少的字符编码长一些，次数多的字符编码短一些。接下来我们看看压缩的步骤吧~

1>统计要压缩的文件中字符出现的次数。

    遍历一遍文件，将字符出现的次数统计在一个结构体数组里，数组里包含字符，字符出现的次数，对该字符的编码。

2>用得到的数组构建一个Huffman树。

   因为每次要取最小值，所以这里考虑建立一个小堆。

3>得到Huffman编码

    怎么得到呢？向右为1，向左为0，就是这么简单，我画图示意一下：

    原本用一个char表示的字符，现在只占了几个位，这就是为什么能将文件压缩。

4>向压缩文件里写入Huffman编码。

    写入的时候，满8个位写进去，如果最后不足8个位，先补齐，解压的时候要注意，解压到源文件字符数的时候停止即可。源文件的总字符数可以在第一次遍历统计出现的字符个数时统计，还有一种方法就是，仔细观察Huffman树就知道，它的根节点的大小，其实就是所有叶子节点相加的和。所以，根节点的大小就是源文件里所有字符出现的总次数。

至此，压缩就结束了。

但是，怎么解压缩呢？解压缩至少也得已知这样的一颗树才行啊，所以，我们在压缩完成后要建立一个配置文件。

5>建立配置文件

    配置文件里要存储源文件字符及出现的次数。有了这样的配置文件，就可以再次构建Huffman树！

三、解压缩

1>读取配置文件，重新构建Huffman树

2>读取压缩文件

    由压缩时的原理可知，此时读到1指针向右移动，0向左移，到叶子节点停下，将字符还原。不停的循环，直到文件结束或者总字符数变为0.这里就能体现出，Huffman压缩是一种无损的压缩，如果代码没有问题，它会原原本本的还原源文件。

解压到这里成功。可以先使用小文件测试，若没有问题则找个大点的文件，还有各类格式的文件都拿来压一压测一下。

四、我遇到的问题

1>编译时不通过，一大堆的错误，我找了半天！最后发现是一个很简单的问题，我的Huffman树使用的是C++模板实现的，模板不能分离编译，而我在压缩时建立Huffman树是在另一个文件中进行的，所以编译不通过。

解决方法：.h后缀改成.hpp，重新包一下头文件ok。

2>文件的打开方式。这里打开文件一定要用二进制形式，"wb","rb".因为二进制打开和文本打开其实是有区别的。文本方式打开，会对‘\n’进行特殊处理，那如果这个字符本身就是'\n'.这就会出现问题，所以使用二进制打开，特点：不进行任何处理，是什么就是什么。

3>压缩后解压缩的图片打不开，经过我反复查找，终于发现是配置文件里对‘\0’的处理问题，我在写配置文件起初是用一个string把字符和它出现的次数连接起来放进去。比如：a,3   这样带来的问题是  \0,200  写的时候是以c字符串的形式写的，所以遇见'\0'就终止了，那么在解压缩的时候就会出问题。

解决方法：先把字符放进去，再把剩下的构建成string对象放进去。

五、源码

1>Huffman树

#pragma once
#include
#include"Heap.h"
#include"Press.h"
using namespace std;

template
struct HuffmanTreeNode
{
	typedef HuffmanTreeNode Node;
	T _weight;
	Node* _left;
	Node* _right;
	Node* _parent;
	HuffmanTreeNode(const T& w)
		:_weight(w),
		_left(NULL),
		_right(NULL),
		_parent(NULL)
	{}
};

template
class HuffmanTree
{
public:
	typedef HuffmanTreeNode Node;
	HuffmanTree()
		:_root(NULL)
	{}
	~HuffmanTree()
	{
		_destory(_root);
	}
	Node* GetRoot()
	{
		return _root;
	}
	template
	struct Less
	{
		bool operator()(const T& left, const T&right)
		{
			return left->_weight < right->_weight;
		}
	};
	HuffmanTree(T* a, int size,T invalid)   //构建Huffman树
	{
		
		Heap> hp;   //建小堆
		for (int i = 0; i1)
		{		
			Node* left = hp.Top();
			hp.Pop();

			Node* right = hp.Top();
			hp.Pop();

			Node* parent = new Node(left->_weight + right->_weight);
			hp.Push(parent);

			parent->_left = left;
			parent->_right = right;
			left->_parent = parent;
			right->_parent = parent;
		}
		_root = hp.Top();
	}
protected:
	void _destory(Node* root)
	{
		if (NULL == root)
			return;
		_destory(root->_left);
		_destory(root->_right);
		
		delete root;
	}
private:
	Node* _root;
};

2>压缩和解压缩

#pragma once

#pragma warning(disable:4996)
#include
#include
#include
#include
#include"Huffman.hpp"
typedef long long type;
struct weight    //权值里应该包含字符出现的次数以及对应的字符和Huffman编码
{
	unsigned char _ch;
	type _count;
	string _code;

	weight(type count = 0)
		: _ch(0)
		,_count(count)
		, _code("")
	{}
	weight operator+(const weight& w)
	{
		type tmp = _count + w._count;
		return weight(tmp);
	}
	bool operator<(const weight& w)
	{
		return _count < w._count;
	}
	bool operator!=(const weight& w)
	{
		return !(_count == w._count);
	}

};

class HuffmanPress
{
public:
	HuffmanPress()
	{
		for (int i = 0; i < 256; i++)
		{
			_infos[i]._ch = (unsigned char)i;
		}
	}

	bool FilePress(const char* filename)
	{
		//统计出每个字符出现的次数。
		FILE* fOut = fopen(filename, "rb");   
		assert(fOut);
		int ch = fgetc(fOut);
		type charcount = 0;  //统计出字符出现的总次数
		while (ch != EOF)
		{
			if (feof(fOut))
				break;
			_infos[ch]._count++;
			ch = fgetc(fOut);
			charcount++;
		}
		weight invalid(0);
		HuffmanTree hf(_infos, 256,invalid);    //用得到的权重数组构建一个Huffman树
		HuffmanTreeNode* root = hf.GetRoot();
		//得到Huffman编码
		string code;
		_GetCodeR(root, code);
		//开始压缩,创建压缩后的文件
		string CompressFilename = filename;
		CompressFilename += ".huffman";
		FILE* fIn = fopen(CompressFilename.c_str(), "wb");
		assert(fIn);
		//统计完次数使得文件指针指向了最后，所以需要使指针指向文件头
		fseek(fOut, 0, SEEK_SET);
		//向压缩文件里写入Huffman编码
		int pos = 0;
		char value = 0;
		int ch1 = fgetc(fOut);
		while (ch1 != EOF)
		{
			if (feof(fOut))
				break;
			string& code = _infos[ch1]._code;
			for (size_t i = 0; i < code.size(); i++)
			{
				value <<= 1;
				if (code[i] == '1')  //得到二进制的1
				{
					value |= 1;
				}
				if (++pos == 8)   //满8位写入文件
				{
					fputc(value, fIn);
					value = 0;
					pos = 0;
				}
			}
			
			ch1 = fgetc(fOut);
		}
		if (pos)    //最后的编码不满足一个字节
		{
			value =value<<(8 - pos);
			fputc(value, fIn);
		}
		//将字符和字符出现的次数写进配置文件，文件解压时会用到
		string ConfigFilename = filename;
		ConfigFilename += ".config";
		FILE* fConfig = fopen(ConfigFilename.c_str(), "wb");
		assert(fConfig);
		char countStr[20];  //字符出现的次数
		//先把所有字符出现的总次数写进配置文件，为防止超过int范围，charcount使用的是long long 所以要分两步写入
		itoa(charcount >> 32, countStr, 10);  //转换高位
		fputs(countStr, fConfig);  //写入
		fputc('\n', fConfig);
		itoa(charcount & 0Xffffffff, countStr, 10); //转换低位
		fputs(countStr, fConfig);  //写入
		fputc('\n', fConfig);
		for (int i = 0; i < 256; i++)
		{
			string put;
			if (_infos[i]!=invalid)
			{
				fputc(_infos[i]._ch,fConfig);//必须先把ch放进去，如果把ch作为string的字符最后转换为C的字符，会导致'\0'没有处理
				put.push_back(',');
				itoa(_infos[i]._count, countStr, 10);
				put += countStr;
				fputs(put.c_str(), fConfig);
				fputc('\n', fConfig);
			}
		}
		fclose(fOut);
		fclose(fIn);
		fclose(fConfig);
		return true;
	}
	bool FileUncompress(char* filename)  //这里给的是压缩文件名
	{
		//1.读取配置文件
		string ConfigFilename = filename;
		int count = ConfigFilename.rfind('.');
		ConfigFilename = ConfigFilename.substr(0, count);
		string UnCompressname = ConfigFilename + ".unpress"; 
		FILE* fUnCompress = fopen(UnCompressname.c_str(), "wb"); //创建解压缩文件
		ConfigFilename += ".config";
		FILE* fconfig = fopen(ConfigFilename.c_str(),"rb");
		assert(fconfig);
		assert(fUnCompress);
		FILE* fpress = fopen(filename, "rb");  //打开压缩好的文件
		assert(fpress);

		type charcount = 0; //先读出字符出现的总次数
		string line;
		_ReadLine(fconfig,line);
		charcount = atoi(line.c_str());
		charcount <<= 32;   
		line.clear();
		_ReadLine(fconfig, line);
		charcount += atoi(line.c_str());
		line.clear();
		while (_ReadLine(fconfig,line))  //文件结束时feof会返回0
		{
			if (!line.empty())
			{
				char ch = line[0];
				_infos[(unsigned char)ch]._count = atoi(line.substr(2).c_str());
				line.clear();
			}
			else  //若读到一个空行，对应的字符为换行符
			{
				line += '\n';
			}
		}
		//2.再次构建Huffman树
		weight invalid(0);
		HuffmanTree hf(_infos, 256, invalid);    //用得到的权重数组构建一个Huffman树
		HuffmanTreeNode* root = hf.GetRoot();
		HuffmanTreeNode* cur = root;
		char ch = fgetc(fpress);
		int pos = 8;
		while (1)
		{
			--pos;
			if ((ch >> pos) & 1)
			{
				cur = cur->_right;
			}
			else
			{
				cur = cur->_left;
			}

			if (cur->_left == NULL&&cur->_right == NULL)
			{
				fputc(cur->_weight._ch, fUnCompress);
				cur = root;   //再次从根节点遍历
				charcount--;
			}
			if (pos == 0)
			{
				ch = fgetc(fpress);
				pos = 8;
			}
			if (charcount == 0)  //不读取压缩时为了凑够一个字节而加进去的比特位
				break;   
		}

		fclose(fconfig);
		fclose(fpress);
		fclose(fUnCompress);
		return true;
	}

protected:
	bool _ReadLine(FILE* filename,string& line)
	{
		assert(filename);
		if (feof(filename))
			return false;
		unsigned char ch = fgetc(filename);

		while (ch != '\n')
		{
			line += ch;
			ch = fgetc(filename);

			if (feof(filename))
				//break;
				return false;
		}
		return true;
	}

	void _GetCodeR(HuffmanTreeNode* root, string code)
	{
		if (NULL == root)
			return;
		if (root->_left == NULL&& root->_right == NULL)
		{
			_infos[root->_weight._ch]._code = code;
		
		}
		_GetCodeR(root->_left, code + '0');
		_GetCodeR(root->_right, code + '1');

	}
private:
	weight _infos[256];
};

void TestCompress()
{
	HuffmanPress hft;
	int begin = GetTickCount();
//	hft.FilePress("test1.txt");
	//hft.FilePress("git.txt");
//	hft.FilePress("1.jpg");
//	hft.FilePress("8.pdf");
	//hft.FilePress("Input.BIG");
	hft.FilePress("listen.mp3");
	int end = GetTickCount();
	cout << end-begin << endl;
}

void TestUnCompress()
{
	HuffmanPress hf;
	int begin = GetTickCount();
//	hf.FileUncompress("test1.txt.huffman");
//	hf.FileUncompress("1.jpg.huffman");
//	hf.FileUncompress("git.txt.huffman");
//	hf.FileUncompress("8.pdf.huffman");
	//hf.FileUncompress("Input.BIG.huffman");
	hf.FileUncompress("listen.mp3.huffman");
	int end = GetTickCount();
	cout << end - begin << endl;
}

最后，文件大了之后怎么对比两个文件是否一致呢？我用的是beyond Compare这个软件，很方便，能对比各种类型的文件。