算法设计与分析--霍夫曼树编码(C++实现)

问题描述:

设需要编码的字符集为{d1, d2, …, dn},它们出现的频率为{w1, w2, …, wn},应用哈夫曼树构造最短的不等长编码方案。



Huffman算法:

给定实数w1,w2,···,wt且 w1<=w2<=···<=wt           

1)连接w1,w2为权的两片树叶,得一分支点,其权为w1+w2 ;

2)在w1+w2, w3+···+wt中选出两个最小的权,连接它们对应的顶点(不一定都是树叶),得分支点及所带的权;

3)重复(2),直到形成t 1个分支点,t片树叶为止



算法实例:

算法设计与分析--霍夫曼树编码(C++实现)_第1张图片

算法设计与分析--霍夫曼树编码(C++实现)_第2张图片

算法设计与分析--霍夫曼树编码(C++实现)_第3张图片



C++代码:

#include<iostream>
#include<string>
using namespace std;

//结点类型
struct element
{
	double weight;	//字符出现的概率为实数
	char ch;
	int lchild, rchild, parent;
};


//在HuffTer中找权值最小的两个结点i1和i2
void Select(element huffTree[], int *a, int *b, int n)
{
	int i;
	double weight = 0;
	for(i = 0; i <n; i++)
	{
		if(huffTree[i].parent != - 1)		//如果有父结点的,不进行判断
			continue;
		else
		{
			if(weight == 0)
			{
				weight = huffTree[i].weight;
				*a = i;
			}
			else
			{
				if(huffTree[i].weight < weight)
				{
					weight = huffTree[i].weight;
					*a = i;
				}
			}
		}
	}
	weight = 0;
	for(i = 0; i < n; i++)
	{
		if(huffTree[i].parent != -1 || (i == *a))
			continue;
		else 
		{
			if(weight == 0)
			{
				weight = huffTree[i].weight;
				*b = i;
			}
			else 
			{
				if(huffTree[i].weight  < weight)
				{
					weight = huffTree[i].weight;
					*b = i;
				}
			}
		}
	}
	int temp;
	if(huffTree[*a].lchild < huffTree[*b].lchild)		//避免根结点的左右子树混淆
	{
		temp = *a;
		*a = *b;
		*b = temp;
	}
}



//建立霍夫曼树
void HuffmanTree(element huffTree[], int w[], char ch[], int n)
{
	for(int i = 0; i < 2 * n - 1;i++) //霍夫曼树共有2*n - 1个结点
	{
		huffTree[i].parent = -1;	//双亲结点
		huffTree[i].lchild = -1;	//左孩子结点
		huffTree[i].rchild = -1;	//右孩子结点
	}
	for(int i = 0; i < n; i++)		//构造n棵只含有根结点的二叉树
	{
		huffTree[i].weight = w[i];	//给哈夫曼树赋权值
		huffTree[i].ch = ch[i];		//需要编码的字符
	}
	for(int k = n; k < 2 * n - 1; k++)//n-1次合并
	{
		int i1 = 0;
		int i2 = 0;
		Select(huffTree,&i1,&i2,k);	//在HuffTer中找权值最小的两个结点i1和i2
		huffTree[i1].parent = k;	//将i1和i2合并,则i1和i2的双亲是k
		huffTree[i2].parent = k;
		huffTree[k].weight = huffTree[i1].weight + huffTree[i2].weight;
		huffTree[k].lchild = i1;
		huffTree[k].rchild = i2;
	}
}

//霍夫曼编码
void HuffmanCode(element huffTree[], int n)
{
	int i, j,k;
	string s = "";
	for(i = 0; i < n; i++)	//在数组HuffTree中前n个元素是叶子结点,需要编码
	{
		s = "";			//编码s初始化为空串
		j = i;					//暂存i,不破坏循环变量
		while(huffTree[j].parent != -1)	//结点j存在双亲
		{
			k = huffTree[j].parent;
			if(j == huffTree[k].lchild)	//结点j是其双亲的左孩子
			{
				s = s + "0";
			}
			else				//结点j是其双亲的右孩子
			{
				s = s + "1";
			}
			j = huffTree[j].parent;	//将结点j的双亲赋给j
		}
		cout<<"字符"<<huffTree[i].ch<<"的编码:"<<endl;
		for(int i =s.size() - 1; i >= 0; i--)	//将s作为结点i的编码逆序输出
		{
			cout<<s.at(i)<<" ";
		}
		cout<<endl;
	}
}

int main()
{
	const int n = 6;
	element huffTree[2 * n];
	char ch[] = {'a', 'b', 'c','d','e','f'};
	int w[] = {50, 60, 150, 200, 240, 300};
	// 构造霍夫曼树
	HuffmanTree(huffTree,w,ch,n);
	//编码
	HuffmanCode(huffTree,n);
	system("pause");
	return 0;
}

实验结果:

算法设计与分析--霍夫曼树编码(C++实现)_第4张图片

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