【算法导论】贪心算法之赫夫曼编码

        概述

        

        讨论赫夫曼编码问题，赫夫曼编码的思想就是变长编码。变长编码就是让字符表中出现概率高的字符的编码长度尽可能小，而出现概率高的字符的编码长度相对较长。然后还要遵循前缀码的要求，就是任意一个编码都不是其他编码的前缀码，这样方便解码。

        思路及实现

        对于下表中的字符和相应的出现概率，有对应图中的编码树：

        可以比较容易的看出来，每个叶节点就代表一个字符，从根节点到叶节点走过的路径拼接起来，就代表这个字符的编码，比如f是1100，e是1101，而f和e是深度最深的节点也是概率最小的两个节点。这也就是我们要求的赫夫曼编码形式。这种最优的编码形式，总是一颗满的二叉树。

        算导上有大量的篇幅来论证用贪心算法，每次选择概率最小的两个节点来，可以完成赫夫曼编码。这里只说实现方法。

        由于每次都要找出出现概率最小的那个节点，弹出来，并删掉，所以我们可以使用最小优先队列来做。注意一点是，编码树的叶子节点个数等于字符的个数，而内部节点个数则等于字符的个数减去一，所以求内部节点的循环只需要n-1次即可，n为字符数。

小根堆操作：

#include <iostream>
#include <stack>

using namespace std;

#define MAX_INDEX 11

struct node {
	int freq;
	node* left;
	node* right;
	node() :
			freq(), left(NULL), right(NULL) {
	}
};

//数组从1号元素开始算起
int left_child(int i) {
	return i * 2;
}

int right_child(int i) {
	return i * 2 + 1;
}

int parent(int child) {
	return child / 2;
}

void swap(node* a, node* b) {
	node tmp = *a;
	*a = *b;
	*b = tmp;
}

void Print_Heap(node* a, int len) {
	for (int i = 1; i < len; i++) {
		cout << a[i].freq << ' ';
	}
	cout << endl;
}

/*
 * 将一个左右子树都是小根堆的堆转化成小根堆
 */
void Min_Heapify(node heap[], int root, int n) {
	int l = left_child(root);
	int r = right_child(root);

	int min = root;

	if (l <= n && heap[min].freq > heap[l].freq) {
		min = l;
	}

	if (r <= n && heap[min].freq > heap[r].freq) {
		min = r;
	}

	if (min != root) {
		swap(heap + root, heap + min);
		Min_Heapify(heap, min, n);
	}
}

/*
 * 构建一个小根堆
 */
void Build_min_heap(node heap[], int n) {
	int idx = n / 2 + 1;
	for (int i = idx; i >= 1; i--) {
		Min_Heapify(heap, i, n);
	}
}

最小优先队列操作：

/*
 * 最小优先队列要实现的操作：
 *
 * ①INSERT(S,x)
 *
 * ②MINIMUM(S)
 *
 * ③EXTRACT_MIN(S)
 *
 * ④DECREASE_KEY(S,x,k)
 *
 */

/*
 * 最小优先队列
 */
struct min_priority_queue {
	node* min_heap;
	int len;

	min_priority_queue(node* mh, int l) :
			min_heap(mh), len(l) {
	}
};

/*
 * 返回最小元素
 */
node* HEAP_MINIMUM(min_priority_queue* mpq) {
	if (mpq->len < 1) {
		cout << "min_priority_queue underflow" << endl;
	}
	return mpq->min_heap + 1;
}

/*
 * 弹出并移除最小的元素
 */
node* HEAP_EXTRACT_MIN(min_priority_queue* mpq) {

	if (mpq->len < 1) {
		cout << "min_priority_queue underflow" << endl;
	}

	//这里必须要新建一个节点返回去，如果直接返回原节点，则会导致后面insert的时候，左右孩子的指针指向的内容发生变化

	//新建一个节点
	node* min = new node();

	//复制最小节点的内容到新建节点，最后将新建的节点的指针返回
	*min = *(mpq->min_heap + 1);

	swap(mpq->min_heap + 1, mpq->min_heap + mpq->len);

	//删除弹出的节点，防止内存泄露
	delete (mpq->min_heap + mpq->len);

	//将最后一个节点从堆中去掉
	(mpq->len)--;

	//重新维护小根堆的性质
	Min_Heapify(mpq->min_heap, 1, mpq->len);

	//返回min
	return min;
}

/*
 * 把优先队列中原来为x的元素的值，换成k，并维护最小堆的性质
 */
void HEAP_DECREASE_KEY(min_priority_queue* mpq, int i, node* n) {
	if (mpq->min_heap[i].freq < n->freq) {
		cout << "error:要替换的值比原值要大" << endl;
		return;
	}

	mpq->min_heap[i].freq = n->freq;

	while (i >= 1 && mpq->min_heap[i].freq < mpq->min_heap[parent(i)].freq) {
		swap(mpq->min_heap + i, mpq->min_heap + parent(i));
		i = parent(i);
	}
}

/*
 * 插入元素
 */
void HEAP_INSERT(min_priority_queue* mpq, node* n) {
	(mpq->len)++;
	*(mpq->min_heap + mpq->len) = *n;
	HEAP_DECREASE_KEY(mpq, mpq->len, n);
}

/*
 * 打印节点数组
 */
void PRINT_NODE_ARRAY(node* n_arr, int max_index) {
	for (int i = 1; i <= max_index; i++) {
		cout << n_arr[i].freq << ' ';
	}
	cout << endl;
}

赫夫曼编码形成编码树：

//哈夫曼编码树
struct Huffman_Tree
{
    node *root;
    Huffman_Tree():root(NULL){}
};



/*
 * 赫夫曼编码，返回编码树的头结点
 */
void HUFFMAN(min_priority_queue* mpq,Huffman_Tree* T) {
	int n = mpq->len;

	Build_min_heap(mpq->min_heap, n);

	node* tmp = NULL;

	//内部节点有n-1个，所以进行n-1次循环，每一个tmp都是一个内部节点，形成之后，再将tmp入堆，继续循环
	for (int i = 1; i <= n - 1; i++) {
		tmp = new node();
		tmp->left = HEAP_EXTRACT_MIN(mpq);
		tmp->right = HEAP_EXTRACT_MIN(mpq);
		tmp->freq = tmp->left->freq + tmp->right->freq;
		HEAP_INSERT(mpq, tmp);
	}
//	return HEAP_EXTRACT_MIN(mpq);
	T->root=HEAP_EXTRACT_MIN(mpq);
}

/*
 * 中序遍历编码树
 */
void PRINT_CODED_TREE(node* root) {
	if (root != NULL) {
		PRINT_CODED_TREE(root->left);
		cout << root->freq << ' ';
		PRINT_CODED_TREE(root->right);
	}
}

/*
 * 删除编码树的节点
 */
void DELETE_CODED_TREE(node* root) {
	if (root != NULL) {
		DELETE_CODED_TREE(root->left);
		node* tmp = root->right;
		delete root;
		root = NULL;
		DELETE_CODED_TREE(tmp);
	}
}

int main() {

	int freq_arr[MAX_INDEX + 1] = { 0, 10, 4, 8, 20, 7, 6, 3, 11, 1, 5, 25 };

	node node_arr[MAX_INDEX + 1];

	for (int i = 0; i < 12; i++) {
		node_arr[i].freq = freq_arr[i];
	}

	//新建一个最小优先队列对象，应用上面的数组
	min_priority_queue* mpq = new min_priority_queue(node_arr, MAX_INDEX);

	Huffman_Tree* T = new Huffman_Tree();

	HUFFMAN(mpq,T);

	PRINT_CODED_TREE(T->root); //10个内部节点和原来的11个叶子节点，一共21个节点

	DELETE_CODED_TREE(T->root);

	return 0;
}

    复杂度分析

        形成小根堆耗时O(n)，而在HUFFMAN(min_priority_queue* mpq,Huffman_Tree* T)中的n-1次for循环，每次for 都要做常数次维护小根堆性质的操作，每次的复杂度为O(lgn)，所以总共是：O(n+n*lgn)=O(nlgn)。