哈夫曼树

哈夫曼树

给定n个权值作为n个叶子结点，构造一棵二叉树，若带权路径长度达到最小，称这样的二叉树为最优二叉树，也称为哈夫曼树(Huffman tree)。哈夫曼树是带权路径长度最短的树，权值较大的结点离根较近。节点的带权长度是这样定义的：节点的权值*根节点到该节点的路径长度。树的带权路径长度(Weighted Path Length of Tree，简记为WPL)则是指所有节点的带权长度和。哈夫曼树就是使WPL最小的一种树，并且哈夫曼树是满二叉树。它的构造方法是哈夫曼方法。哈夫曼树是这样构造的：

假设有n个权值，则构造出的哈夫曼树有n个叶子结点。 n个权值分别设为 w1、w2、…、wn，则哈夫曼树的构造规则为：(摘自百度百科)

1. 将w1、w2、…，wn看成是有n 棵树的森林(每棵树仅有一个结点)；
2. 在森林中选出两个根结点的权值最小的树合并，作为一棵新树的左、右子树，且新树的根结点权值为其左、右子树根结点权值之和；
3. 从森林中删除选取的两棵树，并将新树加入森林；
4. 重复(2)、(3)步，直到森林中只剩一棵树为止，该树即为所求得的哈夫曼树。

哈夫曼编码

提到哈夫曼树，这就不得不提到哈夫曼编码。哈夫曼编码(Huffman Coding)是一种编码方式，哈夫曼编码是可变字长编码(VLC)的一种。Huffman于1952年提出一种编码方法，该方法完全依据字符出现概率来构造异字头的平均长度最短的码字，有时称之为最佳编码，一般就叫做Huffman编码(有时也称为霍夫曼编码)。它的构造比较简单：先建好哈夫曼树，左子树的路径标记为0，右子树的路径标记为1。叶节点的哈夫曼编码就是根节点到叶节点的简单路径上的0、1序列。

下面给出构建哈夫曼树和哈夫曼编码的c++代码：

代码

//Huffman树
#include<iostream>
#include<iomanip>
#include<stack>
using namespace std;
//最大权值
const int MAXWEIGHT = 100;
//Huffman节点
typedef struct
{
	int weight;  //节点权值
	int parent;  //父节点下标
	int lchild;  //左孩子下标
	int rchild;  //右孩子下标
}HuffNode, *HuffTree;
//HuffCode
typedef struct
{
	//权值
	int weight;
	//用栈存储编码
	stack<char> code;
}HuffCode;
/*
创建Huffman树
根据指定的权值数组创建Huffman树
*/
HuffNode *buildHuffTree(int weight[], int n)
{
	if (!weight || n < 1)
		return NULL;
	/*
	用顺序存储Huffman树
	Huffman树是满二叉树
	n为叶子节点数，则内部节点数是n-1，共有2*n-1个节点
	*/
	int m = 2 * n - 1;    //节点总数
	HuffNode* tree = new HuffNode[m];
	//初始化Huffman树
	int i, j;
	for (i = 0; i < m; i++)
	{
		//把初始节点存储在数组前部
		if (i < n)
			tree[i].weight = weight[i];

		tree[i].parent = tree[i].lchild = tree[i].rchild = -1;
	}
	/*
	建树
	只需n-1次循环
	w1是当前最小权值，p1是其下标；w2是当前次最小权值，p2是其下标
	*/
	int w1, w2, p1, p2;
	for (i = n; i < m; i++)
	{
		//每次循环前都得初始化权值和下标
		w1 = w2 = MAXWEIGHT;
		p1 = p2 = 0;
		//寻找最小和次最小权值节点
		for (j = 0; j < i; j++)
		{
			//父节点下标为-1，说明该节点未被使用
			if (tree[j].parent == -1)
			{
				if (tree[j].weight < w1)
				{
					w2 = w1;
					p2 = p1;
					w1 = tree[j].weight;
					p1 = j;
				}
				else if (tree[j].weight < w2)
				{
					w2 = tree[j].weight;
					p2 = j;
				}
			}
		}
		//把产生的新节点放入位置i
		tree[p1].parent = tree[p2].parent = i;
		tree[i].weight = tree[p1].weight + tree[p2].weight;
		tree[i].lchild = p1;
		tree[i].rchild = p2;
	}
	return tree;
}
/*
根据Huffman树构建Huffman编码
从叶结点回溯：边回溯，边判断当前节点位于父节点的左子树or右子树
这也是使用栈保存编码的原因：先进后出
*/
HuffCode* huffCode(HuffTree tree, int n)
{
	HuffCode* Code = new HuffCode[n];
	int i, child, parent;
	for (i = 0; i < n; i++)
	{
		stack<char> stack;
		child = i;
		parent = tree[child].parent;
		while (parent != -1)
		{
			//左孩子的分支是1
			if (tree[parent].lchild == child)
				stack.push('0');
			else//右孩子的分支是1
				stack.push('1');
			child = parent;
			parent = tree[child].parent;
		}
		Code[i].weight = tree[i].weight;
		Code[i].code = stack;
	}
	return Code;
}
//打印Huffman树
void printHuffTree(HuffTree tree, int n)
{
	int i;
	cout.setf(ios::left);
	for (i = 0; i < n; i++)
	{
		cout << setw(2) << i
			 << " 权值:" << setw(3) << tree[i].weight
			 << "父亲:" << setw(3) << tree[i].parent
			 << "左孩子:" << setw(3) << tree[i].lchild
			 << "右孩子:" << setw(3) << tree[i].rchild
			 << endl;
	}
}
int main()
{
	cout << "***Huffman树***by David***" << endl;
	int n;
	cout << "输入权值个数 ";
	while (cin >> n && n < 1)
		cout << "出错，重新输入 ";
	int *weight = new int[n];
	cout << "输入权值序列 ";
	int i = 0;
	while (i < n)
		cin >> weight[i++];
	cout << "创建Huffman树" << endl;
	HuffTree tree = buildHuffTree(weight, n);
	printHuffTree(tree, 2 * n - 1);
	cout << endl;
	cout << "进行Huffman编码" << endl;
	HuffCode *code = huffCode(tree, n);
	for (i = 0; i < n; i++)
	{
		cout << "权值:" << setw(3) << code[i].weight << "Huffman编码:";
		stack<char> stack = code[i].code;
		while (!stack.empty())
		{
			cout << stack.top();
			stack.pop();
		}
		cout << endl;
	}
	//释放空间
	delete[]weight;
	delete[]tree;
	delete[]code;
	system("pause");
	return 0;
}

运行

代码下载：哈夫曼树

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