哈夫曼树的应用.docx

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哈夫曼树的应用

《哈夫曼树的应用》

课程设计

学生姓名：

蔡丽敏

学号：

6103105003

专业班级：

计算机科学与技术051班

指导教师：

林振荣

二00八年十二月二十七日

目录

1.课程设计目的…………………………………………………1

2.课程设计题目设计和要求……………………………………1

3.课程设计报告内容……………………………………………1

4.结论……………………………………………………………25

5.参考书目………………………………………………………25

1.课程设计目的

树型结构是一种应用极为广泛的非线性数据结构,也是本课程设计的重点内容,哈夫曼树（最优二叉树）是树型结构的典型应用,本次课程设计突出了数据结构加操作的程序设计观点,希望能根据树型结构的非线性特点,熟悉各种存储结构的特性,达到如何应用树型结构的非线性特点,熟悉各种存储结构的特性,达到如何应用树型结构解决具体问题的目的.

2.课程设计题目描述和要求

【问题描述】

利用哈夫曼编码进行住处通讯可以大大提高信道利用率,缩短住处传输时间,降低成本,但是,这要求在发送端通过一个编码系统将传输的数据预先编码,在接收端通过一个译码系统对传来的数据进行译码（复原）,对于双向传输信息的信道,每端都一个完整的编码译码系统,试为这样的住处收发站写一个哈夫曼友的编码译码系统.

【基本要求】：

一个完整的系统应以下功能:

（1）I.初始化（Initialization）。

从终端读入字符集大小n，以及n个字符和n个权值,建立哈夫曼树,并将它存放在文件hfmTree中.

（2）E.编码（Encoding）。

利用已建立好的哈夫曼树（如不在内存，则从文件hfmTree中读入），对文件ToBeTran中的正文进行编码,然后将结果代码存（传输）到文件CodeFile中.

（3）D.译码（Decoding）。

利用已建好的哈夫曼树,对传输到达的CodeFile中的数据代码进行译码,将译码结果存入文件TextFile中.

（4）P.印文件代码（Print）。

将文件CodeFile以紧凑格式显示在终端上，每行50个代码。

同时将此字符形式的编码文件写入文件CodePrin中。

（5）T.印哈夫曼树（TreePrinting）。

将已在内存中的哈夫曼树以直观的方式（树或凹入表的形式）显示在终端上，同时将此字符形式的哈夫曼树写入文件TreePrint中。

测试数据：

（1）利用下述中的数据调试程序。

（2）用下表给出的字符集和频度的计数据建立哈曼树,并实现以下报文的编码和译码：

“THISPROGRAMISMYFAVORITE”.。

字符^ABCDEFGHIJKL

频数18664132232103211547571532

字符MNOPQRSTUVWXYZ

频数205763151485180238181161

3.课程设计报告内容

哈夫曼编码/译码

（一）、需求分析

1、利用哈夫曼编码进行信息通信可以大大提高信道利用率，缩短信息传输时

间，降低传输成本。

但是，这要求在发送端通过一个编码系统对待传数据预先编码，在接收端将传来的数据进行译码（复原）。

对于双工信道（既可以双向传输信息的信道），每端都需要一个完整的编/译码系统。

本次设计就是为这样的信息收发站写的一个哈夫曼的编/译码器。

本课程设计要求：

2、本演示程序中，用户可以输入键盘中的任意字符，长度为任意长，字符输入顺序不限，且允许出现重码

3、演示程序以用户与计算机的对话方式执行，即在计算机终端上显示“提示信息”之后，由用户在键盘上输入演示程序中规定的运算命令，相应的输入数据（可虑去输入中的非法字符）和运算结果显示在其后。

4、本演示程序中，当用户选择的功能错误时，系统会输出相应的提示。

5、在本系统中，用户可以对任意长的字符串可进行编码/译码。

6、程序执行的命令包括：

　1）初始化（I）　　　2）编码（E）　　　　3）译码（D）

4）印代码文件（P）　5）印哈夫曼树（T）　6）退出（Q）

7、测试数据：

（1）利用下述中的数据调试程序。

（2）用下表给出的字符集和频度的计数据建立哈曼树,并实现以下报文的编码和译码：

“THISPROGRAMISMYFAVORITE”.。

字符^ABCDEFGHIJKL

频数18664132232103211547571532

字符MNOPQRSTUVWXYZ

频数205763151485180238181161

（二）、概要设计

为实现上述程序功能，应以指针存储结点。

为此，需要定义一个抽象数据类型。

1.抽象数据类型定义为：

ADTHuffmanTree{

数据对象：

D={ai|ai∈CharSet,i=1,2,……,n,n≥0}

数据关系：

R={ai-1,ai∈D,ai-1基本操作P：

HuffmanTree（）;构造函数

~HuffmanTree（）;析构函数

Initialization（intWeightNum）;

操作结果：

构造哈夫曼树。

Encoder（）

初始条件：

哈夫曼树已存在或者哈夫曼树已存到文件中。

操作结果：

对字符串进行编码

Decoder（）;

初始条件：

哈夫曼树已存在且已编码。

操作结果：

对二进制串进行译码

Print（）

初始条件：

编码文件已存在。

操作结果：

把已保存好的编码文件显示在屏幕

TreePrinting（）

初始条件：

哈夫曼树已存在。

操作结果：

将已在内存中的哈夫曼树以直观的方式显示在终端上

2.本程序包含三个模块：

1）主程序模块：

voidmain（）{

初始化；

do{

接受命令；

处理命令；

}while（“命令”=”退出”）

}

2）、建树模块——实现定义的抽象数据类型

3）、编/译码模块——实现字符串的编/译码

各模块之间的调用关系如下：

主程序模块

建树模块

编/译码模块

程序代码如下

//程序名：

HuffmanTree.h

//程序功能：

哈夫曼树类的头文件（并用其来实现编/译码）

//作者：

蔡丽敏

//日期：

2008.12.27

//版本：

1.0

//对应类实现文件:

HuffmanTree.cpp

//对应主程序文件:

main.cpp

1//程序名：

HuffmanTree.h

2//程序功能：

哈夫曼树类的头文件（并用其来实现编/译码）

3

4//对应类实现文件:

HuffmanTree.cpp

5//对应主程序文件:

main.cpp

6

7

8

9#include

10#include

11#include

12usingnamespacestd;

13structHuffmanNode//定义哈夫曼树各结点

14{

15intweight;//存放结点的权值，假设只考虑处理权值为整数的情况

16intparent;//记录结点父亲位置，-1表示为根结点，否则表示为非根结点

17intlchild,rchild;//分别存放该结点的左、右孩子的所在单元的编号

18};

19classHuffmanTree//建立哈夫曼树类

20{

21private:

22HuffmanNode*Node;//哈夫曼树中结点的存储结构

23char*Info;//用来保存各字符信息

24intLeafNum;//树中的叶子结点总数

25public:

26HuffmanTree（）;//构造函数

27~HuffmanTree（）;//析构函数

28voidInitialization（intWeightNum）;//初始化函数：

根据WeightNum个权值建立一棵哈夫曼树

29voidEncoder（）;//编码函数：

利用构造好的哈夫曼树对字符进行编码

30voidDecoder（）;//译码函数：

对二进制串进行译码

31voidPrint（）;//印文件函数：

把已保存好的编码文件显示在屏幕

32voidTreePrinting（）;//印哈夫曼树函数：

将已在内存中的哈夫曼树以直观的方式显示在终端上

33};

//程序名：

HuffmanTree.cpp

//程序功能：

实现哈夫曼树类的源文件（并用其来实现编/译码）

//作者：

蔡丽敏

//日期：

2008.12.27

//版本：

1.0

1#include"HuffmanTree.h"

2#include

3usingnamespacestd;

45/**///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

6//构造函数

7//函数功能：

将结点指针初始化为NULL

8//函数参数：

无

9//参数返回值：

无

10HuffmanTree:

:

HuffmanTree（）

11{

12Node=NULL;//将树结点初始化为空

13Info=NULL;//将字符数组初始化为空

14LeafNum=0;//将叶子数初始化为0

15}

16/**///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

17//析构函数

18//函数功能：

将所有结点的空间释放

19//函数参数：

无

20//参数返回值：

无

21HuffmanTree:

:

~HuffmanTree（）

22{

23delete[]Node;//释放结点空间

24delete[]Info;//释放字符存储空间

25}

26/**///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

27//初始化函数

28//函数功能：

从终端读入字符集大小n，以及n个字符和n个权值,

29//建立哈夫曼树,并将它存放在文件hfmTree中.

30//函数参数：

intWeightNum表示代码个数

31//参数返回值：

无

32voidHuffmanTree:

:

Initialization（intWeightNum）//初始化

33{

34inti,j,pos1,pos2,max1,max2;//

35

36Node=newHuffmanNode[2*WeightNum-1];//WeightNum权值对应的哈夫曼树中的结点总数为2*WeightNum-1个

37//Info=newchar[2*WeightNum-1];

38Info=newchar[WeightNum];

39for（i=0;i

40{

41cout<<"请输入第"<

42getchar（）;//丢弃字符'\t'与'\n'

43Info[i]=getchar（）;//输入一个字符,主要是考虑输入空格而采用这种形式的

44//cin>>Info[i];

45getchar（）;

46cout<<"请输入该字符的权值或频度";

47cin>>Node[i].weight;//输入权值

48Node[i].parent=-1;//为根结点

49Node[i].lchild=-1;//无左孩子

50Node[i].rchild=-1;//无右孩子

51}

52

53for（i=WeightNum;i<2*WeightNum-1;i++）//表示需做WeightNum-1次合并

54{

55pos1=-1;

56pos2=-1;//分别用来存放当前最小值和次小值的所在单元编号

57max1=32767;//32767为整型数的最大值

58max2=32767;//分别用来存放当前找到的最小值和次小值

59

60for（j=0;j

61if（Node[j].parent==-1）//是否为根结点

62if（Node[j].weight

63{

64max2=max1;//原最小值变为次小值

65max1=Node[j].weight;//存放最小值

66pos2=pos1;//修改次小值所在单元编号

67pos1=j;//修改最小值所在单元编号

68}

69else

70if（Node[j].weight

71{

72max2=Node[j].weight;//存放次小值

73pos2=j;//修改次小值所在的单元编号

74}

75//for

76Node[pos1].parent=i;//修改父亲位置

77Node[pos2].parent=i;

78Node[i].lchild=pos1;//修改儿子位置

79Node[i].rchild=pos2;

80Node[i].parent=-1;//表示新结点应该是根结点

81Node[i].weight=Node[pos1].weight+Node[pos2].weight;

82}//for

83LeafNum=WeightNum;

84

85

86charch;

87cout<<"是否要替换原来文件（Y/N）:

";

88cin>>ch;

89if（ch=='y'||ch=='Y'）

90{

91ofstreamfop;//以二进制方式打开hfmTree.dat文件，并当重新运行时覆盖原文件

92fop.open（"hfmTree.dat",ios:

:

out|ios:

:

binary|ios:

:

trunc）;

93if（fop.fail（））//文件打开失败

94cout<<"文件打开失败！

\n";

95fop.write（（char*）&WeightNum,sizeof（WeightNum））;//写入WeightNum

96for（i=0;i

97{

98fop.write（（char*）&Info[i],sizeof（Info[i]））;

99flush（cout）;

100}

101for（i=0;i<2*WeightNum-1;i++）//把个节点内容写入文件

102{

103fop.write（（char*）&Node[i],sizeof（Node[i]））;

104flush（cout）;

105}

106fop.close（）;//关闭文件

107}

108cout<<"哈夫曼树已构造完成。

\n";

109}//Initialization

110

111/**///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

112//编码函数

113//函数功能：

利用已建立好的哈夫曼树（如不在内存，则从文件hfmTree中读入），

114//对文件ToBeTran中的正文进行编码,然后将结果代码存（传输）到文件CodeFile中.

115//函数参数：

无

116//参数返回值：

无

117voidHuffmanTree:

:

Encoder（）

118{

119if（Node==NULL）//哈夫曼树不在内存，从文件hfmTree中读入

120{

121ifstreamfip;//以二进制方式打开hfmTree.dat文件

122fip.open（"hfmTree.dat",ios:

:

binary|ios:

:

in）;

123if（fip.fail（））//文件打开失败

124{

125cout<<"文件打开失败！

\n";

126return;//结束本函数

127}

128fip.read（（char*）&LeafNum,sizeof（LeafNum））;//读取叶子数

129Info=newchar[LeafNum];

130Node=newHuffmanNode[2*LeafNum-1];

131for（inti=0;i

132fip.read（（char*）&Info[i],sizeof（Info[i]））;

133for（i=0;i<2*LeafNum-1;i++）//读取结点信息

134fip.read（（char*）&Node[i],sizeof（Node[i]））;

135}

136

137char*Tree;//用于存储需编码内容

138inti=0,num;

139charChoose;//让用户选择读取文件或重新输入需编码内容

140cout<<"你要从文件中读取内容

（1），还是重新输入

（2）:

";

141cin>>Choose;

142if（Choose=='1'）//读取文件ToBeTran.txt

143{

144ifstreamfip1（"ToBeTran.txt"）;

145if（fip1.fail（））//文件不存在

146{

147cout<<"文件打开失败!

\n";

148return;//结束本函数

149}

150charch;

151intk=0;

152while（fip1.get（ch））

153{

154k++;//计算CodeFile中代码长度

155}

156fip1.close（）;

157

158Tree=newchar[k+1];

159ifstreamfip2（"ToBeTran.txt"）;

160

161k=0;

162while（fip2.get（ch））

163{

164Tree[k]=ch;//读取文件内容，并存到Tree中

165k++;

166}

167fip2.close（）;

168Tree[k]='\0';//结束标志

169cout<<"需编码内容为:

";

170cout<

171}//if（Choose=='1'）

172

173else//Choose!

='1',重新输入

174{

175stringtree;//用于输入需编码内容，由于string类对象可以输入任意长度，

176//所以先利用这个对象输入，再转存在Tree中

177

178cin.ignore（）;

179cout<<"请输入需要编码的内容（可输入任意长，结束时请按2下回车）:

\n";

180getline（cin,tree,'\n'）;//输入任意长字符串，

181//getline以回车（'\n'）作为结束符，第一次按回车表示字符串结束，第二次按回车才开始输出。

182while（tree[i]!

='\0'）

183i++;

184num=i;//计算tree长度

185i=0;

186Tree=newchar[num+1];

187while（tree[i]!

='\0'）//将tree中的字符转存到Tree中

188{

189Tree[i]=tree[i];

190i++;

191}

192Tree[i]='\0';//结束标志符

193}

194

195ofstreamfop（"CodeFile.dat",ios:

:

trunc）;//存储编码后的代码,并覆盖原文件

196i=0;

197intk=0;

198char*code;

199code=newchar[LeafNum];//为所产生编码分配容量为LeafNum的存储空间

200//因为不等长编码中最长的编码一定不会超过要求编码的字符个数

201while（Tree[k]!

='\0'）//对每一个字符编码

202{

203intj,start=0;

204for（i=0;i

205if（Info[i]==Tree[k]）//求出该文字所在单元的编号

206break;

207j=i;

208while（Node[j].parent!

=-1）//结点j非树根

209{

210j=Node[j].parent;//非结点j的双亲结点

211if（Node[j].lchild==i）//是左子树，则生成代码0

212code[start++]='0';

213else//是右子树，则生成代码1

214code[start++]='1';\

215i=j;

216}

217code[start]='\0';//置串结束符

218

219

220for（i=0;i

221{

222j=code[i];

223code[i]=code[start-i-1];

224code[start-i-1]=j;

225}

226i=0;

227while（code[i]!

='\0'）//存储代码

228{

229fop<

230i++;

231}

232k++;

233}

234fop.close（）;

235cout<<"已编码！

且存到文件CodeFile.dat中！

\n\n";

236}//Encode

237

238/**///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

239//译码函数

240//函数功能：

利用已建好的哈夫曼树,对传输到达的CodeFile中的数据代码进行译码,

241//将译码结果存入文件Te