数据结构课程设计哈夫曼编码.docx
《数据结构课程设计哈夫曼编码.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数据结构课程设计哈夫曼编码.docx（17页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
数据结构课程设计哈夫曼编码
数据结构与算法
学号：
2012141441210
姓名：
张敏
数据结构与算法实验报告
一、题目--赫夫曼编码/译码器
1.问题描述
利用赫夫曼编码进行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。
这要求在发送端通过一个编码系统对待传输数据预先编码，在接收端将传来的数据进行译码（复原）。
对于双工信道（即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。
试为这样的信息收发站编写一个赫夫曼码的编/译码系统。
2.基本要求
一个完整的系统应具有以下功能：
（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，建立赫夫曼树，并将它存于文件hfmTree中。
（2）E：
编码（Encoding）。
利用已建好的赫夫曼树（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，然后将结果存入文件CodeFile中。
（3）D：
译码（Decoding）。
利用已建好的赫夫曼树将文件CodeFile中的代码进行译码，结果存入文件Textfile中。
以下为选做：
（4）P：
印代码文件（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：
印赫夫曼树（Treeprinting）。
将已在内存中的赫夫曼树以直观的方式（比如树）显示在终端上，同时将此字符形式的赫夫曼树写入文件TreePrint中。
3.测试要求
（1）已知某系统在通信联络中只可能出现八种字符，其频率分别为0.05,0.29,0.07,0.08,0.14,0.23,0.03,0.11，试设计赫夫曼编码。
（2）用下表给出的字符集和频度的实际统计数据建立赫夫曼树，并实现以下报文的编码和译码：
“THISPROGRAMEISMYFAVORITE”。
字符
A
B
C
D
E
F
G
H
I
J
K
L
M
频度
186
64
13
22
32
103
21
15
47
57
1
5
32
20
字符
N
O
P
Q
R
S
T
U
V
W
X
Y
Z
频度
57
63
15
1
48
51
80
23
8
18
1
16
1
4.实现提示
（1）编码结果以文本方式存储在文件Codefile中。
（2）用户界面可以设计为“菜单”方式：
显示上述功能符号，再加上“Q”，表示退出运行Quit。
请用户键入一个选择功能符。
此功能执行完毕后再显示此菜单，直至某次用户选择了“Q”为止。
（3）在程序的一次执行过程中，第一次执行I，D或C命令之后，赫夫曼树已经在内存了，不必再读入。
每次执行中不一定执行I命令，因为文件hfmTree可能早已建好。
二、实验目的
1、了解并掌握数据结构与算法的设计方法，具备初步的独立分析和设计能力；
2、初步掌握软件开发过程的问题分析、系统设计、程序编码、测试等基本方法和技能；
3、提高综合运用所学的理论知识和方法独立分析和解决问题的能力；
4、训练用系统的观点和软件开发一般规范进行软件开发，培养软件工作者所应具备的科学的工作方法和作风。
5、了解哈夫曼树的构造原理和编解码流程
四、具体要求：
课程设计成果的内容必须由以下四个部分组成，缺一不可。
（1）上交源程序：
学生按照实验题目的具体要求所开发的所有源程序（应该放到一个文件夹中）；
（2）上交程序的说明文件：
（保存在.txt中）在说明文档中应该写明上交程序所在的目录，上交程序的主程序文件名，如果需要安装，要有程序的安装使用说明；
（3）设计报告：
（保存在word文档中，文件名要求：
按照“姓名_学号_设计题目”起名，如文件名为“张三_XXX_赫夫曼编码”.doc。
打印稿用A4纸）。
其中包括:
♦题目；
♦实验目的；
♦需求分析：
在该部分中叙述实现的功能要求；
♦概要设计：
在此说明每个部分的算法设计说明（可以是描述算法的流程图），每个程序中使用的存储结构设计说明（如果指定存储结构请写出该存储结构的定义）；
♦详细设计
各个算法实现的源程序，对每个题目要有相应的源程序（可以是一组源程序，每个功能模块采用不同的函数实现）。
源程序要按照写程序的规则来编写。
要结构清晰，重点函数的重点变量、重点功能部分要加上清晰的程序注释；
♦调试分析
测试数据，测试输出的结果，时间复杂度分析，和每个模块设计和调试时存在问题的思考（问题是哪些？
问题如何解决？
），算法的改进设想；
♦总结：
总结可以包括:
设计过程的收获、遇到问题及解决问题过程的思考、程序调试能力的思考、对数据结构这门课程的思考、在设计过程中对《数据结构》课程的认识等内容。
（4）考核成绩评定标准：
本课程设计的评价由三部分组成，包括程序演示（50%），课程设计报告（30%），回答教师提问（20%）。
1．程序演示：
Ø优功能完善，全部测试正确，并且能够对局部进行完善。
Ø良功能完善，但测试欠缺。
Ø中功能基本完善，但程序尚有部分错误。
Ø及格完成内存中赫夫曼编码/译码，但不涉及文件操作。
Ø不及格功能不完善，且程序错误较多，无法运行。
2．课程设计报告：
1．优包括设计内容，设计思想，已经完成的任务及达到的目标，设计思路清晰、书写条理清楚，源程序结构合理、清晰，注释说明完整，有对本次课程设计的心得体会。
2．良包括设计内容，设计思想，已经完成的任务及达到的目标，设计思路基本清晰、书写条理基本清楚，源程序结构合理、清晰，注释说明基本完整，有对本次课程设计的心得体会。
3．中课程设计报告内容基本完整，思路较清晰，书写基本清楚，源程序结构尚可，有注释说明但不完整。
4．及格课程设计报告内容基本完整，思路较差，书写尚清楚。
5．不及格课程设计报告内容不完整，书写没有条理。
3．回答教师提问：
1.优能回答教师提出的所有问题，并完全正确，思路清晰
2.良基本能回答教师提出的所有问题，有些小错误
3.中基本能回答教师提出的问题，少数问题回答错误或不清楚
4.及格能回答教师提出的问题，但较多问题回答错误或不能回答
5.不及格基本不能回答教师提出的问题
三、概要设计
A问题分析哈夫曼树的定义
1、哈夫曼树节点的数据类型定义为：
typedefstruct{//赫夫曼树的结构体
charch;
intweight;//权值
intparent,lchild,rchild;
}htnode,*hfmtree;
2、所实现的功能函数如下
1）voidhfmcoding（hfmtree&HT,hfmcode&HC,intn）初始化哈夫曼树，处理InputHuffman（HuffmanHfm）函数得到的数据，按照哈夫曼规则建立2叉树。
此函数块调用了Select（）函数。
2）voidSelect（hfmtree&HT,inta,int*p1,int*p2）//Select函数，选出HT树到a为止，权值最小且parent为0的2个节点
3、intmain（）
主函数：
利用已建好的哈夫曼树（如不在内存，则从文件hfmtree.txt中读入）
对文件中的正文进行编码，然后将结果存入文件codefile.txt中。
如果正文中没有要编码的字符，则键盘读入并存储到ToBeTran文件中。
读入ToBeTran中将要编码的内容，将编码好的哈夫曼编码存储到CodeFile中。
4、Encoding
编码功能：
对输入字符进行编码
5、Decoding
译码功能：
利用已建好的哈夫曼树将文件codefile.txt中的代码进行译码，结果存入文件textfile.dat中。
6、Print（）打印功能函数：
输出哈夫曼树，字符，权值，以及它对应的编码。
7、主函数的简要说明，主函数主要设计的是一个分支语句，让用户挑选所实现的功能。
使用链树存储，然后分别调用统计频数函数，排序函数，建立哈夫曼函数，编码函数，译码函数来实现功能。
B系统结构图（功能模块图）
四、程序说明
1）.哈夫曼编码/译码器源代码
#include
#include
#include
#include
#include
typedefstruct{//赫夫曼树的结构体
charch;
intweight;//权值
intparent,lchild,rchild;
}htnode,*hfmtree;
typedefchar**hfmcode;
voidSelect（hfmtree&HT,inta,int*p1,int*p2）//Select函数，选出HT树到a为止，权值最小且parent为0的2个节点
{
inti,j,x,y;
for（j=1;j<=a;++j）{
if（HT[j].parent==0）{
x=j;
break;//选出parent为零第一个的节点。
}
}
for（i=j+1;i<=a;++i）{
if（HT[i].weightx=i;//选出最小的节点x、
}
}
for（j=1;j<=a;++j）{
if（HT[j].parent==0&&x!
=j）//再次找一个parent为零的节点，且非最小节点。
{
y=j;
break;
}
}
for（i=j+1;i<=a;++i）
{
if（HT[i].weight=i）
{
y=i;//选出次小的节点，即非x的最小节点y、
}
}
if（x>y）{
*p1=y;
*p2=x;
}
else
{
*p1=x;
*p2=y;
}
}
voidhfmcoding（hfmtree&HT,hfmcode&HC,intn）//构建赫夫曼树HT，并求出n个字符的赫夫曼编码HC
{
inti,start,c,f,m,w;
intp1,p2;
char*cd,z;
if（n<=1）{
return;
}
m=2*n-1;
HT=（hfmtree）malloc（（m+1）*sizeof（htnode））;
for（i=1;i<=n;++i）//初始化n个叶子结点
{
printf（"请输入第%d字符信息和权值：
",i）;
scanf（"%c%d",&z,&w）;//z和w之间不识别空格、非空格、换行键。
while（getchar（）!
='\n'）
{
continue;
}
HT[i].ch=z;
HT[i].weight=w;
HT[i].parent=0;
HT[i].lchild=0;
HT[i].rchild=0;
}
for（;i<=m;++i）//初始化其余的结点
{
HT[i].ch='0';
HT[i].weight=0;
HT[i].parent=0;
HT[i].lchild=0;
HT[i].rchild=0;
}
for（i=n+1;i<=m;++i）//建立赫夫曼树
{
Select（HT,i-1,&p1,&p2）;
HT[p1].parent=i;HT[p2].parent=i;
HT[i].lchild=p1;HT[i].rchild=p2;
HT[i].weight=HT[p1].weight+HT[p2].weight;
}
HC=（hfmcode）malloc（（n+1）*sizeof（char*））;
cd=（char*）malloc（n*sizeof（char））;
cd[n-1]='\0';
for（i=1;i<=n;++i）//给n个字符编码
{
start=n-1;
for（c=i,f=HT[i].parent;f!
=0;c=f,f=HT[f].parent）
{
if（HT[f].lchild==c）
{
cd[--start]='0';//左孩子赋值为零
}
else
{
cd[--start]='1';//右为1
}
}
HC[i]=（char*）malloc（（n-start）*sizeof（char））;
strcpy（HC[i],&cd[start]）;
}
free（cd）;
}
intmain（）{
charcode[100],h[100],hl[100];
intn,i,j,k,l;
ifstreaminput_file;//文件输入输出流
ofstreamoutput_file;
charchoice,str[100];
hfmtreeHT;
hfmcodeHC;
cout<<"\n";
while（choice!
='Q'&&choice!
='q'）//当choice的值不为q且不为Q时循环
{
cout<<""<<"*************************赫夫曼编码/译码器*************************\n";
cout<<""<<"I.Init"<<""<<"E.Encoding"<<""<<"D.Decoding"<<""<<"Q.Exit\n";
cout<<"请输入您要操作的步骤：
";
cin>>choice;
if（choice=='I'||choice=='i'）//初始化赫夫曼树
{
cout<<"请输入字符个数：
";
cin>>n;
hfmcoding（HT,HC,n）;
for（i=1;i<=n;++i）
{
cout<"<}
output_file.open（"hfmTree.txt"）;
if（!
output_file）{
cout<<"can'toenfile!
"<return1;
}
for（i=1;i<=n;i++）
{
output_file<<"（"<}
output_file.close（）;
cout<<"赫夫曼树已经创建完毕，并且已经放入hfmTree.txt文件中!
"<}
elseif（choice=='E'||choice=='e'）//进行编码，并将字符放入ToBeTran.txt，码值放入CodeFile.txt中
{
printf（"请输入字符：
"）;
gets（str）;
output_file.open（"ToBeTran.txt"）;
if（!
output_file）
{
cout<<"can'toenfile!
"<return1;
}
output_file<output_file.close（）;
output_file.open（"CodeFile.txt"）;
if（!
output_file）{
cout<<"can'toenfile!
"<return1;
}
for（i=0;ifor（j=0;j<=n;++j）
{
if（HT[j].ch==str[i]）
{
output_file<break;
}
}
}
output_file.close（）;
cout<<"\n";
cout<<"编码完毕，并且已经存入CodeFile.txt文件！
\n";
input_file.open（"CodeFile.txt"）;//从CodeFile.txt中读入编码，输出在终端
if（!
input_file）
{
cout<<"can'toenfile!
"<return1;
}
input_file>>code;
cout<<"编码码值为：
"<input_file.close（）;
}
elseif（choice=='D'||choice=='d'）//读入CodeFile.txt中的编码进行译码，将译出来的字符放入Textfile.txt中
{
input_file.open（"CodeFile.txt"）;
if（!
input_file）{
cout<<"can'toenfile!
"<return1;
}
input_file>>h;
input_file.close（）;
output_file.open（"Textfile.txt"）;
if（!
output_file）
{
cout<<"can'toenfile!
"<return1;
}
k=0;
while（h[k]!
='\0'）//先用编码中的前几个和字符的编码相比较，然后往后移
{
for（i=1;i<=n;i++）{
l=k;
for（j=0;jhl[j]=h[l];
}
hl[j]='\0';
if（strcmp（HC[i],hl）==0）
{
output_file<k=k+strlen（HC[i]）;
break;
}
}
}
output_file.close（）;
input_file.open（"Textfile.txt"）;
if（!
input_file）{
cout<<"can'toenfile!
"<return1;
}
input_file>>h;
cout<input_file.close（）;
cout<<"译码结束，字符已经存入Textfile.txt文件中！
"<}
elseif（choice=='Q'||choice=='q'）//退出程序
{
exit（0）;
}
else//如果选了选项之外的就让用户重新选择
{
cout<<"您没有输入正确的步骤，请重新输入！
"<}
cout<}
return0;
}
5、结果分析
1、
由上图可知：
通过四次的不同格式输入，了解到了此程序只识别数字和字符，其他空格和无空格以及换行都不能读入字符或者数字。
2、当选择编码功能E时，
由上图可知：
若输入并为建立在哈夫曼树里面的字符，则会由于逻辑错误，出现乱码字样。
紧接着，输入已定义的aego中的aeg，则能编码，并且对照之前立的哈夫曼树的结构，可知道，编码成功。
3、相应地，此时我想要选择译码功能D，通过程序结果可知道，她便能直接翻译出之前存储在codefile里面的码字。
如下图
4、下面完成实验要求的任务，对thisprogramismyfavorite进行编码。
首先对将要输入的24个字母（其实有重复的字母，也可不比输入）进行赋权值：
之后，便可以得到对24个字母进行的编码，如下图：
5、最后对thisprogramismyfavorite进行编码，再译码，如下图：
六、实验心得与体会
1、在定义头文件时可多不可少，即我们可多写些头文件，肯定不会出错，但是若没有定义所引用的相关头文件，必定调试不通过；
2、通过本次数据结构的课程设计，我学习了很多在上课没懂的知识，并对求哈夫曼树及哈夫曼编码/译码的算法有了更加深刻的了解，更巩固了课堂中学习有关于哈夫曼编码的知识，真正学会一种算法了。
3、这次课程设计，我在编辑中犯了不应有的错误，设计统计字符和合并时忘记应该怎样保存数据，对文件的操作也很生疏。
在不断分析后明确并改正了错误和疏漏，我的程序有了更高的质量。
4、通过编程，我学会了更加熟悉的使用cin和cout输入和输出函数，并发现它比C语言的printf和scanf函数的格式更为简便（但必须包含头文件）：
我还熟悉了在循环语句中if与break连用的用法：
break在if后面，即当满足if的条件是，则跳出此循环语句，执行循环的后面语句。
在函数中If与return连用时表示，当满足if的条件时返回函数，即函数执行完毕。
了解了用ifstreaminput_file和ofstreamoutput_file函数构造文件输入输出流。
升级会员 