数据结构课程设计哈夫曼树及编码.docx
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数据结构课程设计哈夫曼树及编码
数据结构课程设计哈夫曼树及编码
HUFFMAN树及编码
1.需求分析
随机输入一篇英文文章（或读一个TXT文件），生成并显示HUFFMAN树，输出每个字母的HUFFMAN编码，判断ASCII编码与HUFFMAN编码对本篇报文长度节省效果。
（a）输入的形式为键盘随机输入，输入的字符串长度在10000以内；
（b）输出HUFFMAN树的存储结构；
（c）程序功能为输入英文文章中每个字母的HUFFMAN编码，以及与ASCLL码编码长度的比较结果；
（d）测试数据：
正确的输入一篇英文文章，会输出各个字母的HUFFMAN编码。
错误的输入即其输出输入错误。
2.概要设计
首先统计英文文章中各个字母的个数作为权值，再统计出现的字母的个数，以决定所构造赫夫曼树的节点个数，之后便开始构造赫夫曼树，再构造每个节点的哈夫曼编码。
所设计的抽象数据类型如下：
typedefstruct
{
unsignedintweight;//权值
unsignedintparent,lchild,rchild;//双亲，左孩子，右孩子
}HTNode,*HuffmanTree;
typedefchar**HuffmanCode;
所设计的函数如下：
intmin（HuffmanTreeHT,inti）找出所有权值中最小的那个。
voidSelect（HuffmanTreeHT,inti,int&s1,int&s2）找出每次最小的两个权值最小的权值。
StatusHuffmanCoding（HuffmanTree&HT,HuffmanCode&HC,int*w,intn）
构造赫夫曼树并构造每个字母的赫夫曼编码。
voidPrintHT（HuffmanTreeHT,intn）
输出赫夫曼树的存储结构。
3.详细设计
intmin（HuffmanTreeHT,inti）
{intj,flag=1;
unsignedintk=10000;
for（j=1;j<=i;j++）
{
if（HT[j].weight{
k=HT[j].weight,flag=j;
}//if
}
HT[flag].parent=1;
returnflag;
}
voidSelect（HuffmanTreeHT,inti,int&s1,int&s2）
{
intj;
s1=min（HT,i）;
s2=min（HT,i）;
if（s1>s2）
{
j=s1;
s1=s2;
s2=j;
}
}
StatusHuffmanCoding（HuffmanTree&HT,HuffmanCode&HC,int*w,intn）
{
ints1,s2,i,start,f;
char*cd;
HuffmanTreep=NULL;//p是工作指针，指向赫夫曼树中的结点
if（n<=1）
{
returnERROR;
}
intm=2*n-1;//n个字符构造的赫夫曼树共有m=2*n-1个结点
printf（"->待构造的赫夫曼树共有2×%d-1=%d个结点\n",n,m）;
if（!
（HT=（HuffmanTree）malloc（（m+1）*sizeof（HTNode））））//申请赫夫曼树结点占用的内存空间,0号单元不用
{
exit（OVERFLOW）;
}//if
printf（"->赫夫曼树共分配了%d个结点空间，其中包含一个不用的0号单元\n",m+1）;
//printf（"->初始化所有叶子节点的权值，父亲和孩子：
\n"）;
for（p=HT+1,i=1;i<=n;++i,++p,++w）
{
p->weight=*w;
p->parent=0;//双亲初始值为0，表示此结点还没有被选择最小的算法选择过
p->lchild=0;//左右孩子初始化为0，表示空
p->rchild=0;
}
for（;i<=m;i++,p++）
{
p->weight=0;
p->parent=0;
p->lchild=0;
p->rchild=0;
}
for（i=n+1;i<=m;++i）
{
Select（HT,i-1,s1,s2）;
HT[s1].parent=i;//选出的两个权值最小的结点的双亲就是即将生成的结点
HT[s2].parent=i;
HT[i].lchild=s1;//即将生成的结点左孩子是s1，右孩子是s2，
HT[i].rchild=s2;//因为s1比s2先选，因此s1总是小于等于s2
HT[i].weight=HT[s1].weight+HT[s2].weight;//即将生成结点的权值就是两个权值最小的结点的权值之和
}
if（!
（HC=（HuffmanCode）malloc（（n+1）*sizeof（char*））））
{
exit（OVERFLOW）;
}//if
if（!
（cd=（char*）malloc（n*sizeof（char））））
{
exit（OVERFLOW）;
}
cd[n-1]='\0';
for（inti=1;i<=n;++i）
{
start=n-1;
for（intc=i,f=HT[i].parent;f!
=0;c=f,f=HT[f].parent）
{
if（HT[f].lchild==c）
{
cd[--start]='0';
}//if
else//叶子结点根结点的右孩子
{
cd[--start]='1';
}//else
}
if（!
（HC[i]=（char*）malloc（（n-start）*sizeof（char））））
{
exit（OVERFLOW）;
}
strcpy（HC[i],&cd[start]）;
//printf（"->叶子节点%d的赫夫曼编码为:
%s\n",i,HC[i]）;
}
free（cd）;
returnOK;
}//HuffmanCoding
voidPrintHT（HuffmanTreeHT,intn）
{
intm=2*n-1;
printf（"\n+-------------------------------------------------------------+\n"）;
printf（"|赫夫曼树HT的存储结构|\n"）;
printf（"+----------+----------+----------+--------------+-------------+\n"）;
printf（"|结点编号|weight|parent|leftchild|rightchild|\n"）;
printf（"+----------+----------+----------+--------------+-------------+\n"）;
for（inti=1;i<=m;i++）
{
printf（"|%4d|%4d|%4d|%4d|%4d|\n",
i,HT[i].weight,HT[i].parent,HT[i].lchild,HT[i].rchild）;
printf（"+----------+----------+----------+--------------+-------------+\n"）;
}
}
for（inti=0;i{
if（str[i]=='A'）
a[65]++;
elseif（str[i]=='B'）
a[66]++;
elseif（str[i]=='C'）
a[67]++;
elseif（str[i]=='D'）
a[68]++;
elseif（str[i]=='E'）
a[69]++;
elseif（str[i]=='F'）
a[70]++;
elseif（str[i]=='G'）
a[71]++;
elseif（str[i]=='H'）
a[72]++;
elseif（str[i]=='I'）
a[73]++;
elseif（str[i]=='J'）
a[74]++;
elseif（str[i]=='K'）
a[75]++;
elseif（str[i]=='L'）
a[76]++;
elseif（str[i]=='M'）
a[77]++;
elseif（str[i]=='N'）
a[78]++//部分统计字母代码
主程序首先随机输入一篇英文文章，再统计各字母个数，再调用HuffmanCoding（HT,HC,w,n）函数，此函数又会调用voidSelect（HuffmanTreeHT,inti,int&s1,int&s2）函数，而此函数又会调用intmin（HuffmanTreeHT,inti）函数，构造完成后便调用PrintHT（HT,n）函数输出赫夫曼树的存储结构。
调用
调用
调用
调用
输入界面：
输出界面：
4.调试分析
（a）调试过程中未设计多种不合理输入的对应输出结果，后加上。
（b）算法的时间复杂度为O（n3）,StatusHuffmanCoding（HuffmanTree&HT,HuffmanCode&HC,int*w,intn）函数中的一重for循环调用了select函数，而select函数又调用了min函数，故共有三重for循环，故时间复杂度为O（n3）。
（c）经过这次课程设计，让我受益匪浅，使我掌握了二叉树的的存储结构和赫夫曼编码的基本思想。
程序中有多处运用了三重循环，这里很多地方能够优化以达到减小时间和空间复杂度。
在此次课程设计的最大收获就是让我明白一个道理：
无论你做的是多么小的一个程序或软件，都要使用模块化设计，这样使程序实现的功能更清晰明了。
5.用户使用说明
直接输入一篇英文文章即可。
6.测试结果
a.正确输入：
ThereisnodoubtthatInternethaschangedourlifegreatlyItmakestheworldsmallerPeoplecangettoknowtheworldinashorttimeandmakefriendsfromallovertheworldWhileontheotherhandthemuchattentionontheInternetisolatesthedistanceandreducesfacetofacecommunicationManyyearsagobeforethepopularityofcomputerpeoplegottoknowtheworldbylisteningtotheradioorreadingnewspaperButnowadayspeoplecanjustreadtheinstantnewsontheInternetandgetthefirsthandinformationimmediatelyThefastwaytomasterinformationmakesthemfeelkeepingintouchwiththeworldTheworldseemssoneartothem
结果：
‘
b．错误的输入
7.测试情况：
测试情况如设计的一致，首先输出各字母及在文章出现的次数，再输出各字母的赫夫曼编码，最后输出ASCLL码与赫夫曼编码的差异。
附程序源代码：
#include
#include
#include
#defineOVERFLOW-2
#defineOK1
#defineERROR0
typedefintStatus;
typedefstruct
{
unsignedintweight;//权值
unsignedintparent,lchild,rchild;//双亲，左孩子，右孩子
}HTNode,*HuffmanTree;//动态分配数组存储赫夫曼树
typedefchar**HuffmanCode;//动态分配数组存储赫夫曼编码表
intmin（HuffmanTreeHT,inti）
{
intj,flag=1;
unsignedintk=10000;
for（j=1;j<=i;j++）
{
if（HT[j].weight{
k=HT[j].weight,flag=j;
}//if
}
HT[flag].parent=1;
returnflag;
}
voidSelect（HuffmanTreeHT,inti,int&s1,int&s2）
{
intj;
s1=min（HT,i）;
s2=min（HT,i）;
if（s1>s2）
{
j=s1;
s1=s2;
s2=j;
}
}
voidPrintHT（HuffmanTreeHT,intn）
{
intm=2*n-1;
printf（"\n+-------------------------------------------------------------+\n"）;
printf（"|赫夫曼树HT的存储结构|\n"）;
printf（"+----------+----------+----------+--------------+-------------+\n"）;
printf（"|结点编号|weight|parent|leftchild|rightchild|\n"）;
printf（"+----------+----------+----------+--------------+-------------+\n"）;
for（inti=1;i<=m;i++）
{
printf（"|%4d|%4d|%4d|%4d|%4d|\n",
i,HT[i].weight,HT[i].parent,HT[i].lchild,HT[i].rchild）;
printf（"+----------+----------+----------+--------------+-------------+\n"）;
}
}
StatusHuffmanCoding（HuffmanTree&HT,HuffmanCode&HC,int*w,intn）
{
ints1,s2,i,start,f;
char*cd;
HuffmanTreep=NULL;//p是工作指针，指向赫夫曼树中的结点
if（n<=1）
{
returnERROR;
}
intm=2*n-1;//n个字符构造的赫夫曼树共有m=2*n-1个结点
printf（"->待构造的赫夫曼树共有2×%d-1=%d个结点\n",n,m）;
if（!
（HT=（HuffmanTree）malloc（（m+1）*sizeof（HTNode））））//申请赫夫曼树结点占用的内存空间,0号单元不用
{
exit（OVERFLOW）;
}//if
printf（"->赫夫曼树共分配了%d个结点空间，其中包含一个不用的0号单元\n",m+1）;
//printf（"->初始化所有叶子节点的权值，父亲和孩子：
\n"）;
for（p=HT+1,i=1;i<=n;++i,++p,++w）
{
p->weight=*w;
p->parent=0;//双亲初始值为0，表示此结点还没有被选择最小的算法选择过
p->lchild=0;//左右孩子初始化为0，表示空
p->rchild=0;
}
for（;i<=m;i++,p++）
{
p->weight=0;
p->parent=0;
p->lchild=0;
p->rchild=0;
}
for（i=n+1;i<=m;++i）
{
Select（HT,i-1,s1,s2）;
HT[s1].parent=i;//选出的两个权值最小的结点的双亲就是即将生成的结点
HT[s2].parent=i;
HT[i].lchild=s1;//即将生成的结点左孩子是s1，右孩子是s2，
HT[i].rchild=s2;//因为s1比s2先选，因此s1总是小于等于s2
HT[i].weight=HT[s1].weight+HT[s2].weight;//即将生成结点的权值就是两个权值最小的结点的权值之和
}
if（!
（HC=（HuffmanCode）malloc（（n+1）*sizeof（char*））））
{
exit（OVERFLOW）;
}//if
if（!
（cd=（char*）malloc（n*sizeof（char））））
{
exit（OVERFLOW）;
}
cd[n-1]='\0';
for（inti=1;i<=n;++i）
{
start=n-1;
for（intc=i,f=HT[i].parent;f!
=0;c=f,f=HT[f].parent）
{
if（HT[f].lchild==c）
{
cd[--start]='0';
}//if
else//叶子结点根结点的右孩子
{
cd[--start]='1';
}//else
}
if（!
（HC[i]=（char*）malloc（（n-start）*sizeof（char））））
{
exit（OVERFLOW）;
}
strcpy（HC[i],&cd[start]）;
//printf（"->叶子节点%d的赫夫曼编码为:
%s\n",i,HC[i]）;
}
free（cd）;
returnOK;
}//HuffmanCoding
intmain（）
{
HuffmanTreeHT;
HuffmanCodeHC;
int*w;
charstr[10005];
inta[150],b[60];
memset（a,0,sizeof（int）*150）;
printf（"请随机输入英文文章：
"）;
scanf（"%s",str）;
intlen=strlen（str）;
for（inti=0;i{
if（str[i]=='A'）
a[65]++;
elseif（str[i]=='B'）
a[66]++;
elseif（str[i]=='C'）
a[67]++;
elseif（str[i]=='D'）
a[68]++;
elseif（str[i]=='E'）
a[69]++;
elseif（str[i]=='F'）
a[70]++;
elseif（str[i]=='G'）
a[71]++;
elseif（str[i]=='H'）
a[72]++;
elseif（str[i]=='I'）
a[73]++;
elseif（str[i]=='J'）
a[74]++;
elseif（str[i]=='K'）
a[75]++;
elseif（str[i]=='L'）
a[76]++;
elseif（str[i]=='M'）
a[77]++;
elseif（str[i]=='N'）
a[78]++;
elseif（str[i]=='O'）
a[79]++;
elseif（str[i]=='P'）
a[80]++;
elseif（str[i]=='Q'）
a[81]++;
elseif（str[i]=='R'）
a[82]++;
elseif（str[i]=='S'）
a[83]++;
elseif（str[i]=='T'）
a[84]++;
elseif（str[i]=='U'）
a[85]++;
elseif（str[i]=='V'）
a[86]++;
elseif（str[i]=='W'）
a[87]++;
elseif（str[i]=='X'）
a[88]++;
elseif（str[i]=='Y'）
a[89]++;
elseif（str[i]=='Z'）
a[90]++;
elseif（str[i]=='a'）
a[97]++;
elseif（str[i]=='b'）
a[98]++;
elseif（str[i]=='c'）
a[99]++;
elseif（str[i]=='d'）
a[100]++;
elseif（str[i]=='e'）
a[101]++;
elseif（str[i]=='f'）
a[102]++;
elseif（str[i]=='g'）
a[103]++;
elseif（str[i]=='h'）
a[104]++;
elseif（str[i]=='i'）
a[105]++;
elseif（
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