实验2 Huffman编码对英文文本的压缩和解压缩.docx
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实验2Huffman编码对英文文本的压缩和解压缩
《信息论与编码》
实验报告
班级：
学号：
姓名：
完成时间：
2011年6月2日
实验2Huffman编码对英文文本的压缩和解压缩
一、实验内容
根据信源压缩编码——Huffman编码的原理，制作对英文文本进行压缩和解压缩的软件。
要求软件有简单的用户界面，软件能够对运行的状态生成报告，分别是：
字符频率统计报告、编码报告、压缩程度信息报告、码表存储空间报告。
二、实验环境
1.计算机
2.Windows2000或以上
3.MicrosoftOffice2000或以上
4.VC++6.0
5.MSDN6.0
三、实验目的
1.掌握Huffman编码的原理
2.掌握VC开发环境的使用（尤其是程序调试技巧）
3.掌握C语言编程（尤其是位运算和文件的操作）
4.掌握数据结构的内容：
链表、顺序表、堆栈、最优二叉树
5.掌握结构化程序分析和开发的软件工程原理
四、实验要求
1.提前预习实验，认真阅读实验原理。
2.认真高效的完成实验，实验过程中服从实验室管理人员以及实验指导老师的管理。
3.认真填写实验报告。
要求有实验问题、实验原理、Matlab的源程序以及实验结果（实验内容中）。
4.每个同学必须独立完成实验（不能抄袭，否则两人均为零分），实验成绩是该门课程成绩的主要依据。
五、实验原理
1.压缩/解压缩流程
压缩流程：
读取扫描文本文件——〉统计字符频率——〉生成码字——〉保存压缩文件
解压缩流程：
读取扫描压缩文件——〉提取字符频率——〉生成码树——〉保存文本文件
2.Huffman编码算法（略）
3.文件操作和位运算（略）
六、Huffman算法的8种不同实现方式
1.huffman_a使用链表结构生成Huffman树的算法，这是最基本的实现方法，效率最低。
2.huffman_b使用《数据结构》（严蔚敏，吴伟民，1997，C语言版）中给出的算法，将二叉树存放在连续空间里（静态链表），空间的每个结点内仍有左子树、右子树、双亲等指针。
3.huffman_c使用CanonicalHuffman编码，同时对huffman_b的存储结构进行改造，将二叉树存放在连续空间tree里，空间的每个结点类型都和结点权值的数据类型相同，空间大小为2*num，tree[0]未用，tree[1..num]是每个元素的权值，生成Huffman后，tree[1..2*num-1]中是双亲结点索引。
4.huffman_d在huffman_c的基础上，增加预先排序的功能先用QuickSort算法对所有元素的权值从小到大排序，这样，排序后最前面的两个元素就是最小的一对元素了。
我们可以直接将它们挑出来，组合成一个子树。
然后再子树的权值用折半插入法插到已排序的元素表中，保证所有结点有序。
为了保证初始元素的顺序不变，我们另外使用了一个索引数组，所有排序中的交换操作都是在索引数组中进行的。
5.huffman_e在huffman_d的基础上，将索引数组放在tree的内部。
为编码方便，将元素权值放在tree[num..2*num-1]处。
将tree[0..num-1]作为索引数组。
排序改为从大到小。
对索引数组排序后，每次从最后选出2个最小值，相加后的结点权值放在索引数组最后，结点索引放在索引数组中倒数第2个位置，然后索引数组大小减1，并将最后一个索引值插入到前面的有序表中，保证索引数组仍然有序。
6.huffman_f在huffman_e的基础上，将排序改为利用堆排序原理选择最小的两个权值。
也即，将所有元素的权值组织成堆后，每次堆内的根结点就是最小值了。
每取出一个根结点后，就把堆尾元素调到根结点重建堆。
取出两个最小值合并成一个子树后，再把子树作为叶子结点放到堆中，并让其上升到合适的位置，保持堆性质不变。
因为每次不必完成整个排序过程，而只是组织成堆，因此，这种方法要比使用快速排序更快。
上述算法参考了mg-1.2.1中Huffman编码的实现，见http:
//www.cs.mu.oz.au/mg/
7.huffman_g当元素权值已经有序时，可以使用A.Moffat和J.Katajainen设计的在权值数组内部构建Huffman的方法。
A.Moffat和J.Katajainen对该算法的描述见http:
//www.cs.mu.oz.au/~alistair/abstracts/inplace.html
8.huffman_h在huffman_f的基础上，增加限制码长的功能。
限制码长的算法参考了zlib-1.1.4中构造限制码长的Huffman编码的源代码。
zlib的源代码见http:
//www.gzip.org/zlib/，其中限制长度的算法在tree.c的gen_bitlen（）函数中。
七．Huffman的java实现：
界面类
publicclassComFileFrame{
publicstaticvoidmain（String[]args）{
ComFileFramecff=newComFileFrame（）;
cff.showUI（）;
}
publicvoidshowUI（）{
javax.swing.JFrameframe=newjavax.swing.JFrame（）;
frame.setSize（200,100）;
frame.setLocationRelativeTo（null）;
frame.setTitle（"own压缩软件"）;
frame.setLayout（newjava.awt.FlowLayout（））;
frame.setDefaultCloseOperation（3）;
frame.setResizable（false）;
javax.swing.JButtoncomf=newjavax.swing.JButton（"压缩"）;
javax.swing.JButtondecomf=newjavax.swing.JButton（"解压缩"）;
MouseListenerImplmli=newMouseListenerImpl（）;
comf.addMouseListener（mli）;
decomf.addMouseListener（mli）;
javax.swing.JLabellabel=newjavax.swing.JLabel（"Copyright@Chenjunqing"）;
label.addMouseListener（mli）;
frame.add（comf）;
frame.add（decomf）;
frame.add（label）;
frame.setVisible（true）;
}
}
鼠标监听器类
packagejava.Huffman;
importjava.awt.event.MouseEvent;
importjava.awt.event.MouseListener;
importjavax.swing.JButton;
importjavax.swing.JLabel;
publicclassMouseListenerImplimplementsMouseListener{
publicvoidmouseClicked（MouseEvente）{
Objectobj=e.getSource（）;//得到鼠标单击的对象
if（objinstanceofJButton）{//判断鼠标是否单击是按钮
JButtonb=（JButton）obj;
Stringtitle=b.getActionCommand（）;//得到按钮的名称
javax.swing.JFileChooserchooser=newjavax.swing.JFileChooser（）;//创建一个filechooser，用来获取路径
if（title=="压缩"）{//判断单击的是哪个按钮
chooser.setFileSelectionMode（javax.swing.JFileChooser.FILES_ONLY）;//压缩时只允许压缩文件
intt=chooser.showDialog（null,"压缩"）;
if（t==javax.swing.JFileChooser.APPROVE_OPTION）{
Stringsource=chooser.getSelectedFile（）.getAbsolutePath（）;//得到源文件的路径
//System.out.println（"sourceis:
"+source）;//fortest
Stringdestination=source+".own";//根据源文件路径产生新文件的路径
//System.out.println（"destinationis:
"+destination）;//fortest
CompresscomFile=newCompress（）;
try{
longstart=System.currentTimeMillis（）;
comFpressFile（source,destination）;
longend=System.currentTimeMillis（）;
longtime=end-start;
javax.swing.JOptionPane.showMessageDialog（null,"压缩完成！
\n"+"压缩用时：
"+time+"ms"+"\n"）;
}catch（Exceptione1）{
e1.printStackTrace（）;
}
}
}
elseif（title=="解压缩"）{
chooser.setFileSelectionMode（javax.swing.JFileChooser.FILES_ONLY）;
intt=chooser.showDialog（null,"解压缩"）;
if（t==javax.swing.JFileChooser.APPROVE_OPTION）{
Stringsource=chooser.getSelectedFile（）.getAbsolutePath（）;
if（source.endsWith（"own"））{
Stringtemp=source.substring（0,source.length（）-4）;
ints=temp.lastIndexOf（"\\"）;
Stringdestination=temp.substring（0,s+1）+"解压"+temp.substring（s+1,temp.length（））;
//System.out.println（"destinationis:
"+destination）;//fortest
CompressdecomFile=newCompress（）;
try{
longstart=System.currentTimeMillis（）;
decomFile.decompressFile（source,destination）;
longend=System.currentTimeMillis（）;
longtime=end-start;
javax.swing.JOptionPane.showMessageDialog（null,"解压完成！
\n"+"解压用时：
"+time+"ms"+"\n"）;
}catch（Exceptione1）{
e1.printStackTrace（）;
}
}else{
javax.swing.JOptionPane.showMessageDialog（null,"请选择由本软件压缩的文件"）;
}
}
}
}
elseif（objinstanceofJLabel）{
javax.swing.JOptionPane.showMessageDialog（null,"本软件压缩的文件拓展名为own！
"）;
}
}
@Override
publicvoidmousePressed（MouseEvente）{
//TODOAuto-generatedmethodstub
}
@Override
publicvoidmouseReleased（MouseEvente）{
//TODOAuto-generatedmethodstub
}
@Override
publicvoidmouseEntered（MouseEvente）{
//TODOAuto-generatedmethodstub
}
@Override
publicvoidmouseExited（MouseEvente）{
//TODOAuto-generatedmethodstub
}
}
压缩与解压缩方法类
packagejava.Huffman;
importjava.io.DataInputStream;
importjava.io.DataOutputStream;
importjava.io.FileInputStream;
importjava.io.FileOutputStream;
importjava.util.ArrayList;
importjava.util.HashMap;
/**
*利用Huffman编码进行压缩
*
*@authorChenjunqing
*
*/
publicclassCompress{
publicstaticvoidmain（String[]args）throwsException{
Compresscps=newCompress（）;
//HashMapmap=
//cps.countFile（"d:
\\我的文档\\桌面\\Test.java"）;
//HashMapcode=cps.getFileCode（map）;
//java.util.Setset=code.keySet（）;
//java.util.Iteratoriter=set.iterator（）;
//while（iter.hasNext（））{
//Bytekey=iter.next（）;
//Stringvalue=code.get（key）;
//System.out.println（key+"\t"+value）;
//}
longstart=System.currentTimeMillis（）;
pressFile（"d:
\\我的文档\\桌面\\005.png","d:
\\我的文档\\桌面\\005.own"）;//压缩文件
cps.decompressFile（"d:
\\我的文档\\桌面\\005.own","d:
\\我的文档\\桌面\\解压005.png"）;//解压文件
longend=System.currentTimeMillis（）;
System.out.println（"TimeofRunningis:
"+（end-start）+"ms"）;
}
/**
*对一个文件进行字节的统计
*
*@parampath
*：
文件的路径
*@return：
返回一个Map<字节,出现次数>
*/
publicHashMapcountFile（Stringpath）throwsException{
HashMapmap=newHashMap（）;
FileInputStreamfis=newFileInputStream（path）;
DataInputStreamdis=newDataInputStream（fis）;//创建文件输入流对象，按照数据类型读取。
intt=-1;
while（（t=dis.read（））!
=-1）{
Bytekey=（byte）t;
if（map.containsKey（key））{
Integervalue=map.get（key）;
value++;
map.put（key,value）;
}else{
map.put（key,1）;
}
}
dis.close（）;
////测试代码
//inttotal=0;
//java.util.Setset1=map.keySet（）;
//java.util.Iteratoriter1=set1.iterator（）;
//while（iter1.hasNext（））{
//Bytekey=iter1.next（）;
//intvalue=map.get（key）;
//total++;
//System.out.println（key+"\t"+value）;
//}
//System.out.println（total）;
returnmap;
}
/**
*得到一个HashMap的Huffman编码
*
*@parammap
*：
要转化的HashMap
*@return：
返回一个HashMap，Byte是字节，String是其对应的Huffman编码。
*/
publicHashMapgetFileCode（HashMapmap）{
java.util.Setset=map.keySet（）;//将MAP<字符，次数>的key放到一个Set集合
java.util.Iteratoriter=set.iterator（）;//Set向迭代器中放值
ArrayListhuff=newArrayList（）;
//将字符出现的次数作为权值（data），字符作为标志（Sign），把数据转化为节点，存入一个队列中
while（iter.hasNext（））{
Bytekey=iter.next（）;
Integernum=map.get（key）;
TreeNodetemp=newTreeNode（num）;
temp.setSign（key）;
huff.add（temp）;
}
HuffmanTreehfmTree=newHuffmanTree（）;
//将队列转化为相应的Huffman树，返回树的根节点
TreeNoderoot=hfmTree.ArrayToHuffman（huff）;
//hfmTree.printTree（root）;//打印huffman树
HashMapcode=hfmTree.getHuffmanCode（root）;//得到huffman编码，结果保存在Map<字符，huffman编码>
////测试代码
//inttotal=0;
//java.util.Setset1=code.keySet（）;
//java.util.Iteratoriter1=set1.iterator（）;
//while（iter1.hasNext（））{
//Bytekey=iter1.next（）;
//Stringvalue=code.get（key）;
//total++;
//System.out.println（key+"\t"+value）;
//}
//System.out.println（total）;
returncode;
}
/**
*得到源文件的压缩文件的方法
*
*@paramcode
*：
由源文件得到的存储有其中每个字节及其对应Huffman编码的HashMap。
*@paramsource
*：
源文件的路径
*@paramdestination
*：
压缩文件存储的路径
*/
publicvoidcompressFile（Stringsource,Stringdestination）
throwsException{
FileInputStreamfis=newFileInputStream（source）;
DataInputStreamdis=newDataInputStream（fis）;
FileOutputStreamfos=newFileOutputStream（destination）;
DataOutputStreamdos=newDataOutputStream（fos）;
Stringdata="";//用来暂存编码的过度变量
HashMapmap=this.countFile（source）;
HashMapcode=this.getFileCode（map
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