3哈夫曼编译器.docx
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3哈夫曼编译器
数据结构课程设计
实验题目：
赫夫曼编码/译码器
班级网络一班
姓名
学号
指导老师
成绩
一、需求分析
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。
二、基本要求
1.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。
2.测试要求
（1）利用教科书例6-2的数据调试程序：
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
3.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。
三、概要设计
程序主要分为五部分，哈夫曼节点的定义，哈夫曼编码的定义，Select函数选择出权值最小的节点，Initialization函数生成哈夫曼树，主函数。
四、详细设计
1.数据存储结构设计
（1）哈夫曼节点
哈夫曼节点数据类型如下，包含字符，权值，父节点，左右孩子：
typedefstruct{
charch;
unsignedintweight;
unsignedintparent,lchild,rchild;
}HTNode,*HfmTree;
（2）哈夫曼编码
哈夫曼编码用二级指针存储，动态分配空间:
typedefchar**HfmCode;
2.算法的设计思想
（1）Select函数
voidSelect（HfmTreeHT,inta,int&s1,int&s2）{
//选择出parent为0的两个权值最小的两个节点，s1节点权值小于s2节点
inti,temp;
i=0;
while（HT[++i].parent!
=0）;
s1=i;
while（HT[++i].parent!
=0）;
s2=i++;
if（HT[s1].weight>HT[s2].weight）{
temp=s1;
s1=s2;
s2=temp;
}
for（;i<=a;i++）{
if（HT[i].parent==0）
if（HT[i].weightelseif（HT[i].weight}
}//选出权值最小且无父节点的节点，选择范围为i-a;
（2）Initialization函数
voidInitialization（HfmTree&HT,HfmCode&HC,intn,stringch,int*w）
{
inti,m,s1,s2,start,c,f;
//iHTNode位置，m为哈夫曼树节点数，s1s2选择节点，start开始点，c当前节点，f父节点
char*cd;
if（n<=1）return;
m=2*n-1;
HT=（HfmTree）malloc（（m+1）*sizeof（HTNode））;//0号单元使用
for（i=1;i<=n;i++）{
HT[i].ch=ch[i-1];
HT[i].weight=w[i-1];
HT[i].parent=0;
HT[i].lchild=0;
HT[i].rchild=0;
}//初始化叶子节点
for（;i<=m;i++）{
HT[i].ch='0';
HT[i].weight=0;
HT[i].parent=0;
HT[i].lchild=0;
HT[i].rchild=0;
}//----------------为什么不能批量赋值----------！
！
for（i=n+1;i<=m;i++）{//建立哈夫曼树
Select（HT,i-1,s1,s2）;
HT[s1].parent=i;
HT[s2].parent=i;
HT[i].lchild=s1;
HT[i].rchild=s2;
HT[i].weight=HT[s1].weight+HT[s2].weight;
}
HC=（HfmCode）malloc（（n+1）*sizeof（char*））;
cd=（char*）malloc（n*sizeof（char））;
cd[n-1]='\0';
for（i=1;i<=n;i++）{
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';
}else{
cd[--start]='1';
}
HC[i]=（char*）malloc（（n-start）*sizeof（char））;
strcpy（HC[i],&cd[start]）;
}
}
free（cd）;
cout<<"生成成功！
"<cout<<"ID\tchar\t"<<"weight"<<"\t"<<"parent"<<"\t"<<"lchild"<<"\t"<<"rchild"<<"\t"<for（i=1;i<2*n;i++）{
cout<}
cout<<"char\t"<<"Code\t"<for（i=1;i<=n;i++）{
cout<}
}
//生成，前半部分为生成哈夫曼树，调用Select得出权值最小的两项，计算权值
//后半部分为哈夫曼编码生成，从后到前生成，动态分配空间大小
3.源程序
#include
#include
#include
usingnamespacestd;
typedefstruct{
charch;
unsignedintweight;
unsignedintparent,lchild,rchild;
}HTNode,*HfmTree;
typedefchar**HfmCode;
voidSelect（HfmTreeHT,inta,int&s1,int&s2）{
//选择出parent为0的两个权值最小的两个节点，s1节点权值小于s2节点
inti,temp;
i=0;
while（HT[++i].parent!
=0）;
s1=i;
while（HT[++i].parent!
=0）;
s2=i++;
if（HT[s1].weight>HT[s2].weight）{
temp=s1;
s1=s2;
s2=temp;
}
for（;i<=a;i++）{
if（HT[i].parent==0）
if（HT[i].weightelseif（HT[i].weight}
}
voidInitialization（HfmTree&HT,HfmCode&HC,intn,stringch,int*w）
{
inti,m,s1,s2,start,c,f;
//iHTNode位置，m为哈夫曼树节点数，s1s2选择节点，start开始点，c当前节点，f父节点
char*cd;
if（n<=1）return;
m=2*n-1;
HT=（HfmTree）malloc（（m+1）*sizeof（HTNode））;//0号单元使用
for（i=1;i<=n;i++）{
HT[i].ch=ch[i-1];
HT[i].weight=w[i-1];
HT[i].parent=0;
HT[i].lchild=0;
HT[i].rchild=0;
}//初始化叶子节点
for（;i<=m;i++）{
HT[i].ch='0';
HT[i].weight=0;
HT[i].parent=0;
HT[i].lchild=0;
HT[i].rchild=0;
}//----------------为什么不能批量赋值----------
for（i=n+1;i<=m;i++）{//建立哈夫曼树
Select（HT,i-1,s1,s2）;
HT[s1].parent=i;
HT[s2].parent=i;
HT[i].lchild=s1;
HT[i].rchild=s2;
HT[i].weight=HT[s1].weight+HT[s2].weight;
}
HC=（HfmCode）malloc（（n+1）*sizeof（char*））;
cd=（char*）malloc（n*sizeof（char））;
cd[n-1]='\0';
for（i=1;i<=n;i++）{
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';
}else{
cd[--start]='1';
}
HC[i]=（char*）malloc（（n-start）*sizeof（char））;
strcpy（HC[i],&cd[start]）;
}
}
free（cd）;
cout<<"生成成功！
"<cout<<"ID\tchar\t"<<"weight"<<"\t"<<"parent"<<"\t"<<"lchild"<<"\t"<<"rchild"<<"\t"<for（i=1;i<2*n;i++）{
cout<}
cout<<"char\t"<<"Code\t"<for（i=1;i<=n;i++）{
cout<}
}
intmain（）{
ifstreaminput_file;
ofstreamoutput_file;
charaction;
stringtoBeTranSource,textFileSource;
stringcharsIn,code;
inti,j,c,n,w[100];
HfmTreeHT;
HfmCodeHC;
while（action!
='Q'）{
cout<cout<<"*哈夫曼编码/译码器*"<cout<<"**"<cout<<"*I.初始化E.编码D.译码/P.印码/T.印树*"<cout<<"*C.清屏*"<cout<<"*Codebywhocaresu16/12/2010*"<cout<<"**********************************************"<cout<";
cin>>action;
action=toupper（action）;
switch（action）{
case'I':
//输入信息
cout<<"请输入字符数：
";
cin>>n;
cout<<"请输入字符组（紧密输入不用空格区分）：
";
getline（cin,charsIn）;
getline（cin,charsIn）;
cout<<"输入各个权重（中间空格）：
";
for（i=1;i<=n;i++）{
cin>>w[i-1];
}
Initialization（HT,HC,n,charsIn,w）;
//输出备份到文件
cout<<"正在输出备份到hfmTree.txt..."<output_file.open（"hfmTree.txt"）;
if（!
output_file）{
system（"cls"）;
cout<<"Can'topenfile!
"<}
output_file<output_file<for（i=0;ioutput_file<}
output_file<<"--------以下为具体编码信息--------"<output_file<<"Char\tCode\t"<for（i=1;i<=n;i++）{
output_file<}
output_file.close（）;
cout<<"备份到hfmTree.txt成功！
"<;break;
case'E':
//判断内存中是否有生成哈夫曼树，没有的话从文件读入
if（sizeof（HC）<5）{
cout<<"内存中不存在哈夫曼树，从hfmTree.txt读入！
"<input_file.open（"hfmTree.txt"）;
if（!
input_file）{
system（"cls"）;
cout<<"Can'topenfile!
"<}
input_file>>n;
getline（input_file,charsIn）;
for（i=1;i<=n;i++）{
input_file>>w[i-1];
}
input_file.close（）;
Initialization（HT,HC,n,charsIn,w）;
}
input_file.open（"ToBeTran.txt"）;
if（!
input_file）{
system（"cls"）;
cout<<"Can'topenfile!
"<}
cout<<"-------从ToBetTran.txt读取数据为--------"<getline（input_file,toBeTranSource）;
cout<input_file.close（）;
cout<<"----------------------------------------"<output_file.open（"CodeFile.txt"）;
if（!
output_file）{
system（"cls"）;
cout<<"Can'topenfile!
"<}
cout<<"------编译的密文（输出到CodeFile.txt）----"<for（i=0;i<=toBeTranSource.length（）;i++）{
for（j=1;j<=n;j++）{
if（toBeTranSource[i]==HT[j].ch）{
cout<output_file<}
}
}
output_file.close（）;
cout<;break;
case'D':
//译码
input_file.open（"CodeFile.txt"）;
if（!
output_file）{
system（"cls"）;
cout<<"Can'topenfile!
"<return1;
}
cout<<"------------读取的编码为----------------------"<getline（input_file,code）;
cout<input_file.close（）;
cout<<"----------------译码为--------------------"<c=2*n-1;
output_file.open（"TextFile.txt"）;
for（i=0;i<=code.length（）;i++）{
if（HT[c].lchild==0）{
cout<c=2*n-1;
}
if（code[i]=='0'）c=HT[c].lchild;
elsec=HT[c].rchild;
}
cout<cout<<"-------------------------------------------"<;break;
case'C':
system（"cls"）;
break;
default:
cout<"<}
}
system（"pause"）;
return0;
}
五、调试分析
1.测试数据列表：
（1）利用教科书例6-2的数据调试程序：
0.05,0.29,0.07,0.08,0.14,0.23,0.03,0.11
（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”。
abcdefghijklmnopqrstuvwxyz
18664132232103211547571532205763151485180238181161
2.测试数据运行结果
以下是程序运行的界面截图，显示了运行的一些主要过程。
程序运行主界面
Test1:
-----------------------------------------------例6-2数据测试---------------------------------------------
测试数据截图
Test2：
基本功能测试
-----------------------------------------------I.初始化测试----------------------------------------------
27abcdefghijklmnopqrstuvwxyz
18664132232103211547571532205763151485180238181161
生成树信息反馈截图
hfmTree.txt中信息得到保存
生成的哈夫曼编码截图
初始化测试完毕-
-----------------------------------------E.编码测试-------------------------------------------------------------
读入hfmTree.txt中的信息生成哈夫曼树
生成哈夫曼树的相关信息见I.初始化测试
编译信息成功输出到CodeFile.txt
Codefile.txt
编码测试结束
-----------------------------------------------------D.译码测试-----------------------------------------------
译码测试结束
测试结束
六、课程设计总结及心得体会
不得不说，这个是目前做到的最复杂的一个程序，与停车场相比，它的函数，数据存储结构的定义少了不少，但是其复杂度却比停车场有过之无不及，文件操作比较复杂，为此我查阅了相关资料，做到了基本能够实现文件的读取和写入，程序中依然存在一个问题，那就是它只能读取一段文字，遇到回车会终止读入，这也局限了程序的使用面。
在开发哈夫曼编译器的时候，发现一个整体概念很重要，要很清晰地知道它具体是怎么运作的。
双亲结点，
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