解析C++哈夫曼树编码和译码的实现_C语言教程-查字典教程网

解析C++哈夫曼树编码和译码的实现

摘要：一．背景介绍：给定n个权值作为n个叶子结点，构造一棵二叉树，若带权路径长度达到最小，称这样的二叉树为最优二叉树，也称为哈夫曼树(Huffma...

一．背景介绍：

给定n个权值作为n个叶子结点，构造一棵二叉树，若带权路径长度达到最小，称这样的二叉树为最优二叉树，也称为哈夫曼树(Huffman Tree)。哈夫曼树是带权路径长度最短的树，权值较大的结点离根较近。

二．实现步骤：

1.构造一棵哈夫曼树

2.根据创建好的哈夫曼树创建一张哈夫曼编码表

3.输入一串哈夫曼序列，输出原始字符

三．设计思想：

1.首先要构造一棵哈夫曼树，哈夫曼树的结点结构包括权值，双亲，左右孩子；假如由n个字符来构造一棵哈夫曼树，则共有结点2n-1个；在构造前，先初始化，初始化操作是把双亲，左右孩子的下标值都赋为0；然后依次输入每个结点的权值

2.第二步是通过n-1次循环，每次先找输入的权值中最小的两个结点，把这两个结点的权值相加赋给一个新结点，，并且这个新结点的左孩子是权值最小的结点，右孩子是权值第二小的结点；鉴于上述找到的结点都是双亲为0的结点，为了下次能正确寻找到剩下结点中权值最小的两个结点，每次循环要把找的权值最小的两个结点的双亲赋值不为0（i）.就这样通过n-1循环下、操作，创建了一棵哈夫曼树，其中，前n个结点是叶子（输入的字符结点）后n-1个是度为2的结点

3.编码的思想是逆序编码，从叶子结点出发，向上回溯，如果该结点是回溯到上一个结点的左孩子，则在记录编码的数组里存“0”，否则存“1”，注意是倒着存；直到遇到根结点（结点双亲为0），每一次循环编码到根结点，把编码存在编码表中，然后开始编码下一个字符（叶子）

4．译码的思想是循环读入一串哈夫曼序列，读到“0”从根结点的左孩子继续读，读到“1”从右孩子继续，如果读到一个结点的左孩子和右孩子是否都为0，如果是说明已经读到了一个叶子（字符），翻译一个字符成功，把该叶子结点代表的字符存在一个存储翻译字符的数组中，然后继续从根结点开始读，直到读完这串哈夫曼序列，遇到结束符便退出翻译循环

四．源代码：

/*************************************** 目的：1.根据输入的字符代码集及其权值集，构造赫夫曼树，输出各字符的赫夫曼编码 2.输入赫夫曼码序列，输出原始字符代码作者：Dmego 时间：2016-11-11 ****************************************/ #include<iostream> #define MAX_MA 1000 #define MAX_ZF 100 using namespace std; //哈夫曼树的储存表示 typedef struct { int weight; //结点的权值 int parent, lchild, rchild;//双亲，左孩子，右孩子的下标 }HTNode,*HuffmanTree; //动态分配数组来储存哈夫曼树的结点 //哈夫曼编码表的储存表示 typedef char **HuffmanCode;//动态分配数组存储哈夫曼编码 //返回两个双亲域为0且权值最小的点的下标 void Select(HuffmanTree HT, int n, int &s1, int &s2) { /*n代表HT数组的长度 */ //前两个for循环找所有结点中权值最小的点（字符） for (int i = 1; i <= n; i++) {//利用for循环找出一个双亲为0的结点 if (HT[i].parent == 0) { s1 = i;//s1初始化为i break;//找到一个后立即退出循环 } } for (int i = 1; i <= n; i++) {/*利用for循环找到所有结点（字符）权值最小的一个并且保证该结点的双亲为0*/ if (HT[i].weight < HT[s1].weight && HT[i].parent == 0) s1 = i; } //后两个for循环所有结点中权值第二小的点（字符） for (int i = 1; i <= n; i++) {//利用for循环找出一个双亲为0的结点，并且不能是s1 if (HT[i].parent == 0 && i != s1) { s2 = i;//s2初始化为i break;//找到一个后立即退出循环 } } for (int i = 1; i <= n; i++) {/*利用for循环找到所有结点（字符）权值第二小的一个，该结点满足不能是s1且双亲是0*/ if (HT[i].weight < HT[s2].weight && HT[i].parent == 0 && i!= s1) s2 = i; } } //构造哈夫曼树 void CreateHuffmanTree(HuffmanTree &HT, int n) { /*-----------初始化工作-------------------------*/ if (n <= 1) return; int m = 2 * n - 1; HT = new HTNode[m + 1]; for (int i = 1; i <= m; ++i) {//将1~m号单元中的双亲，左孩子，右孩子的下标都初始化为0 HT[i].parent = 0; HT[i].lchild = 0; HT[i].rchild = 0; } for (int i = 1; i <= n; ++i) { cin >> HT[i].weight;//输入前n个单元中叶子结点的权值 } /*-----------创建工作---------------------------*/ int s1,s2; for (int i = n + 1; i <= m; ++i) {//通过n-1次的选择，删除，合并来构造哈夫曼树 Select(HT, i - 1, s1, s2); /*cout << HT[s1].weight << " , " << HT[s2].weight << endl;*/ /*将s1,s2的双亲域由0改为i (相当于把这两个结点删除了，这两个结点不再参与Select()函数)*/ HT[s1].parent = i; HT[s2].parent = i; //s1,与s2分别作为i的左右孩子 HT[i].lchild = s1; HT[i].rchild = s2; //结点i的权值为s1,s2权值之和 HT[i].weight = HT[s1].weight + HT[s2].weight; } } //从叶子到根逆向求每个字符的哈夫曼编码，储存在编码表HC中 void CreatHuffmanCode(HuffmanTree HT, HuffmanCode &HC, int n) { HC = new char*[n + 1];//分配储存n个字符编码的编码表空间 char *cd = new char[n];//分配临时存储字符编码的动态空间 cd[n - 1] = '';//编码结束符 for (int i = 1; i <= n; i++)//逐个求字符编码 { int start = n - 1;//start 开始指向最后，即编码结束符位置 int c = i; int f = HT[c].parent;//f指向结点c的双亲 while (f != 0)//从叶子结点开始回溯，直到根结点 { --start;//回溯一次，start向前指向一个位置 if (HT[f].lchild == c) cd[start] = '0';//结点c是f的左孩子，则cd[start] = 0; else cd[start] = '1';//否则c是f的右孩子，cd[start] = 1 c = f; f = HT[f].parent;//继续向上回溯 } HC[i] = new char[n - start];//为第i个字符编码分配空间 strcpy(HC[i], &cd[start]);//把求得编码的首地址从cd[start]复制到HC的当前行中 } delete cd; } //哈夫曼译码 void TranCode(HuffmanTree HT,char a[],char zf[],char b[],int n) { /* HT是已经创建好的哈夫曼树 a[]用来传入二进制编码 b[]用来记录译出的字符 zf[]是与哈夫曼树的叶子对应的字符（叶子下标与字符下标对应） n是字符个数，相当于zf[]数组得长度 */ int q = 2*n-1;//q初始化为根结点的下标 int k = 0;//记录存储译出字符数组的下标 int i = 0; for (i = 0; a[i] != '';i++) {//for循环结束条件是读入的字符是结束符（二进制编码） //此代码块用来判断读入的二进制字符是0还是1 if (a[i] == '0') {/*读入0，把根结点(HT[q])的左孩子的下标值赋给q 下次循环的时候把HT[q]的左孩子作为新的根结点*/ q = HT[q].lchild; } else if (a[i] == '1') { q = HT[q].rchild; } //此代码块用来判断HT[q]是否为叶子结点 if (HT[q].lchild == 0 && HT[q].rchild == 0) {/*是叶子结点，说明已经译出一个字符该字符的下标就是找到的叶子结点的下标*/ b[k++] = zf[q];//把下标为q的字符赋给字符数组b[] q = 2 * n - 1;//初始化q为根结点的下标 //继续译下一个字符的时候从哈夫曼树的根结点开始 } } /*译码完成之后，用来记录译出字符的数组由于没有结束符输出的时候回报错，故紧接着把一个结束符加到数组最后*/ b[k] = ''; } //菜单函数 void menu() { cout << endl; cout << " ┏〓〓〓〓〓〓〓〓〓〓〓〓〓〓〓〓〓〓〓〓〓〓〓〓〓〓〓〓〓┓" << endl; cout << " ┃ ★★★★★★★哈夫曼编码与译码★★★★★★★ ┃" << endl; cout << " ┃ 1. 创建哈夫曼树 ┃" << endl; cout << " ┃ 2. 进行哈夫曼编码 ┃" << endl; cout << " ┃ 3. 进行哈夫曼译码 ┃" << endl; cout << " ┃ 4. 退出程序 ┃" << endl; cout << " ┗〓〓〓〓〓〓〓〓〓〓〓〓〓〓〓〓〓〓〓〓〓〓〓〓〓〓〓〓〓┛" << endl; cout << " <><注意：空格字符用'- '代替><>" << endl; cout << endl; } void main() { int falg;//记录要编码的字符个数 char a[MAX_MA];//储存输入的二进制字符 char b[MAX_ZF];//存储译出的字符 char zf[MAX_ZF];//储存要编码的字符 HuffmanTree HT = NULL;//初始化树为空数 HuffmanCode HC = NULL;//初始化编码表为空表 menu(); while (true) { int num; cout << "<><请选择功能(1-创建 2-编码 3-译码 4-退出)><>: "; cin >> num; switch (num) { case 1 : cout << "<><请输入字符个数><>:"; cin >> falg; //动态申请falg个长度的字符数组，用来存储要编码的字符 /*char *zf = new char[falg];*/ cout << "<><请依次输入" << falg << "个字符:><>: "; for (int i = 1; i <= falg; i++) cin >> zf[i]; cout << "<><请依次输入" << falg << "个字符的权值><>: "; CreateHuffmanTree(HT, falg);//调用创建哈夫曼树的函数 cout << endl; cout << "<><创建哈夫曼成功！,下面是该哈夫曼树的参数输出><>：" << endl; cout << endl; cout << "结点i"<<"t"<<"字符" << "t" << "权值" << "t" << "双亲" << "t" << "左孩子" << "t" << "右孩子" << endl; for (int i = 1; i <= falg * 2 - 1; i++) { cout << i << "t"<<zf[i]<< "t" << HT[i].weight << "t" << HT[i].parent << "t" << HT[i].lchild << "t" << HT[i].rchild << endl; } cout << endl; break; case 2: CreatHuffmanCode(HT, HC, falg);//调用创建哈夫曼编码表的函数 cout << endl; cout << "<><生成哈夫曼编码表成功！,下面是该编码表的输出><>：" << endl; cout << endl; cout << "结点i"<<"t"<<"字符" << "t" << "权值" << "t" << "编码" << endl; for (int i = 1; i <= falg; i++) { cout << i << "t"<<zf[i]<< "t" << HT[i].weight << "t" << HC[i] << endl; } cout << endl; break; case 3: cout << "<><请输入想要翻译的一串二进制编码><>："; /*这样可以动态的直接输入一串二进制编码，因为这样输入时最后系统会自动加一个结束符*/ cin >> a; TranCode(HT, a, zf, b, falg);//调用译码的函数， /*这样可以直接把数组b输出，因为最后有在数组b添加输出时遇到结束符会结束输出*/ cout << endl; cout << "<><译码成功！翻译结果为><>：" << b << endl; cout << endl; break; case 4: cout << endl; cout << "<><退出成功！><>" << endl; exit(0); default: break; } } //-abcdefghijklmnopqrstuvwxyz //186 64 13 22 32 103 21 15 47 57 1 5 32 20 57 63 15 1 48 51 80 23 8 18 1 16 1 //000101010111101111001111110001100100101011110110 }

五．运行截图：

解析C++哈夫曼树编码和译码的实现1