C++实现哈夫曼编码
文章目录
- 思路
- 相关功能实现
- 结构体的定义
- 函数申明
- 读入文件
- 统计次数
- 展示次数
- 创建哈夫曼树
- 选择权重最小的两个节点
- 创建哈夫曼编码
- 将读入的文件编码，写到txt文件中
- 读入编码文件，解码
- 完整代码实现
- 测试样例
代码转自涂然哥，只做整理和略微修改
思路
1.输入一个字符串后统计每个字符出现的次数（频率）
2.接下来按照规则构造一棵哈夫曼树
3.然后01编码（即给每个字符赋予一个01组成的字符串）
4.将我们输入的字符串按照编码规则生成01字符串
5.解码：将字符串的01编码按照规则还原并输出
相关功能实现
结构体的定义
/*记录每个字符出现的次数*/
typedef struct wordcnt
{char ch;int cnt=0;
}Count;/*整个字符串的字符构成*/
typedef struct NumCount
{Count count[MaxSize];int length=0;
}NumCount;/*核心哈夫曼树*/
typedef struct HTree
{char data;int weight;int parent,lchild,rchild;
}HTNode,*HuffmanTree;/*树的节点的编码*/
typedef struct HCode
{char data;char* str;
}*HuffmanCode;
函数申明
void ReadData(char *source); // 读入文件
void WordCount(char *data,NumCount *paraCnt); // 统计次数
void Show(NumCount *paraCnt); // 展示次数
void CreateHuffmanTree(HuffmanTree &HT,int length,NumCount cntarray); // 创建哈夫曼树
void select(HuffmanTree HT,int top,int *s1,int *s2); // 选择权重最小的两个节点
void CreateHuffmanCode(HuffmanTree HT,HuffmanCode &HC,int length); // 创建哈夫曼编码
void Encode(char *data,HuffmanCode HC,int length); // 将读入的文件编码，写到txt文件
void Decode(HuffmanTree HT,int length); //读入编码文件，解码
读入文件
将我们需要压缩的字符串从文件读入到数组中
void ReadData(char *source)
{//打开文件读入数据 ifstream infile;infile.open("in.txt");cout<<"Reading..."<<endl;cout<<"the input file is:"<<endl;infile.getline(source,MaxSize);cout<<source<<endl;infile.close();cout<<endl;
}
统计次数
统计读入的字符串中每个字符分别出现多少次
void WordCount(char* data,NumCount* paraCnt)
{int flag;int len=strlen(data);for(int i=0;i<len;++i){flag=0;for(int j=0;j<paraCnt->length;++j){if(data[i]==paraCnt->count[j].ch){++paraCnt->count[j].cnt;flag=1;break;}}if(flag==0){paraCnt->count[paraCnt->length].ch=data[i];++paraCnt->count[paraCnt->length].cnt;++paraCnt->length;}}
}
展示次数
将每个字符及其出现的次数输出
void Show(NumCount* paraCnt)
{cout<<"the length is "<<paraCnt->length<<endl;for(int i = 0;i < paraCnt->length;++i){cout<<"The character "<<paraCnt->count[i].ch<<" appears "<<paraCnt->count[i].cnt<<endl;}cout<<endl;
}
创建哈夫曼树
核心哈夫曼树的构造，此处会多次调用select函数找到权重最小的两个节点
void CreateHuffmanTree(HuffmanTree &HT,int length,NumCount cntarray)
{if(length<=1)printf("ERROR!!!\r\n");int s1,s2;int m = length*2-1; // 没有度为1的节点，则总结点是2*叶子节点数-1个 HT = new HTNode[m+1];for(int i = 1;i <= m;++i) // 初始化 {HT[i].parent = 0;HT[i].lchild = 0;HT[i].rchild = 0;}for(int i = 1;i <= length;++i) {HT[i].data = cntarray.count[i-1].ch;HT[i].weight = cntarray.count[i-1].cnt;}for(int i = length + 1;i <= m;++i){select(HT,i-1,&s1,&s2); // 从前面的范围里选择权重最小的两个节点 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; // 得到一个新节点 }
}
选择权重最小的两个节点
void select(HuffmanTree HT,int top,int* s1,int* s2)
{int min = INT_MAX;for(int i = 1;i <= top;++i) // 选择没有双亲的节点中，权重最小的节点 {if(HT[i].weight < min && HT[i].parent == 0){min = HT[i].weight;*s1 = i;}}min = INT_MAX;for(int i = 1;i <= top;++i) // 选择没有双亲的节点中，权重次小的节点 {if(HT[i].weight < min && i != *s1 && HT[i].parent == 0){min = HT[i].weight;*s2 = i;}}
}
创建哈夫曼编码
将哈夫曼树中的每一个非空节点生成一个对应的01编码
void CreateHuffmanCode(HuffmanTree HT,HuffmanCode &HC,int length)
{HC = new HCode[length+1];char *cd = new char[length]; // 存储编码的临时空间 cd[length-1] = '\0'; // 方便之后调用strcpy函数 int c,f,start;for(int i = 1;i <= length;++i){start = length-1; // start表示编码在临时空间内的起始下标，由于是从叶子节点回溯，所以是从最后开始 c = i;f = HT[c].parent;while(f != 0){--start; // 由于是回溯，所以从临时空间的最后往回计 if(HT[f].lchild == c)cd[start] = '0';else cd[start] = '1';c = f;f = HT[c].parent;}HC[i].str = new char[length-start]; // 最后，实际使用的编码空间大小是length-start HC[i].data = HT[i].data;strcpy(HC[i].str,&cd[start]); // 从实际起始地址开始，拷贝到编码结构中 }delete[] cd;
}
将读入的文件编码，写到txt文件中
void Encode(char* data,HuffmanCode HC,int length)
{ofstream outfile;outfile.open("code.txt");for(int i = 0;i < strlen(data);++i) // 依次读入数据，查找对应的编码，写入编码文件 {for(int j = 1;j <= length;++j){if(data[i] == HC[j].data){outfile<<HC[j].str;}}}outfile.close();cout<<"the code txt has been written"<<endl;cout<<endl;
}
读入编码文件，解码
void Decode(HuffmanTree HT,int length)
{char codetxt[MaxSize*length];ifstream infile;infile.open("code.txt");infile.getline(codetxt,MaxSize*length);infile.close();ofstream outfile;outfile.open("out.txt");int root = 2*length-1; // 从根节点开始遍历 for(int i = 0;i < strlen(codetxt);++i){if(codetxt[i] == '0') root = HT[root].lchild; //为0表示向左遍历 else if(codetxt[i] == '1') root = HT[root].rchild; //为1表示向右遍历 if(HT[root].lchild == 0 && HT[root].rchild == 0) // 如果已经是叶子节点，输出到输出文件中，然后重新回到根节点 {outfile<<HT[root].data;root = 2*length-1;}}outfile.close();cout<<"the output txt has been written"<<endl;cout<<endl;
}
完整代码实现
#include <iostream>
#include <fstream>
#include <string.h>
using namespace std; #define MaxSize 1024typedef struct wordcnt
{char ch;int cnt=0;
}Count;typedef struct NumCount
{Count count[MaxSize];int length=0;
}NumCount;typedef struct HTree
{char data;int weight;int parent,lchild,rchild;
}HTNode,*HuffmanTree;typedef struct HCode
{char data;char* str;
}*HuffmanCode;void ReadData(char *source); // 读入文件
void WordCount(char *data,NumCount *paraCnt); // 统计次数
void Show(NumCount *paraCnt); // 展示次数
void CreateHuffmanTree(HuffmanTree &HT,int length,NumCount cntarray); // 创建哈夫曼树
void select(HuffmanTree HT,int top,int *s1,int *s2); // 选择权重最小的两个节点
void CreateHuffmanCode(HuffmanTree HT,HuffmanCode &HC,int length); // 创建哈夫曼编码
void Encode(char *data,HuffmanCode HC,int length); // 将读入的文件编码，写到txt文件
void Decode(HuffmanTree HT,int length); //读入编码文件，解码 int main(int argc, char** argv) {char data[MaxSize]; NumCount Cntarray;ReadData(data); // 读入数据 WordCount(data,&Cntarray); // 统计次数 Show(&Cntarray); //可以查看每个单词出现的对应次数 HuffmanTree tree;CreateHuffmanTree(tree,Cntarray.length,Cntarray); // 建树 HuffmanCode code; CreateHuffmanCode(tree,code,Cntarray.length); // 创建编码 Encode(data,code,Cntarray.length); // 生成编码文件 Decode(tree,Cntarray.length); // 解码 cout<<"Please view the generated TXT file to check the result"<<endl; return 0;
}void ReadData(char *source)
{//打开文件读入数据 ifstream infile;infile.open("in.txt");cout<<"Reading..."<<endl;cout<<"the input file is:"<<endl;infile.getline(source,MaxSize);cout<<source<<endl;infile.close();cout<<endl;
}void WordCount(char *data,NumCount *paraCnt)
{int flag;// 标识是否已经记录 int len = strlen(data);for(int i = 0;i < len;++i){flag = 0;for(int j = 0;j < paraCnt->length;++j){if(paraCnt->count[j].ch == data[i]) // 若已有记录，直接++ {++paraCnt->count[j].cnt;flag = 1;break;}}if(!flag) // 没有记录，则新增 {paraCnt->count[paraCnt->length].ch = data[i];++paraCnt->count[paraCnt->length].cnt;++paraCnt->length;}}
}void Show(NumCount* paraCnt)
{cout<<"the length is "<<paraCnt->length<<endl;for(int i = 0;i < paraCnt->length;++i){cout<<"The character "<<paraCnt->count[i].ch<<" appears "<<paraCnt->count[i].cnt<<endl;}cout<<endl;
}void CreateHuffmanTree(HuffmanTree &HT,int length,NumCount cntarray)
{if(length<=1)printf("ERROR!!!\r\n");int s1,s2;int m = length*2-1; // 没有度为1的节点，则总结点是2*叶子节点数-1个 HT = new HTNode[m+1];for(int i = 1;i <= m;++i) // 初始化 {HT[i].parent = 0;HT[i].lchild = 0;HT[i].rchild = 0;}for(int i = 1;i <= length;++i) {HT[i].data = cntarray.count[i-1].ch;HT[i].weight = cntarray.count[i-1].cnt;}for(int i = length + 1;i <= m;++i){select(HT,i-1,&s1,&s2); // 从前面的范围里选择权重最小的两个节点 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; // 得到一个新节点 }
}void select(HuffmanTree HT,int top,int* s1,int* s2)
{int min = INT_MAX;for(int i = 1;i <= top;++i) // 选择没有双亲的节点中，权重最小的节点 {if(HT[i].weight < min && HT[i].parent == 0){min = HT[i].weight;*s1 = i;}}min = INT_MAX;for(int i = 1;i <= top;++i) // 选择没有双亲的节点中，权重次小的节点 {if(HT[i].weight < min && i != *s1 && HT[i].parent == 0){min = HT[i].weight;*s2 = i;}}
}void CreateHuffmanCode(HuffmanTree HT,HuffmanCode &HC,int length)
{HC = new HCode[length+1];char *cd = new char[length]; // 存储编码的临时空间 cd[length-1] = '\0'; // 方便之后调用strcpy函数 int c,f,start;for(int i = 1;i <= length;++i){start = length-1; // start表示编码在临时空间内的起始下标，由于是从叶子节点回溯，所以是从最后开始 c = i;f = HT[c].parent;while(f != 0){--start; // 由于是回溯，所以从临时空间的最后往回计 if(HT[f].lchild == c)cd[start] = '0';else cd[start] = '1';c = f;f = HT[c].parent;}HC[i].str = new char[length-start]; // 最后，实际使用的编码空间大小是length-start HC[i].data = HT[i].data;strcpy(HC[i].str,&cd[start]); // 从实际起始地址开始，拷贝到编码结构中 }delete[] cd;
}void Encode(char* data,HuffmanCode HC,int length)
{ofstream outfile;outfile.open("code.txt");for(int i = 0;i < strlen(data);++i) // 依次读入数据，查找对应的编码，写入编码文件 {for(int j = 1;j <= length;++j){if(data[i] == HC[j].data){outfile<<HC[j].str;}}}outfile.close();cout<<"the code txt has been written"<<endl;cout<<endl;
}void Decode(HuffmanTree HT,int length)
{char codetxt[MaxSize*length];ifstream infile;infile.open("code.txt");infile.getline(codetxt,MaxSize*length);infile.close();ofstream outfile;outfile.open("out.txt");int root = 2*length-1; // 从根节点开始遍历 for(int i = 0;i < strlen(codetxt);++i){if(codetxt[i] == '0') root = HT[root].lchild; //为0表示向左遍历 else if(codetxt[i] == '1') root = HT[root].rchild; //为1表示向右遍历 if(HT[root].lchild == 0 && HT[root].rchild == 0) // 如果已经是叶子节点，输出到输出文件中，然后重新回到根节点 {outfile<<HT[root].data;root = 2*length-1;}}outfile.close();cout<<"the output txt has been written"<<endl;cout<<endl;
}
测试样例
输入：in.txt
In my lifetime, I will be a sincere person and never give up my love and dedication to life. I will live an infinite life in a limited time and space.
输出
the input file is:
In my lifetime, I will be a sincere person and never give up my love and dedication to life. I will live an infinite life in a limited time and space.
the length is 24
The character I appears 3
The character n appears 12
The character appears 30
The character m appears 5
The character y appears 2
The character l appears 10
The character i appears 18
The character f appears 4
The character e appears 18
The character t appears 6
The character , appears 1
The character w appears 2
The character b appears 1
The character a appears 8
The character s appears 3
The character c appears 3
The character r appears 3
The character p appears 3
The character o appears 4
The character d appears 6
The character v appears 4
The character g appears 1
The character u appears 1
The character . appears 2
the code txt has been written
the output txt has been written
Please view the generated TXT file to check the result
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