(完整word版)哈夫曼编码和译码的设计与实现

算法与数据结构课程设计

哈夫曼编码和译码的设计与实现

1.问题描述

利用哈夫曼编码进行通信可以大大提高信道的利用率，缩短信息传输时间，降低传输成本。但是，这要求在发送端通过一个编码系统对待传数据预先编码，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设计一个哈夫曼码的编/译码系统。

2.基本要求

a.编/译码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，建立哈夫曼树，并将它存于文件hfmTree中。

（2）E：编码（Encoding）。利用已建好的哈夫曼树（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）。利用已建好的哈夫曼树将文件CodeFile中的代码进行译码，结果存入文件TextFile中。

（4）P：印代码文件（Print）。将文件CodeFile以紧凑格式显示在终端上，每行50个代码。同时将此字符形式的编码文件写入文件CodePrin

中。

（5）T：印哈夫曼树（Tree printing）。将已在内存中的哈夫曼树以直观的方式（树或凹入表形式或广义表）显示在终端上，同时将此字符形

式的哈夫曼树写入文件TreePrint中。

b.测试数据

（1）利用下面这道题中的数据调试程序。

某系统在通信联络中只可能出现八种字符，其概率分别为0.25，0.29，0.07，0.08，0.14，0.23，0.03，0.11，试设计哈夫曼编码。

（2）用下表给出的字符集和频度的实际统计数据建立哈夫曼树，并实现以下报文的编码和译码：“THIS PROGRAM IS MY FAVORITE”。

字符空格 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．需求分析

3.1程序的基本功能

本程序可以对任何大小的字符型文件进行Huffman编码，生成一个编码文件。并可以在程序运行结束后的任意时间对它解码还原生成字符文件。即：先对一条电文进行输入，并实现Huffman编码，然后对Huffman编码生成的代码串进行译码，最后输出电文数字

3.2输入/输出形式

当进行编码时输入为原字符文件文件名，当程序运行编码完成之后输入编码文件名（默认名为code.dll）。

当进行译码时输入为编码文件名（默认名为code.dll），从文件中读取Huffman 编码树后输入字符文件的文件名。

3.3测试数据要求

本程序中测试数据主要为字符型文件。

4．概要设计

1.系统结构图（功能模块图）

哈弗曼树编码译码器

编码译码退出

2．功能模块说明

（1）.编码：提示要编码的文件文件名→读取文件→以字母出现次数为权值建立哈弗曼树→对文本进行哈弗曼编码并输出编码→提示将编码保存的文件名→保存编码文件；

（2）.译码：提示输入要译码的文件名→利用建立好的哈弗曼树进行译码→将译码输出→提示保存译码文件的文件名→保存译码文件；

（3）.退出：退出系统，程序运行结束。

5．详细设计

创建哈弗曼树

开始

初始化哈夫曼链表

且有2n-1个节点

i=1

I

p->weight=count[i]

p=p->next

for(i=n;i<2*n-1;i++)

HT1->Parent=HT2->Parent=p

p->LChild=HT1

p->RChild=HT2

p->weight=HT1->weight+HT2-

结束

编码

开始

将字符存入哈夫曼编码结构体数组的字符单元中

if(q==q->Parent->LChild)

HC[i].code[--HC[i ].start]='0' HC[i].code[--H C[i].start]='1'

p=p->next

I=n 时结束

译码

6．调试分析

1.从叶子节点开始向上遍历二叉树,获得哈夫曼编码;

2.根据哈夫曼编码遍历哈夫曼树直到叶子节点,获得译码

3.算法的时间复杂度分析：程序部分用双循环嵌套结构，时间复杂度为O （n2）.

4．算法的空间复杂度分析：算法的空间复杂度为O （n ）

5. 程序需要反复调试，并且调试过程比较慢，需要有一个比较正确的调试方法，更需要我们有耐心

7．用户使用说明

开始

Root 指向根节点

P!=root

code[i]=='0'

p=p->LChild

p=p->Rchild p->LChild==NULL&&p-

>RChild==NULL

s[k++]=str[j]

p=root

结束

1.输入字符的个数n

2输入n个字符和n个权值

3 选择（1—5）操作可对huffman树进行编码和译码以及huffman树表的打印

4 退出系统

8．测试结果

9．附录

#include "stdio.h"

#include "stdlib.h"

#include "string.h"

#define MAX 100

struct HafNode

{

int weight;

int parent;

char ch;

int lchild;

int rchild;

}*myHaffTree;

struct Coding

{

char bit[MAX];

char ch;

int weight;

}*myHaffCode;

void Haffman(int n)/* 构造哈弗曼树*/ {

int i,j,x1,x2,s1,s2;

for (i=n+1;i<=2*n-1;i++)

{

s1=s2=10000;

x1=x2=0;

for (j=1;j<=i-1;j++)

{

if(myHaffTree[j].parent==0&&myHaffTree[j].weight

{

s2=s1;

x2=x1;

s1=myHaffTree[j].weight;

x1=j;

}

else if(myHaffTree[j].parent==0&&myHaffTree[j].weight

{

s2=myHaffTree[j].weight;

x2=j;

}

}

myHaffTree[x1].parent=i;

myHaffTree[x2].parent=i;

myHaffTree[i].weight=s1+s2;

myHaffTree[i].lchild=x1;

myHaffTree[i].rchild=x2;

}

}

void HaffmanCode(int n)

{

int start,c,f,i,j,k;

char *cd;

cd=(char *)malloc(n*sizeof(char));

myHaffCode=(struct Coding *)malloc((n+1)*sizeof(struct Coding)); cd[n-1]='\0';

for(i=1;i<=n;++i)

{

start=n-1;

for(c=i,f=myHaffTree[i].parent;f!=0;c=f,f=myHaffTree[f].parent) if(myHaffTree[f].lchild==c) cd[--start]='0';

else cd[--start]='1';

for(j=start,k=0;j

{

myHaffCode[i].bit[k]=cd[j];

k++;

}

myHaffCode[i].ch=myHaffTree[i].ch;

myHaffCode[i].weight=myHaffTree[i].weight;

}

free(cd);

}

void print()

{

printf("************************************************************************* ******\n");

printf("***** *****\n");

printf("***** *****\n");

printf("***** welcome to huffman coding and codeprinting *****\n");

printf("***** *****\n");

printf("***** *****\n");

printf("*****1.init 2.coding 3.codeprinting 4.print the huffman 5.exit *****\n");

printf("***** *****\n");

printf("************************************************************************* ******\n");

}

Init()

{

int i,n,m;

printf("now init\n");

printf("please input the number of words:\n");

scanf("%d",&n);

m=2*n-1;

myHaffTree=(struct HafNode *)malloc(sizeof(struct HafNode)*(m+1));

for(i=1;i<=n;i++)

{

printf("please input the word and the equal:\n");

scanf("%s%d",&myHaffTree[i].ch,&myHaffTree[i].weight);

myHaffTree[i].parent=0;

myHaffTree[i].lchild=0;

myHaffTree[i].rchild=0;

}

for(i=n+1;i<=m;i++)

{

myHaffTree[i].ch ='#';

myHaffTree[i].lchild=0;

myHaffTree[i].parent=0;

myHaffTree[i].rchild=0;

myHaffTree[i].weight=0;

}

Haffman(n);

HaffmanCode(n);

for(i=1;i<=n;i++)

{

printf("%c %d",myHaffCode[i].ch,myHaffCode[i].weight); printf("\n");

}

printf("init success!\n");

return n;

}

void Caozuo_C(int m)/* 对字符进行编码*/

{

int n,i,j;

char string[50],*p;

printf("please input the words：\n");

scanf("%s",string);

n=strlen(string);

for(i=1,p=string;i<=n;i++,p++)

{

for(j=1;j<=m;j++)

if(myHaffCode[j].ch==*p)

printf("%s\n",myHaffCode[j].bit);

}

}

void Caozuo_D(int n)

{

int i,c;

char code[1000],*p;

printf("please input the coding：\n");

scanf("%s",code);

for(p=code,c=2*n-1;*p!='\0';p++)

{

if(*p=='0')

{

c=myHaffTree[c].lchild;

if(myHaffTree[c].lchild==0)

{

printf("%c",myHaffTree[c].ch);

c=2*n-1;

continue;

}

}

else if(*p=='1')

{

c=myHaffTree[c].rchild;

if(myHaffTree[c].lchild==0)

{

printf("%c",myHaffTree[c].ch);

c=2*n-1;

continue;

}

}

}

printf("\n");

}

void Caozuo_T(int n)

{

int i;

printf("word equal leftchild rightchild prents\n");

for(i=1;i<=2*n-1;i++)

printf("%c %d %d %d %d\n",myHaffTree[i].ch,myHaffTree[i].weight,myHaffTree[i].lchild,myHaf fTree[i].rchild,myHaffTree[i].parent);

}

main()

{

int n;

char char1;

print();

n=Init();

while(1)

{

printf("A.coding B.codeprinting C.print the huffman D.exit\nplease input the process:\n");

scanf("%s",&char1);

if(char1=='D')

break;

switch(char1)

{case'A':Caozuo_C(n);break;/* 执行编码操作*/

case'B':Caozuo_D(n);break;/* 执行译码操作*/

case'C':Caozuo_T(n);break;/* 打印哈弗曼树*/

}

}

}