哈夫曼编码课程设计报告

课程设计(论文)任务书

软件学院软件+电气专业 1 班

一、课程设计(论文)题目哈夫曼树及其编码

二、课程设计(论文)工作自 2015年 1 月 5 日起至 2015年 1 月 9日止。

三、课程设计(论文) 地点: 创新大楼303,305

四、课程设计(论文)内容要求：

1．课程设计的目的

为了配合《数据结构》课程的教学，使学生能更深刻的领会《数据

结构》课程的重要性，特开设此课程设计；编写一些在特定数据结构上的

算法，通过上机调试，更好的掌握各种数据结构及其特点，培养学生综合

运用所学理论知识解决复杂实际问题的实践能力、研究性学习能力和团队

合作能力。

2．课程设计的任务及要求

1）基本要求

（1）课程设计前必须选定课程设计题目，并认真进行需求分析与系统设

计；

（2）上机调试之前要认真准备实验程序及调试时所需的测试数据；

（3）独立思考，独立完成，严禁抄袭，调试过程要规范，认真记录调试

结果；

（4）上机结束后认真规范撰写课设报告，对设计进行总结和讨论。

2）课程设计论文编写要求

（1）要按照书稿的规格撰写打印课设论文

（2）论文包括任务书、目录、绪论、正文、总结、参考文献、附录等

（3）正文中要有问题描述、抽象数据类型的定义、数据的存储结构、设

计的求解算法、算法的实现、调试分析与测试结果

（4）课设论文装订按学校的统一要求完成

3）课设考核

从以下几方面来考查：

（1）考勤和态度；

（2）任务的难易程度及设计思路；

（3）动手调试能力；

（4）论文撰写的水平、格式的规范性。

4）参考文献

[1] 严蔚敏, 吴伟民. 数据结构（C语言版）[M]. 北京：清华大学出版社,

2007年.

[2] 严蔚敏, 吴伟民. 数据结构题集（C语言版）[M]. 北京：清华大学出版

社, 2007年.

[3] 谭浩强. C语言程序设计[M]. 北京：清华大学出版社，2006年.

5）课程设计进度安排

内容天数地点

构思及收集资料1图书馆

程序设计与调试3计算机房

撰写论文1图书馆

6）任务及具体要求

⑴初始化：键盘输入字符集大小n、n个字符和n个权值，建立哈夫曼树；

⑵编码：利用建好的哈夫曼树生成哈夫曼编码；

⑶输出其哈夫曼树及哈夫曼编码；

⑷设字符集及频度如下表：

字符空格 A B C D E F G H I J K L M

频度 197 64 13 22 32 103 21 15 47 57 5 1 20 32

字符 N O P Q R S T U V W X Y Z

频度 57 63 1 15 48 16 80 23 8 18 1 51 1

学生签名：

年月日

课程设计(论文)评审意见

（1）考勤和态度：优（）、良（）、中（）、一般（）、差（）

（2）任务难易及设计思路：优（）、良（）、中（）、一般（）、差（）

（3）动手调试能力评价：优（）、良（）、中（）、一般（）、差（）

（4）论文撰写水平及规范性评价：优（）、良（）、中（）、一般（）、差（）

评阅人：职称：讲师

年月日

目录

1 设计任务 (1)

2 需求分析 (1)

3 概要设计 (1)

3.1模块设计 (1)

3.2系统子程序即功能设计 (1)

4 详细设计 (2)

5 编码实现 (3)

5.1数据类型定义 (3)

5.2哈夫曼编码模块设计 (3)

5.3主程序模块 (6)

6 调试分析 (7)

7 课设总结 (9)

参考文献 (9)

附录 (10)

一设计任务

问题描述：

设计一个利用哈夫曼算法的编码系统，重复地显示并处理以下项目，直到选择退出为止。

基本要求：

⑴初始化：键盘输入字符集大小n、n个字符和n个权值，建立哈夫曼树；⑵编码：利用建好的哈夫曼树生成哈夫曼编码；⑶输出其哈夫曼树及哈夫曼编码；⑷设字符集及频度如下表：

字符空格 A B C D E F G H I J K L M

频度 197 64 13 22 32 103 21 15 47 57 5 1 20 32

字符 N O P Q R S T U V W X Y Z

频度 57 63 1 15 48 16 80 23 8 18 1 51 1

二需求分析

（1）设计哈夫曼树。具体构造方法如下：以字符集（空格 A B C D E F G H I J K N O P Q R S T U V W X Y Z L M）作为叶子结点。以各字母出现的次数即频度（197 64 13 22 32 103 21 15 47 57 5 1 20 32 57 63 1 15 48 16 80 23 8 18 1 51 1）作为叶子结点的权值构造一棵哈夫曼树。

（2）设计哈哈夫曼。按照构造出来的哈夫曼树，规定哈夫曼树的左分支为0，右分支为1，则从根结点到每个叶子结点所经过的分支对应的0和1 组成的序列便为该结点对应字符的哈夫曼编码。

三概要设计

3.1模块设计

本程序包含3个模块：主程序模块，哈夫曼编码模块，和选择模块。其调用关系如下图所示。

3.2系统子程序即功能设计

本程序共设置2个子程序，各子程序的函数名及各功能说明如

（1）void hfmcoding(hfmtree &HT,hfmcode &HC,int n) //构建赫夫曼树HT，并求出n个字符的赫夫曼编码HC

（2）void Select(hfmtree &HT,int a,int *p1,int *p2) //Select函数，选出HT树到a为止，权值最小且parent为0的2个节点

四详细设计

1问题分析哈夫曼树的定义

1）哈夫曼树节点的数据类型定义为：

typedef struc t //赫夫曼树的结构体

{ char ch;

int weight; //权值

int parent,lchild,rchild;

}htnode,*hfmtree;

2）所实现的功能函数如下

1、void hfmcoding(hfmtree &HT,hfmcode &HC,int n)初始化哈夫曼树，处理InputHuffman(Huffman Hfm)函数得到的数据，按照哈夫曼规则建立2叉树。此函数块调用了Select（）函数。

2、void Select(hfmtree &HT,int a,int *p1,int *p2) //Select函数，选出HT树到a为止，权值最小且parent为0的2个节点

2、 int main()主函数：利用已建好的哈夫曼树（如不在内存，则从文件hfmtree.txt中读入）对文件中的正文进行编码，然后将结果存入文件codefile.txt中。如果正文中没有要编码的字符，则键盘读入并存储到ToBeTran.中。读入ToBeTran中将要编码的内容，将编码好的哈夫曼编码存储到CodeFile中。

3、Encoding 编码功能：对输入字符进行编码

4、Decoding译码功能：利用已建好的哈夫曼树将文件codefile.txt中的代码进行译码，结果存入文件textfile.dat 中。Print() 打印功能函数：输出哈夫曼树，字符，权值，以及它对应的编码。

5.主函数的简要说明，主函数主要设计的是一个分支语句，让用户挑选所实现的功能。使用链树存储，然后分别调用统计频数函数，排序函数，建立哈夫曼函数，编码函数，译码函数来实现功能。

系统结构图（功能模块图）

五编码实现

5.1数据类型定义

typedef struct{ //赫夫曼树的结构体

char ch;

int weight; //权值

int parent,lchild,rchild;

}htnode,*hfmtree;

typedef char **hfmcode;

5.2哈夫曼编码模块设计

哈夫曼编码模块设计分为两步：首先构造哈夫曼树，然后完成哈夫曼编码。void Select(hfmtree &HT,int a,int *p1,int *p2) //Select函数，选出HT树到a为止，权值最小且parent为0的2个节点

{

int i,j,x,y;

for(j=1;j<=a;++j){

if(HT[j].parent==0){

x=j;

break;

}

}

for(i=j+1;i<=a;++i){

if(HT[i].weight

x=i; //选出最小的节点

}

}

for(j=1;j<=a;++j) {

if(HT[j].parent==0&&x!=j)

{

y=j;

break;

}

}

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

{

if(HT[i].weight

{

y=i; //选出次小的节点

}

}

if(x>y){

*p1=y;

*p2=x;

}

else

{

*p1=x;

*p2=y;

}

}

void hfmcoding(hfmtree &HT,hfmcode &HC,int n) //构建赫夫曼树HT，并求出n个字符的赫夫曼编码HC

{

int i,start,c,f,m,w;

int p1,p2;

char *cd,z;

if(n<=1){

return;

}

m=2*n-1;

HT=(hfmtree)malloc((m+1)*sizeof(htnode));

for(i=1;i<=n;++i) //初始化n个叶子结点

{

printf("请输入第%d字符信息和权值：",i);

scanf("%c%d",&z,&w);

while(getchar()!='\n')

{

continue;

}

HT[i].ch=z;

HT[i].weight=w;

HT[i].parent=0;

HT[i].lchild=0;

HT[i].rchild=0;

}

for(;i<=m;++i) //初始化其余的结点

{

HT[i].ch='0';

HT[i].weight=0;

HT[i].parent=0;

HT[i].lchild=0;

HT[i].rchild=0;

}

for(i=n+1;i<=m;++i) //建立赫夫曼树

{

Select(HT,i-1,&p1,&p2);

HT[p1].parent=i;HT[p2].parent=i;

HT[i].lchild=p1;HT[i].rchild=p2;

HT[i].weight=HT[p1].weight+HT[p2].weight;

}

HC=(hfmcode)malloc((n+1)*sizeof(char *));

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

cd[n-1]='\0';

for(i=1;i<=n;++i) //给n个字符编码

{

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);

}

5.3主程序模块

详见源代码

六调试分析

编码

译码

退出

七课设总结

通过本次数据结构的课程设计，我学习了很多在上课没懂的知识，并对求哈夫曼树及哈夫曼编码/译码的算法有了更加深刻的了解，更巩固了课堂中学习有关于哈夫曼编码的知识，真正学会一种算法了。当求解一个算法时,不是拿到问题就不加思索地做，而是首先要先对它有个大概的了解，接着再详细地分析每一步怎么做，无论自己以前是否有处理过相似的问题，只要按照以上的步骤，必定会顺利地做出来。这次课程设计，体现出自己单独设计程序的能力以及综合运用知识的能力，体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情。从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。通过这次课程设计，我对这种写程序的方法有了一定的了解，自己有一个很明确的思路去写程序，提高了效率。这种框架的程序写法，对我以后学习编程有进一步的提高。在此感谢我们的王玨老师.，老师严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；老师循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪；而您开朗的个性和宽容的态度，帮助我能够很顺利的完成了这次课程设计。同时感谢对我帮助过的同学们，谢谢你们对我的帮助和支持，让我感受到同学的友谊。由于自己的设计能力有限，在设计过程中难免出现错误，恳请老师多多指教。

我在编辑中犯了不应有的错误，设计统计字符和合并时忘记应该怎样保存数据，对文件的操作也很生疏。在不断分析后明确并改正了错误和疏漏，我的程序有了更高的质量。

参考文献

⑴严蔚敏,吴伟民. 数据结构(C语言版)[M]. 清华大学出版社. 2010.3

⑵严蔚敏,吴伟民. 数据结构题集(C语言版)[M].清华大学出版社. 1999.2

⑶何钦铭,冯燕等. 数据结构课程设计[M]. 浙江大学出版社. 2007.

附录

#include

#include

#include

#include

#include

typedef struct{ //赫夫曼树的结构体

char ch;

int weight; //权值

int parent,lchild,rchild;

}htnode,*hfmtree;

typedef char **hfmcode;

void Select(hfmtree &HT,int a,int *p1,int *p2) //Select函数，选出HT树到a为止，权值最小且parent为0的2个节点

{

int i,j,x,y;

for(j=1;j<=a;++j){

if(HT[j].parent==0){

x=j;

break;

}

}

for(i=j+1;i<=a;++i){

if(HT[i].weight

x=i; //选出最小的节点

}

}

for(j=1;j<=a;++j) {

if(HT[j].parent==0&&x!=j)

{

y=j;

break;

}

}

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

{

if(HT[i].weight

{

y=i; //选出次小的节点

}

}

if(x>y){

*p1=y;

*p2=x;

}

else

{

*p1=x;

*p2=y;

}

}

void hfmcoding(hfmtree &HT,hfmcode &HC,int n) //构建赫夫曼树HT，并求出n个字符的赫夫曼编码HC

{

int i,start,c,f,m,w;

int p1,p2;

char *cd,z;

if(n<=1){

return;

}

m=2*n-1;

HT=(hfmtree)malloc((m+1)*sizeof(htnode));

for(i=1;i<=n;++i) //初始化n个叶子结点

{

printf("请输入第%d字符信息和权值：",i);

scanf("%c%d",&z,&w);

while(getchar()!='\n')

{

continue;

}

HT[i].ch=z;

HT[i].weight=w;

HT[i].parent=0;

HT[i].lchild=0;

HT[i].rchild=0;

}

for(;i<=m;++i) //初始化其余的结点

{

HT[i].ch='0';

HT[i].weight=0;

HT[i].parent=0;

HT[i].lchild=0;

HT[i].rchild=0;

}

for(i=n+1;i<=m;++i) //建立赫夫曼树

{

Select(HT,i-1,&p1,&p2);

HT[p1].parent=i;HT[p2].parent=i;

HT[i].lchild=p1;HT[i].rchild=p2;

HT[i].weight=HT[p1].weight+HT[p2].weight;

}

HC=(hfmcode)malloc((n+1)*sizeof(char *));

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

cd[n-1]='\0';

for(i=1;i<=n;++i) //给n个字符编码

{

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);

}

int main(){

char code[100],h[100],hl[100];

int n,i,j,k,l;

ifstream input_file; //文件输入输出流

ofstream output_file;

char choice,str[100];

hfmtree HT;

hfmcode HC;

cout<<"\n";

cout<<" "<<"软件+电气（1）班"<<" "<<"Q07620307"<<" "<<"艾宁\n";

while(choice!='Q'&&choice!='q') //当choice的值不为q

且不为Q时循环

{

cout<<" "<<"*************************赫夫曼编码/译

码器*************************\n";

cout<<" "<<"I.Init"<<" "<<"E.Encoding"<<" "<<"D.Decoding"<<" "<<"Q.Exit\n";

cout<<"请输入您要操作的步骤：";

cin>>choice;

if(choice=='I'||choice=='i') //初始化赫夫

曼树

{

cout<<"请输入字符个数：";

cin>>n;

hfmcoding(HT,HC,n);

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

{

cout<

}

output_file.open("hfmTree.txt");

if(!output_file){

cout<<"can't oen file!"<

return 1;

}

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

{

output_file<<"("<

}

output_file.close();

cout<<"赫夫曼树已经创建完毕，并且已经放入hfmTree.txt 文件中!"<

}

else if(choice=='E'||choice=='e') //进行编码，并将字符放入ToBeTran.txt，码值放入CodeFile.txt中

{

printf("请输入字符：");

gets(str);

output_file.open("ToBeTran.txt");

if(!output_file)

{

cout<<"can't oen file!"<

return 1;

}

output_file<

output_file.close();

output_file.open("CodeFile.txt");

if(!output_file){

cout<<"can't oen file!"<

return 1;

}

for(i=0;i

for(j=0;j<=n;++j)

{

if(HT[j].ch==str[i])

{

output_file<

break;

}

}

}

output_file.close();

cout<<"\n";

cout<<"编码完毕，并且已经存入CodeFile.txt文件！\n";

input_file.open("CodeFile.txt"); //从CodeFile.txt中读入编码，输出在终端

if(!input_file)

{

cout<<"can't oen file!"<

return 1;

}

input_file>>code;

cout<<"编码码值为："<

input_file.close();

}

else if(choice=='D'||choice=='d') //读入CodeFile.txt中的编码进行译码，将译出来的字符放入Textfile.txt中{

input_file.open("CodeFile.txt");

if(!input_file){

cout<<"can't oen file!"<

return 1;

}

input_file>>h;

input_file.close();

output_file.open("Textfile.txt");

if(!output_file)

{

cout<<"can't oen file!"<

return 1;

}

k=0;

while(h[k]!='\0') //先用编码中的前几个和字符的编码相比较，然后往后移

{

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

l=k;

for(j=0;j

hl[j]=h[l];

}

hl[j]='\0';

if(strcmp(HC[i],hl)==0)

{

output_file<

k=k+strlen(HC[i]);

break;

}

}

}

output_file.close();

input_file.open("Textfile.txt");

if(!input_file){

cout<<"can't oen file!"<

return 1;

}

input_file>>h;

cout<

input_file.close();

cout<<"译码结束，字符已经存入Textfile.txt文件中！"<

}

else if(choice=='Q'||choice=='q') //退出程序{

exit(0);

}

else //如果选了选项之外的就让用户重新选择{

cout<<"您没有输入正确的步骤，请重新输入！"<

}

cout<

}

return 0;

}