哈夫曼编译码器实验报告

实验五哈夫曼编/译码器学院: 工学院系: 计算机系专业: 计算机科学与技术年级: 2009

姓名: 学号: 完成实验时间: 2011-5-19

一．需求分析

1.问题描述

用huffman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。但是，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。是为着这样的信息收发站写一个huffman编/译码系统。

2.基本要求

该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，并将它存进文件hfmTree中。

（2）E：编码（Encoding）。利用建好的哈夫曼树（如不在内存中，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)。(利用已经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（凹入表形式）显示在终端上，同时将此字符形式的哈夫曼树写入文件TreePrin中。

3.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 PROMGRAM IS MY FAVORITE”。

二．概要设计

本程序的数据类型定义为

typedef struct{

unsigned int weight;

unsigned int parent,lchild,rchild;

}HTNode,*HuffmanTree;

typedef char** HuffmanCode;

所实现的功能函数如下

void initHuffmanTree();//选择初始化哈夫曼树的方式

int openfileInit();//通过打开的data.txt文件初始化哈夫曼树该文件是为了测试数据2 包涵26个字符

int inputInit();//通过手动输入字符初始化哈夫曼树

int HuffmanCoding(int *w); //初始化哈夫曼数，按照哈夫曼规则建立二叉树。此函数块调用了Select（）函数。

void Select(int j,int &s1,int &s2); //选择parent为0，且weight最小的两个节点序号为s1，s2

void encoding();//选择哈夫曼编码方式

void openfileEnco();//通过打开文件encode.txt的方式进行编码

void inputEnco();//通过手动输入的方式进行编码

void decode();//选择译码方式

void openfileDeco();//通过打开文件CodeFile.txt的方式进行译码

void inputDeco();//通过手动输入的方式进行译码

void dispHT( HuffmanTree nodeRoot, int level ); //以缩进方式输出哈夫曼树直观图主函数

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。

如图所示：

三．详细设计

#include

#include

#include

using namespace std;

ofstream outstuf;

typedef struct{

unsigned int weight;

unsigned int parent,lchild,rchild; }HTNode,*HuffmanTree;

typedef char** HuffmanCode;

HuffmanTree HT=NULL;

int n=0;

HuffmanCode HC=NULL;

char *ch=NULL;

void initHuffmanTree();

int openfileInit();

int inputInit();

int HuffmanCoding(int *w);

void Select(int j,int &s1,int &s2);

void encoding();

void openfileEnco();

void inputEnco();

void decode();

void openfileDeco();

void inputDeco();

void dispHT( HuffmanTree nodeRoot, int level );

void initHuffmanTree(){ //选择初始化哈夫曼树

int sel=0;

for(;;){

cout<<"\t*********************************************************"<

cout<<"\t* "<<"字符集及权值来源\t\t\t\t\t*"<

cout<<"\t*\t"<<"1.使用权值文件data.txt进行编码\t\t\t*"<

cout<<"\t*\t"<<"2.自行输入字符集及权值\t\t\t\t*"<

cout<<"\t*\t"<<"3.返回上层\t\t\t\t\t*"<

cout<<"\t*********************************************************"<

cout<<"请输入您的选择"<

cin>>sel;

if(sel==3) break;

switch(sel)

{case 1:openfileInit();break;

case 2:inputInit();break;

default:cout<<"对不起，您输入的数据有误！请重新输入。"<

}

};

}

int openfileInit(){ //通过打开的data.txt文件初始化哈夫曼树该文件是为了测试数据2 包涵26个字符

int *w=(int*)malloc(28*sizeof(int));

ch=(char*)malloc(28*sizeof(char));

n=27;

ifstream infile("data.txt",ios::in);

if(!infile){

cerr<<"open error!"<

exit(1);

}

cout<<" 权值文件中的信息（#代表空格）"<

for(int i=1;infile.eof()==0;i++){

infile>>ch[i];

infile>>w[i];

}

cout<

infile.close();

cout<<" 字符:";

for(i=1;i<10;i++) cout<

cout<<" 权值:";

for(i=1;i<10;i++) cout<

cout<<" 字符:";

for(i=10;i<19;i++) cout<

cout<<" 权值:";

for(i=10;i<19;i++) cout<

cout<<" 字符:";

for(i=19;i<28;i++) cout<

cout<<" 权值:";

for(i=19;i<28;i++) cout<

cout<

n=27;

HuffmanCoding(w);

cout<<" 各字符编码如下："<

for(i=1;i<=27;i++) {

cout<<" "<

cout<

};

outstuf.open("code.txt",ios::out);

for(i=1;i<=27;i++) {outstuf<

return 0;

}

int inputInit(){ //通过手动输入字符初始化哈夫曼树

cout<<" 请输入字符集n\t";

cin>>n;

int *w=(int *)malloc((n+1)*sizeof(int));

if(!w) {cout<<"ERROR";return 0;}

ch=(char *)malloc((n+1)*sizeof(char));

if(!ch) {cout<<"ERROR";return 0;}

cout<<" 请输入各字符\t";

for(int i=1;i<=n;i++) cin>>ch[i];

cout<<" 请输入各权值\t";

for(i=1;i<=n;i++) cin>>w[i];

//outstuf.close();

outstuf.open("hfmTree.txt",ios::out);

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

cout<

HuffmanCoding(w);

cout<<" 各字符编码如下：";

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

cout<<" "<

cout<

} ;

outstuf.close();

outstuf.open("code.txt",ios::out);

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

cout<

outstuf.close();

return 0;

}

int HuffmanCoding(int *w){ //哈夫曼编码

if(n<=1) return 1;

int m=2*n-1;

HT=(HuffmanTree)malloc((m+1)*sizeof(HTNode));

if(!HT) {cout<<"ERROR";return 0;}

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

{

HT[i].weight=w[i];

HT[i].parent=HT[i].lchild=HT[i].rchild=0;

}

for(;i<=m; ++i) HT[i].weight=HT[i].parent=HT[i].lchild=HT[i].rchild=0;

int s1=0;

int s2=0;

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

Select(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=(HuffmanCode)malloc((n+1)*sizeof(char*));

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

if(!cd) {cout<<"ERROR";return 0;}

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

int start;

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

start=n-1;

for(int c=i,unsigned int 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);

return 0;

}

void Select(int j,int &s1,int &s2){ //选择parent为0，且weight最小的两个节点序号为s1，s2

for(int h=1;h<=j;h++)

if(HT[h].parent==0) {s1=h;break;}

h++;

for(;h<=j;h++)

if(HT[h].parent==0) {s2=h;break;}

int m;

if(HT[s1].weight>HT[s2].weight) {m=s1;s1=s2;s2=m;}

h++;

for(;h<=j;h++)

if(HT[s1].weight>HT[h].weight&&HT[h].parent==0) s1=h;

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

if(HT[s2].weight>HT[m].weight&&m!=s1&&HT[m].parent==0) s2=m;

}

void encoding(){ //选择哈夫曼编码方式

int sel=0;

for(;;){

if(!HT) {cout<<"对不起，哈夫曼树不存在！请先建立哈夫曼树。"<

cout<<"\t*********************************************************"<

cout<<"\t*\t"<<"1.使用已有文件encode.txt进行编码\t\t*"<

cout<<"\t*\t"<<"2.自行输入文件进行编码\t\t\t\t*"<

cout<<"\t*\t"<<"3.返回上层\t\t\t\t\t*"<

cout<<"\t*********************************************************"<

cin>>sel;

if(sel==3) break;

switch(sel)

{case 1:openfileEnco();break;

case 2:inputEnco();break;

default:cout<<"对不起，您输入的数据有误！请重新输入。"<

}

}

void openfileEnco(){ //通过打开文件encode.txt的方式进行编码

cout<<" encode.txt文件内容如下（#代表空格）："<

ifstream infile("encode.txt",ios::in);

if(!infile){

cerr<<"open error!"<

exit(1);

}

char *file=(char *)malloc(200*sizeof(char));

for(int i=1;infile.eof()==0&&i!=200;i++){

infile>>file[i];

cout<

if(i==200) {

file=(char *)realloc(file,(200+80)*sizeof(char));

for(;infile.eof()==0&&i!=280;i++){

infile>>file[i];

cout<

}

}

infile.close();

cout<

int m=i;

cout<<" 编码结果是："<

//outstuf.close();

outstuf.open("CodeFile.txt",ios::out);

for(i=1;i

for(int j=1;j<=n;j++)if(file[i]==ch[j]) {cout<

if(j==(n+1)) {cout<

}

cout<

outstuf.close();

}

void inputEnco(){ //通过手动输入的方式进行编码

cout<<" 请输入您要编码的文章（以$作为文章结尾）"<

char *file=(char *)malloc(200*sizeof(char));

for(int i=1;i<200;i++){

cin>>file[i];

if(file[i]=='$') break;

}

if(i==200) {

file=(char *)realloc(file,(200+80)*sizeof(char));

for(;i<280;i++){

cin>>file[i];

if(file[i]=='$') break;

}

}

cout<<" 编码结果是："<

//outstuf.close();

outstuf.open("CodeFile.txt",ios::out);

for(i=1;i

for(int j=1;j<=n;j++)if(file[i]==ch[j]) {

cout<

outstuf<

}//将编码结果写入 CodeFile.txt

if(j==(n+1)) {cout<

}

cout<

outstuf.close();

}

void decode(){ //选择译码方式

int sel=0;

for(;;){

if(!HT) {cout<<"对不起，哈夫曼树不存在！请先建立哈夫曼树。"<

cout<<"\t*********************************************************"<

cout<<"\t* "<<"要译码的文件来源\t\t\t\t\t*"<

cout<<"\t*\t"<<"1.使用已有文件CodeFile.txt进行译码\t\t*"<

cout<<"\t*\t"<<"2.自行输入文件进行译码\t\t\t\t*"<

cout<<"\t*\t"<<"3.返回上层\t\t\t\t\t*"<

cout<<"\t*********************************************************"<

cout<<"请输入您的选择"<

cin>>sel;

if(sel==3) break;

switch(sel)

{case 1:openfileDeco();break;

case 2:inputDeco();break;

default:cout<<"对不起，您输入的数据有误！请重新输入。"<

}

}

void inputDeco(){ //通过手动输入的方式进行译码

int m=2*n-1;

char *password=(char *)malloc(200*sizeof(char));

cout<<" 请输入要译码的文件(以$结束）"<

for(int i=1;i<200&&password[i-1]!='$';i++) cin>>password[i];

if(i==200) {

password=(char *)realloc(password,(200+80)*sizeof(char));

for(;i<280&&password[i]!='$';i++) cin>>password[i];

}

cout<<"译码结果为（#代表空格）"<

//outstuf.close();

outstuf.open("TextFile.txt",ios::out);

for(i=1;password[i]!='$';){

char record[20];

for(int j=0,q=i;password[q]!='$';j++,q++){

if(password[q]=='0') {record[j]='0';m=HT[m].lchild;}

else {record[j]='1';m=HT[m].rchild;}

if(HT[m].rchild==0) {record[j+1]='\0';break;}

}

if(HT[m].rchild!=0) {cout<

for(int p=1;p<=n;p++){

if(!strcmp(record,HC[p])) {outstuf<

}

i=i+strlen(record);

m=2*n-1;

}

cout<

outstuf.close();

}

void openfileDeco(){ //通过打开文件CodeFile.txt的方式进行译码

int m=2*n-1;

cout<<" CodeFile.txt文件内容如下："<

ifstream infile("CodeFile.txt",ios::in);

if(!infile){

cerr<<"open error!"<

exit(1);

}

char *password=(char *)malloc(200*sizeof(char));

for(int i=1;infile.eof()==0&&i!=200;i++){

infile>>password[i];

cout<

}

if(i==200) {

password=(char *)realloc(password,(200+80)*sizeof(char));

for(;infile.eof()==0&&i!=280;i++){

infile>>password[i];

cout<

}

}

infile.close();

password[++i]='$';

cout<

cout<<"译码结果为（#代表空格）"<

//outstuf.close();

outstuf.open("TextFile.txt",ios::out);

for(i=1;password[i]!='$';){

char record[20];

for(int j=0,q=i;password[q]!='$';j++,q++){

if(password[q]=='0') {record[j]='0';m=HT[m].lchild;}

else {record[j]='1';m=HT[m].rchild;}

if(HT[m].rchild==0) {record[j+1]='\0';break;}

}

if(HT[m].rchild!=0) {cout<

for(int p=1;p<=n;p++){

if(!strcmp(record,HC[p])) { outstuf<

}

i=i+strlen(record);

m=2*n-1;

}

cout<

outstuf.close();

}

void dispHT( HuffmanTree nodeRoot, int level ) {//以缩进方式输出哈夫曼树

if(HT==NULL) return;

if(nodeRoot->rchild) {

dispHT(HT+nodeRoot->rchild,level+1);

}

for(int i=0;i

{cout<<"

";outstuf<<" ";}

else {cout<<"-------";outstuf<<"-------";} }

cout<weight<weight<

if(nodeRoot->lchild!=0 ) {

dispHT(HT+nodeRoot->lchild,level+1);

}

}

int main(){

int sel=0;

cout<<"\t\t\t->欢迎使用哈夫曼编码/译码器<-"<

for(;;){

cout<<"\t*********************************************************"<

cout<<"\t*\t"<<"2.输出哈夫曼树\t\t\t\t\t*"<

cout<<"\t*\t"<<"3.编码\t\t\t\t\t\t*"<

cout<<"\t*\t"<<"4.译码\t\t\t\t\t\t*"<

cout<<"\t*\t"<<"5.退出\t\t\t\t\t\t*"<

cout<<"\t*********************************************************"<

cin>>sel;

if(sel==5) break;

switch(sel)

{case 1:initHuffmanTree();break;

case 3:encoding();break;

case 2:{if(HC==NULL) cout<<"对不起，哈夫曼树不存在！请先建立哈夫曼树。

"<

else {outstuf.open("TreePrint.txt",ios::out); dispHT(HT+2*n-1,1);outstuf.close();}break;}

case 4:decode();break;

default:cout<<"对不起，您输入的数据有误！请重新输入。"<

}

}

outstuf.close();

cout<<"-------------------------------感谢使用本系统！--------------------------------"<

return 0;

}

四、调试分析：

在写程序与调试的过程中，发现自己对于函数的调用与参数的传递的方面还是存在很多问题，从参数的类型等等方面都出现了很多问题。

关于这个程序的要求比较复杂，刚开始做的时候没有任何思路，最后分模块一点一点的进行。在输出树的直观图的问题上一开始困扰了我很久，后来想到用一个level记录层数，以缩进的方式分层显示，解决了这个问题。

在调试过程中，出现了很多次明明建立了文件却发现未存入数据的情况，为此我多次进行调试，发现是打开文件的操作放在了循环体内部导致数据无法写入。

整体而言，整个程序主要使用了HuffmanCoding()的方式进行哈夫曼编码，在encoding（）里面用了字符串的匹配进行译码，在decode（）里进行了重新遍历树的过程，在算法的效率以及如何更为节省空间的存储数据上都要进一步改进。

五．测试

欢迎界面

构建哈夫曼树

使用权值文件构建

各字符编码显示

自行输入建树

输入的字符与权值被保存在hfmTree.txt里面

使用data.txt建立的哈夫曼树输出直观图

（不全）

同时存入了文件

自行输入文件进行编码

编码结果被存储在CodeFile.txt文件里

通过打开文件进行译码

译码结果被存储

通过打开encode.txt文件进行编码

编码结果同时被存储通过自行输入文件进行译码

译码同时被存储

退出

六．附录

Hfm.cpp

Hfm.exe

data.txt