哈夫曼树及其应用(完美版)

数据结构课程设计设计题目：哈夫曼树及其应用学院：计算机科学与技术专业：网络工程班级：网络 131学号：**********学生姓名：谢*指导教师：叶*2015年7 月12 日设计目的：赫夫曼编码的应用很广泛，利用赫夫曼树求得的用于通信的二进制编码称为赫夫曼编码。

树中从根到每个叶子都有一条路径，对路径上的各分支约定：指向左子树的分支表示“0”码，指向右子树的分支表示“1”码，取每条路径上的“0”或“1”的序列作为和各个叶子对应的字符的编码，这就是赫夫曼编码。

哈弗曼译码输入字符串可以把它编译成二进制代码，输入二进制代码时可以编译成字符串。

1、熟悉树的二叉树的存储结构及其特点。

2、掌握建立哈夫曼树和哈夫曼编码的方法。

设计内容：欲发一封内容为AABBCAB ……(共长 100 字符,字符包括A 、B 、C 、D 、E 、F六种字符)，分别输入六种字符在报文中出现的次数（次数总和为100），对这六种字符进行哈夫曼编码。

设计要求：对输入的一串电文字符实现赫夫曼编码，再对赫夫曼编码生成的代码串进行译码，输出电文字符串。

通常我们把数据压缩的过程称为编码，解压缩的过程称为解码。

电报通信是传递文字的二进制码形式的字符串。

但在信息传递时，总希望总长度能尽可能短，即采用最短码。

假设每种字符在电文中出现的次数为Wi，编码长度为Li，电文中有n种字符，则电文编码总长度为∑WiLi。

若将此对应到二叉树上，Wi为叶结点的权，Li为根结点到叶结点的路径长度。

那么，∑WiLi 恰好为二叉树上带权路径长度。

因此，设计电文总长最短的二进制前缀编码，就是以n种字符出现的频率作权，构造一棵赫夫曼树，此构造过程称为赫夫曼编码。

设计实现的功能：1.以二叉链表存储，2.建立哈夫曼树；3.求每个字符的哈夫曼编码并显示。

一：赫夫曼树的构造“（1）由给定的n个权值{W1，W2，…，Wn}构成n棵二叉树的集合F＝{T1，T2，…，Tn},其中每棵二叉树Ti中只有一个带权为Wi的根节点，其左右子树均空。

（2）在F中选取根结点的权值最小和次小的两棵二叉树作为左、右子树构造一棵新的二叉树，这棵新的二叉树根结点的权值为其左、右子树根结点权值之和；（3）在集合F中删除作为左、右子树的两棵二叉树，并将新建立的二叉树加入到集合F中；（4）重复（2）（3）两步，当F中只剩下一棵二叉树时，这棵二叉树便是所要建立的哈夫曼树。

”二：设计概要哈夫曼编\译码器的主要功能是先建立哈夫曼树，然后利用建好的哈夫曼树生成哈夫曼编码后进行译码。

在数据通信中，经常需要将传送的文字转换成由二进制字符0、1组成的二进制串，称之为编码。

构造一棵哈夫曼树，规定哈夫曼树中的左分之代表0，右分支代表1，则从根节点到每个叶子节点所经过的路径分支组成的0和1的序列便为该节点对应字符的编码，称之为哈夫曼编码。

最简单的二进制编码方式是等长编码。

若采用不等长编码，让出现频率高的字符具有较短的编码，让出现频率低的字符具有较长的编码，这样可能缩短传送电文的总长度。

哈夫曼树课用于构造使电文的编码总长最短的编码方案。

（1）其主要流程图如图所示。

（2）设计包含的几个方面：①赫夫曼树的建立赫夫曼树的建立由赫夫曼算法的定义可知，初始森林中共有n棵只含有根结点的二叉树。

算法的第二步是：将当前森林中的两棵根结点权值最小的二叉树，合并成一棵新的二叉树；每合并一次，森林中就减少一棵树，产生一个新结点。

显然要进行n－1次合并，所以共产生n－1个新结点，它们都是具有两个孩子的分支结点。

由此可知，最终求得的赫夫曼树中一共有2n－1个结点，其中n个结点是初始森林的n个孤立结点。

并且赫夫曼树中没有度数为1的分支结点。

我们可以利用一个大小为2n--1的一维数组来存储赫夫曼树中的结点。

②赫夫曼编码要求电文的赫夫曼编码，必须先定义赫夫曼编码类型，根据设计要求和实际需要定义的类型如下：typedet struct {char ch; // 存放编码的字符char bits[N＋1]; // 存放编码位串int len; // 编码的长度}CodeNode; // 编码结构体类型③字符串的译码译码的基本思想是：读文件中编码，并与原先生成的赫夫曼编码表比较，遇到相等时，即取出其对应的字符存入一个新串中。

三、详细设计（1）①赫夫曼树的存储结构描述为：#define N 50 // 叶子结点数#define M 2*N-1 // 赫夫曼树中结点总数typedef struct {int weight; // 叶子结点的权值int lchild, rchild, parent; // 左右孩子及双亲指针}HTNode; // 树中结点类型typedef HTNode HuffmanTree[M+1];②哈弗曼树的算法void CreateHT(HTNode ht[],int n) //调用输入的数组ht[],和节点数n{int i,k,lnode,rnode;int min1,min2;for (i=0;i<2*n-1;i++)ht[i].parent=ht[i].lchild=ht[i].rchild=-1; //所有结点的相关域置初值-1 for (i=n;i<2*n-1;i++) //构造哈夫曼树{min1=min2=32767; //int的范围是-32768—32767lnode=rnode=-1; //lnode和rnode记录最小权值的两个结点位置for (k=0;k<=i-1;k++){if (ht[k].parent==-1) //只在尚未构造二叉树的结点中查找{if (ht[k].weight<min1) //若权值小于最小的左节点的权值{min2=min1;rnode=lnode;min1=ht[k].weight;lnode=k;}else if (ht[k].weight<min2){min2=ht[k].weight;rnode=k;}}}ht[lnode].parent=i;ht[rnode].parent=i; //两个最小节点的父节点是iht[i].weight=ht[lnode].weight+ht[rnode].weight; //两个最小节点的父节点权值为两个最小节点权值之和ht[i].lchild=lnode;ht[i].rchild=rnode; //父节点的左节点和右节点}}（2）哈弗曼编码void CreateHCode(HTNode ht[],HCode hcd[],int n){int i,f,c;HCode hc;for (i=0;i<n;i++) //根据哈夫曼树求哈夫曼编码{hc.start=n;c=i;f=ht[i].parent;while (f!=-1) //循序直到树根结点结束循环{if (ht[f].lchild==c) //处理左孩子结点hc.cd[hc.start--]='0';else //处理右孩子结点hc.cd[hc.start--]='1';c=f;f=ht[f].parent;}hc.start++; //start指向哈夫曼编码hc.cd[]中最开始字符hcd[i]=hc;}}void DispHCode(HTNode ht[],HCode hcd[],int n) //输出哈夫曼编码的列表{int i,k;printf(" 输出哈夫曼编码:\n");for (i=0;i<n;i++) //输出data中的所有数据，即A-Z {printf(" %c:\t",ht[i].data);for (k=hcd[i].start;k<=n;k++) //输出所有data中数据的编码{printf("%c",hcd[i].cd[k]);}printf("\n");}}void editHCode(HTNode ht[],HCode hcd[],int n) //编码函数{char string[MAXSIZE];int i,j,k;scanf("%s",string); //把要进行编码的字符串存入string数组中printf("\n输出编码结果:\n");for (i=0;string[i]!='#';i++) //#为终止标志{for (j=0;j<n;j++){if(string[i]==ht[j].data) //循环查找与输入字符相同的编号，相同的就输出这个字符的编码{for (k=hcd[j].start;k<=n;k++){printf("%c",hcd[j].cd[k]);}break; //输出完成后跳出当前for循环}}}}（3）哈弗曼译码void deHCode(HTNode ht[],HCode hcd[],int n) //译码函数{char code[MAXSIZE];int i,j,l,k,m,x;scanf("%s",code); //把要进行译码的字符串存入code数组中while(code[0]!='#')for (i=0;i<n;i++){m=0; //m为想同编码个数的计数器for (k=hcd[i].start,j=0;k<=n;k++,j++) //j为记录所存储这个字符的编码个数{if(code[j]==hcd[i].cd[k]) //当有相同编码时m值加1m++;}if(m==j) //当输入的字符串与所存储的编码字符串个数相等时则输出这个的data数据{printf("%c",ht[i].data);for(x=0;code[x-1]!='#';x++) //把已经使用过的code数组里的字符串删除{code[x]=code[x+j];}}}}（4）主函数void main(){int n=26,i;char orz,back,flag=1;char str[] = { 'A', 'B', 'C', 'D', 'E', 'F' };int fnum[] = { 15, 10, 20, 18, 12, 25 };//初始化HTNode ht[M]; //建立结构体HCode hcd[N]; //建立结构体for (i=0;i<n;i++) //把初始化的数据存入ht结构体中{ht[i].data=str[i];ht[i].weight=fnum[i];}while (flag) //菜单函数，当flag为0时跳出循环（5）显示部分源程序：{printf("\n");printf(" ********************************");printf("\n ** 1---------------显示编码**");printf("\n ** 2---------------进行编码**");printf("\n ** 3---------------进行译码**");printf("\n ** 4---------------退出**\n");printf(" * **********************************"); printf("\n");printf(" 请输入选择的编号:");scanf("%c",&orz);switch(orz){case 'a':case 'A':system("cls"); //清屏函数CreateHT(ht,n);CreateHCode(ht,hcd,n);DispHCode(ht,hcd,n);getchar();system("cls");break;case 'b':case 'B':system("cls");CreateHT(ht,n);CreateHCode(ht,hcd,n);printf("请输入要进行编码的字符串(以#结束):\n");editHCode(ht,hcd,n);getchar();system("cls");break;case 'c':case 'C':system("cls");CreateHT(ht,n);CreateHCode(ht,hcd,n);DispHCode(ht,hcd,n);printf("请输入编码(以#结束):\n");deHCode(ht,hcd,n);getchar();system("cls");break;case 'd':case 'D':flag=0;break;default:system("cls");}}}四、调试结果五.实验总结1.做这个项目前，应该明确需求，划清功能模块。