课程设计哈弗曼编码译码器

哈弗曼编码译码器软件121班2012023040王祥袁目录评分表 (2)问题描述 (3)功能分析 (3)系统设计1.数据结构类型 (3)2.主要模块算法描述 (3)3.详细设计 (7)测试 (20)总结 (33)软件工程课程设计评分表班级姓名指导教师题目：评分标准评分标准分数权重评分的依据得分A C工作态度10 态度端正，能主动认真完成各项内容，不迟到早退，出勤好。

能够完成各环节基本工作，出勤较好。

程序设计，完成及运行情况20功能达到设计要求，程序稳定、界面美观、符合规范、程序易读、完成率100%、程序运行正确。

功能实现了大部分，程序较稳定、界面可用性一般、程序有注释、完成率不足70%。

相关文档40 格式规范，层次清晰，设计思想明确，解决问题方法合理，文档编写完整规范，编写过程符合软件工程开发设计流程等。

格式较规范，设计思想基本明确，解决问题方法较合理，基本遵循软件工程开发流程。

答辨问题回答30能准确回答老师提出的问题，并充分理解数据库开发技术，程序逻辑清晰。

能基本准确回答老师提出的问题总分指导教师（签字）：注：介于A和C之间为B级，低于C为D级和E级。

按各项指标打分后，总分90～100为优，80～89为良，70～79为中，60～69为及格，60分以下为不及格。

一．问题描述：用电子方式处理符号时，需先对符号进行二进制编码。

例如，在计算机中使用的英文字符的ASCII编码就是8位二进制编码，ASCII编码是一种定长编码，即每一个字符用相同的二进制位编码。

为了提高传输效率及缩短数据文件（报文）长度，可采用不定长编码。

这里就应用到了哈弗曼编码。

那么，如何创建一个哈弗曼树，并能对一篇英文文章进行编码，同时还能对电文进行译码呢？二．功能分析：1、输入的形式和输入值的范围：本演示程序中，字符及相应权值的输入有三种方式：从文件读入、手动输入、由电文随机生成。

电文编码及译码翻译均直接从文件读入，电文内容根据权值有所限定，仅支持英文字符组成的电文，在不支持其他语言组成的电文。

对于菜单的选择，按照菜单提供的选择项进行选择即可，若输出位置菜单项，会提示错误，只需重新输入即可。

2、输出的形式：演示程序以人机交互的方式执行，即在计算机终端上显示“提示信息”之后，由用按需户求在键盘上作相应的选择，哈夫曼树、电文编码及译码均输出到文件，哈夫曼编码输出到屏幕。

3、程序所能达到的功能：（1）多级演示菜单显示（2）创建哈夫曼树（3）从文件读入已有的哈夫曼树（4）查看哈夫曼编码的编码方式（5）对电文进行编码（6）对电文进行译码（5）以上功能的反复进行（6）结束三．系统设计1.所选用的数据结构：采用哈弗曼树的树形存储结构，由于哈弗曼树是具有相同叶字个数的二叉树中带权路径长度最小的二叉树，涉及根据叶子数求其“规模最小”的二叉树问题，用哈弗曼树构造哈弗曼编码是其典型应用。

2.主要模块算法描述：（1）建立哈弗曼树：开始初始化非叶子节点I=huffmanleaf否I<2*huffmanleaf-1！是I++选两个最小权值的结点HufNode[s1].parent=iHufNode[s2].parent=iHufNode[i].lchild=s1HufNode[i].rchild=s2HufNode[i].weight=HufNode[s1].w结束（2）编码： 否是是否否是开始I=0I<叶子数？Start=叶子数-1根节点？左孩子？编码为‘0’编码为‘1’存储编码I++结束（3）译码： 是否否是开始P 指向根节点P 是叶子？读入编码字符是‘0’？P 指向左孩子P 指向右孩子读取叶子结点上的字符结束3.详细设计：（1）元素类型，结点类型和指针类型：#define Statue int#define ElemType char//—————哈夫曼树和哈夫曼编码的存储表示——————typedef struct hnode{char letter; //本身字符信息int weight; //字符的权值int parent,lchild,rchild;//双亲及孩子信息}HuffmanNode; //哈弗曼树节点结构类型定义typedef struct{char letter; //本身字符信息char bit[MAXLEAF];//字符编码int start; //编码长度}HuffmanCode; //哈弗曼编码类型定义//—————哈夫曼树和哈夫曼编码的数组定义——————HuffmanNode HuffNode[2*MAXLEAF-1];//定义全局变量HuffmanCode HuffCode[MAXLEAF];int HuffmanLeaf=0; //叶子节点unsigned long Weight[256]={0};//存储字符权值（2）主程序模块：int main(int argc, char** argv) {HuffmanMenu();return 0;}（3）哈夫曼树建立模块：Huffmantree.hint SaveHuffmanTree() //将已生成的哈夫曼树存到文件{FILE *fp,*p; //文件指针int i;if((p=fopen("hfmantree.txt","w"))==NULL||(fp=fopen("hfmantree.dat","wb"))==NULL)//文件打开失败则直接返回{printf("\n保存失败！\n");return ERROR;}fprintf(p,"letter\tweight\tparent\tlchild\trchild\n");for (i=0;i<2*HuffmanLeaf-1;i++)fprintf(p,"%c\t%d\t%d\t%d\t%d\n",HufNode[i].letter,HufNode[i].weight,HufNode[ i].parent,HufNode[i].lchild,HufNode[i].rchild);//写入txt文件fclose(p);printf("\n成功保存Haffman树到hfmantree.txt！\n"); //写入txt文件成功fwrite(HufNode,sizeof(struct hnode),2*HuffmanLeaf-1,fp); //将哈夫曼树写到dat文件printf("\n成功保存Haffman树到hfmantree.dat！\n"); //写入dat文件成功fclose(fp);//指针释放return OK;}int WriteHuffman() //读取文件中的字符及权值{FILE *fp;ElemType ch,filename[10];int weight,i=0;cout<<"\n请输入所要读入字符及相应权值的文件名（如test.txt）：\n";scanf("%s",filename); //可以打开同目录下任意格式的文件fflush(stdin);if ((fp=fopen(filename,"rb"))==NULL) //若打开文件失败，直接返回{printf("\n不能够打开文件%s!\n",filename);}printf("\n打开文件%s成功！\n",filename);while (!feof(fp)) //判断是否已到文件末尾{fscanf (fp,"%c %d",&ch,&weight); //读取文件中的字符及权值fgetc(fp);fgetc(fp);//跳过回车HufNode[i].letter=ch; //将读取的字符存入Huffman数组中HufNode[i].weight=weight; //将读取的权值存入Huffman数组中++i;}fclose(fp); //关闭文件return i;}int CharWeight() //有文件随机生成字符权值{FILE *fp;ElemType ch;char filename[10];int weight,i=0,x;printf("\n请输入所要编码的文件名（如file1.txt）：\n");scanf("%s",filename); //可以打开同目录下任意格式的文件fflush(stdin);if ((fp=fopen(filename,"rb"))==NULL) //若打开文件失败，直接返回{printf("\n不能够打开文件%s!\n",filename);}printf("\n打开文件%s成功！\n",filename);while (!feof(fp)) //判断是否已到文件末尾{ch=fgetc(fp); //从文件读取一个字符x=ch; //将读取字符的ASCII码作为数组下标Weight[x]++; //字符数加}fclose(fp); //关闭文件for (x=0;x<256;x++)if (Weight[x]!=0) //字符数非零{HufNode[i].letter=x; //将读取的字符存入Huffman数组中HufNode[i].weight=Weight[x]; //将读取的字符数作为权值存入Huffman数组中++i;}return i; //返回字符数}void select(int n,int *s1, int *s2){int min;for(int i=0;i<n;i++){if(HufNode[i].parent==-1){min=i;break;}}for(int i=0;i<=n;i++){if(HufNode[i].parent==-1&&HufNode[i].weight<HufNode[min].weight)min=i;}*s1=min;for(int i=0;i<=n;i++){if(HufNode[i].parent==-1&&i!=min){min=i;break;}}for(int i=1;i<=n;i++){if(HufNode[i].parent==-1&&i!=(*s1)&&HufNode[i].weight<HufNode[min].weight) min=i;}*s2=min;}int Huffman_Tree() //建立Huffman 树{int i,j,s1,s2,x1,x2;ElemType temp2;char temp3;for (i=0;i<2*HuffmanLeaf-1;++i) //节点初指针域初始化HufNode[i].parent=HufNode[i].lchild=HufNode[i].rchild=-1;for (i=HuffmanLeaf;i<2*HuffmanLeaf-1;++i) //节点存储信息{HufNode[i].letter=NULL;HufNode[i].weight=0;}/*非叶子结点初始化*//* ------------初始化完毕！---------*/for(i=HuffmanLeaf;i<2*HuffmanLeaf-1;i++) //创建非叶子结点,建哈夫曼树{ //在(*ht)[1]~(*ht)[i-1]的范围内选择两个parent为0且weight最小的结点，其序号分别赋值给s1、s2返回select(i-1 ,&s1,&s2);HufNode[s1].parent=i;HufNode[s2].parent=i;HufNode[i].lchild=s1; //规定左侧比右侧小HufNode[i].rchild=s2;HufNode[i].weight=HufNode[s1].weight+HufNode[s2].weight;}cout<<"\n成功创建Huffman树！是否保存？（Y/N）\n\t";temp3=getchar();fflush(stdin);while (temp3!='y'&&temp3!='Y'&&temp3=='n'&&temp3=='N'){cout<<"\n输入错误！！请确认是否保存？（Y/N）\n\t";temp3=getchar();fflush(stdin);}if (temp3=='y'||temp3=='Y')x1=SaveHuffmanTree(); //保存已生成的哈夫曼树while (!x1){cout<<"\n是否重新保存？（Y/N）\n\t";temp3=getchar();fflush(stdin);while (temp3!='y'&&temp3!='Y'&&temp3=='n'&&temp3=='N'){cout<<"\n输入错误！！请确认是否保存？（Y/N）\n\t";temp3=getchar();fflush(stdin);}if (temp3=='y'||temp3=='Y')x1=SaveHuffmanTree(); //保存已生成的哈夫曼树}void InitHuffman() //HuffMan树的初始化{//HufNode=new HuffmanTree[2*MAXLEAF-1];ElemType s[MAXLEAF]={0},ch;int i;cout<<" 请选择字符及相应权值的输入方式\n";cout<<"\t***********************\n";cout<<"\t 1—从文件读入\n";cout<<"\t 2—从键盘输入\n";cout<<"\t 3—由电文随机生成\n";cout<<"\t***********************\n";cout<<"\n请选择—：";ch=getchar(); //菜单选择fflush(stdin);while (ch>'3'||ch<'1'){cout<<"\n输入有误，请重新输入：";ch=getchar();fflush(stdin);}if (ch=='3')HuffmanLeaf=CharWeight(); //字符权值由电文随机生成else if (ch=='2'){ //字符及及相应权值由键盘输入cout<<"\n请输入一些字符(用#号结束):\n";char c;cin>>c;while(c!='#'){HufNode[HuffmanLeaf].letter=c;HuffmanLeaf++;cin>>c;}cout<<"\n请输入字符相应的权值：\n";for (i=0;i<HuffmanLeaf;i++) //输入字符相应的权值cin>>HufNode[i].weight;}elseHuffmanLeaf=WriteHuffman(); //调用已有文件中的字符及权值if (HuffmanLeaf){ //如果哈夫曼树的叶子数不为零Huffman_Tree(); //生成哈夫曼树Huffman_Code(HuffmanLeaf); //生成哈弗曼编码 //cout<<"此处应该去huffmantree.h";}}void LoadHuffmanTree() //调入已有的哈弗曼树进入内存{FILE *fp;int i=0;if ((fp=fopen("hfmantree.dat","rb"))==NULL){printf("\n文件hfmantree.dat不存在！\n");}for(i=0;i<MAXLEAF;i++) //得到结点总数if(fread(&HufNode[i],sizeof(HTNode),1,fp)!=1) break;//调入哈弗曼数fclose(fp);HuffmanLeaf=(i+1)/2; //叶子数printf("\n成功调入哈夫曼树！\n");Huffman_Code(HuffmanLeaf); //生成哈弗曼编码}#endif（4）哈弗曼编码生成模块：huffmancode.hvoid Huffman_Code(int HuffmanLeaf) //生成Huffman 编码{HuffmanCode cd;int i,j,c,p;for (i=0;i<HuffmanLeaf;i++) //按节点位置进行编码{cd.start=HuffmanLeaf-1; //编码长度最长为叶子数-1c=i;p=HufNode[c].parent; //指向叶子结点的双亲while (p!=-1) //编码结束标志{ //从叶子到结点逆向求编码if (HufNode[p].lchild==c)cd.bit[cd.start]='0'; //左孩子编码为elsecd.bit[cd.start]='1'; //右孩子编码为cd.start--; //左移一位c=p;p=HufNode[c].parent; //上移}for (j=cd.start+1;j<HuffmanLeaf;j++) //存储编码HuffCode[i].bit[j]=cd.bit[j];HuffCode[i].start=cd.start;}for(i=0;i<HuffmanLeaf;i++) //字符复制,字符与编码对应HuffCode[i].letter=HufNode[i].letter;printf("\n编码创建成功！\n");}int Show_HuffCode() //打印哈夫曼编码{int i,x;char t;if (HuffmanLeaf==0) //空树直接返回{cout<<"\n哈夫曼树还没被创建！\n";return ERROR;}cout<<"\n哈弗曼编码为：\n";for (i=0;i<HuffmanLeaf;i++){cout<<HuffCode[i].letter<<"\t"; //打印字符cout<<HuffCode[i].bit+HuffCode[i].start+1<<endl; //打印编码}cout<<"是否保存成\"hfmancode.txt\"文件（y保存，任意键继续）："<<endl;t=getchar();if(t=='y'||t=='Y')x=SaveHuffmanCode(); //将生成的哈弗曼编码保存到文件}int SaveHuffmanCode() //将已生成的哈夫曼编码存到文件{FILE *p; //文件指针int i;if ((p=fopen("hfmancode.txt","w"))==NULL) //文件打开失败则直接返回{printf("\n保存失败！\n");return ERROR;}fprintf(p,"letter\tcode\n");for (i=0;i<HuffmanLeaf;i++)fprintf(p,"%c\t%s\n",HuffCode[i].letter,HuffCode[i].bit+HuffCode[i].start+1);//写入txt文件fclose(p);printf("\n成功保存Haffman编码到hfmancode.txt！\n"); //写入txt文件成功return OK;}#endif(5)编码模块：charcode.hint CharCodeFile(ElemType s[MAXCHARNUM])//将文件电文调入内存{FILE *fp;char ch[2],filename[10];int i;for (i=0;i<MAXCHARNUM;++i)s[i]=NULL;printf("\n请输入所要编码的文件名（必须与前者生成编码的文件保持一致，如file1.txt）：\n");scanf("%s",filename);//输入所需编码的文件名fflush(stdin);if ((fp=fopen(filename,"r"))==NULL)//文件空直接返回{printf("\n文件%s打开失败！\n",filename);return ERROR;}printf("\n文件%s打开成功！\n",filename);ch[1]='\0';ch[0]=fgetc(fp);while (ch[0]!=EOF)//文件结束判断{strcat(s,ch);ch[0]=fgetc(fp);}//写入内存fclose(fp);printf("\n%s的内容为：\n%s\n",filename,s);return OK;}int CharCode()//对电文进行编码{FILE *fp;ElemType s[MAXCHARNUM],*p;int i,j,n,m;if (HuffmanLeaf==0)//空树直接返回{printf("\n哈夫曼树还没被创建！\n");return ERROR;}if ((fp=fopen("file2.txt","w"))==NULL)//打开文件失败返回{printf("\n文件创建失败！\n");return ERROR;}p=s;m=CharCodeFile(p);//将文件电文调入内存if (m)//文件不为空{n=strlen(s);//计算电文长度for (i=0;i<n;i++){for (j=0;j<HuffmanLeaf;j++)if (s[i]==HuffCode[j].letter) break;fprintf(fp,"%s",HuffCode[j].bit+HuffCode[j].start+1);//打印文件内容}fclose(fp);//关闭文件指针printf("\n成功编码，并保存在\"file2.txt\"文件中！\n");//文件file2中保存了编码文件return OK;}elsereturn ERROR;}（6）电文译码模块：trancode.hint LoadCode(ElemType s[MAXCODENUM]) //文件译码{FILE *fp;char ch[2]={0},filename[10];int i;for (i=0;i<MAXCODENUM;++i)s[i]=NULL;printf("\n请输入所要译码的文件名（如file3.txt）：\n");scanf("%s",filename); //输入所需译码的文件名fflush(stdin);if ((fp=fopen(filename,"r"))==NULL) //文件打开失败直接返回{printf("\n打开文件%s失败！\n",filename);return ERROR;}printf("\n打开文件%s成功！\n",filename);while ((ch[0]=fgetc(fp))!=EOF)strcat(s,ch); //将所需译码的文件内容调入内存return OK;}int HEncode() //电文译码{int c,x;ElemType code[MAXCODENUM],* m;FILE *fp;if ((fp=fopen("file4.txt","w"))==NULL) //打开所需译码的文件{printf("\n文件创建失败！\n");return ERROR;}if (HuffmanLeaf==0) //空树返回{printf("\n哈夫曼树还没被创建！\n");return ERROR;}x=LoadCode(code); //将所需译码文件调入内存if (x) //调入文件成功{printf("\n译码结果为：\n");m=code;c=2*HuffmanLeaf-2; //c指向根结点while (*m!=NULL) //译码{if (*m=='0') //编码为零{c=HufNode[c].lchild; //指向左孩子if (HufNode[c].lchild==-1&&HufNode[c].rchild==-1){ //到叶子结点，找与哈弗曼编码匹配的字符printf("%c",HufNode[c].letter); //打印字符fprintf(fp,"%c",HufNode[c].letter); //字符写入文件c=2*HuffmanLeaf-2;}} //译码成功，下一组继续else if (*m=='1') //编码为一{c=HufNode[c].rchild; //指向右孩子if (HufNode[c].lchild==-1&&HufNode[c].rchild==-1){ //到叶子结点，找与哈弗曼编码匹配的字符printf("%c",HufNode[c].letter); //打印字符fprintf(fp,"%c",HufNode[c].letter); //字符写入文件c=2*HuffmanLeaf-2;}} //译码成功，下一组继续m++; //指针后移}printf("\n\n");fclose(fp); //译码结果写入文件成功，关闭文件指针printf("\n保存到file4.txt成功!\n");return OK;}elsereturn ERROR;}#endif（7）菜单显示模块：huffmanmenue,hint doChoice(){char ch;while(1){cout<<"请选择0—6：";cin>>ch;fflush(stdin);switch (ch){case '1':InitHuffman(); //创建哈弗曼树break;case '2':LoadHuffmanTree(); //从文件中载入哈弗曼树break;case '3':Show_HuffCode(); //打印哈弗曼编码break;case '4':CharCode(); //对电文进行编码break;case '5':HEncode(); //对电文进行译码break;case '6':cout<<"\n~~~~(>_<)~~~~ 该功能暂未实现，期待新版本！~~~~(>_<)~~~~ \n";break;case '0':cout<<"\n\t******谢谢使用，再见！******\n";exit(0);break;default:cout<<"\n输入有误！\n";}cout<<"\n\t是否继续使用本系统：Y/N:";cin>>ch;if(ch=='N'||ch=='n'){cout<<"\n\t******谢谢使用，再见！******\n";exit(0);break;}system("cls"); //对前一屏幕的显示清空HuffmanMenu(); //重新载入菜单 }return 1;}void HuffmanMenu(){char ch;cout<<"\n\t 哈夫曼编码—译码器\n";cout<<"====================================\n";cout<<"\t1—创建哈夫曼树\n";cout<<"\t2—从文件读入哈夫曼树\n";cout<<"\t3—查看编码规则\n";cout<<"\t4—对电文进行编码\n";cout<<"\t5—对电文进行译码\n";cout<<"\t6—打印哈夫曼树\n";cout<<"\t0—退出\n";cout<<"====================================\n";doChoice();} (8)程序中各函数间的调用关系，如下图所示:四．测试：1．程序使用说明（1）本程序的运行环境为Dev-C++。