利用哈夫曼编码实现压缩和解压缩

利用哈夫曼编码实现压缩和解压缩1.问题描述利用哈夫曼编码.实现压缩和解压缩的数据元素具有如下形式:结点：weight:存储结点的权值parent:是结点双亲在向量中的下标lchild:结点的左儿子向量下标rchild:结点右儿子向量下标bits:位串.存放编码ch:字符start:编码在位串中的起始位置文件操作记录：b:记录字符在数组中的位置count:字符出现频率（权值）lch、rch、parent:定义哈夫曼树指针变量bits[256]:定义存储哈夫曼编码的数组2.功能需求对于给定的一组字符.可以根据其权值进行哈夫曼编码.并能输出对应的哈夫曼树和哈夫曼编码；实现哈夫曼解码。

能够分析文件.统计文件中出现的字符.再对文件进行编码.实现文件的压缩和解压缩.能够对于文件的压缩.比例进行统计.能够打印文件。

3.实现要点（1）构造哈弗曼树过程中.首先将初始森林的各根结点的双亲和左、右儿子指针置-1；叶子在向量T的前n个分量中.构成初始森林的n个结点；对森林中的树进行n次合并.并产生n-1个新结点.依次放入向量T的第i个分量中。

（2）编码过程中.从叶子T[i]出发.利用双亲的指针找到双亲T[p]；再根据T[p]的孩子指针可以知道T[i]是T[p]的左儿子还是右儿子.若是左儿子.则生成代码0.否则生成代码1；（3）在文件压缩和解压过程中.主要参考网上资料.每个步骤都基本理解.并注上了详细解析。

4．函数定义功能：输入权重.构造一棵哈弗曼树void huffman(hftree T){if(n<1 || n > m)return;int i,j,p1,p2;float small1,small2;//初始化cout<<"请输入叶子权重(5个)："<<endl;for(i=0; i<n; i++){T[i].parent = -1;T[i].lchild = T[i].rchild = -1;}//输入叶子权值for(i=0; i<n; i++){cin>>T[i].weight;}for(i=n; i<m; i++){p1 = p2 = -1;small1 = small2 = MAX_FLOAT;for(j=0; j<=i-1; j++){if(T[j].parent != -1)continue;if(T[j].weight < small1){small2 = small1;small1 = T[j].weight;p2 = p1;p1 = j;}else if(T[j].weight < small2){small2 = T[j].weight;p2 = j;}}T[p1].parent = T[p2].parent = i;T[i].parent=-1;T[i].lchild=p1;T[i].rchild=p2;T[i].weight=small1 + small2;}cout<<"创建成功！"<<endl;}功能：对哈弗曼树进行编码void encode(codelist codes, hftree T){int i,c,p,start;cout<<"请输入需要编码的字符(5个)："<<endl;for(i=0; i<n; i++){cin>>codes[i].ch;start=n;c=i;p=T[i].parent;while(p!=-1){start--;if(T[p].lchild==c) codes[i].bits[start]='0';else codes[i].bits[start]='1';c=p;p=T[p].parent;}codes[i].start=start;}cout<<"输入成功！："<<endl;cout<<"编码表:"<<endl;for(int x=0; x<n; x++){cout<<codes[x].ch<<": ";for(int q=codes[x].start;q<n;q++) cout<<codes[x].bits[q];cout<<endl;}}函数功能：对哈弗曼树进行解码void decode(codelist codes,hftree T) {int i,c,p,b;int endflag;endflag=-1;i=m-1;while(cin>>b,b!=endflag){if(b==0) i=T[i].lchild;else i=T[i].rchild;if(T[i].lchild==-1){cout<<codes[i].ch;i=m-1;}}if(i!=m-1)cout<<"编码有错！\n";}功能：对文件进行压缩.统计压缩率void compress(){char filename[255],outputfile[255],buf[512];unsigned char c;long i,j,m,n,f;long min1,pt1,flength,length1,length2;double div;FILE *ifp,*ofp;cout<<"\t请您输入需要压缩的文件：";cin>>filename;ifp=fopen(filename,"rb");if(ifp==NULL){cout<<"\n\t文件打开失败!\n\n";return;}cout<<"\t请您输入压缩后的文件名：";cin>>outputfile;ofp=fopen(strcat(outputfile,".encode"),"wb");if(ofp==NULL){cout<<"\n\t压缩文件失败!\n\n";return;}flength=0;while(!feof(ifp)){fread(&c,1,1,ifp);header[c].count++; //字符重复出现频率+1flength++; //字符出现原文件长度+1}flength--;length1=flength; //原文件长度用作求压缩率的分母header[c].count--;for(i=0;i<512;i++){if(header[i].count!=0) header[i].b=(unsigned char)i;else header[i].b=0;header[i].parent=-1;header[i].lch=header[i].rch=-1; //对结点进行初始化}for(i=0;i<256;i++) //根据频率（权值）大小.对结点进行排序.选择较小的结点进树{for(j=i+1;j<256;j++){if(header[i].count<header[j].count){tmp=header[i];header[i]=header[j];header[j]=tmp;}}}for(i=0;i<256;i++) if(header[i].count==0) break;n=i; //外部叶子结点数为n个时.内部结点数为n-1.整个哈夫曼树的需要的结点数为2*n-1.m=2*n-1;for(i=n;i<m;i++) //构建哈夫曼树{min1=999999999; //预设的最大权值.即结点出现的最大次数for(j=0;j<i;j++){if(header[j].parent!=-1) continue;//parent!=-1说明该结点已存在哈夫曼树中.跳出循环重新选择新结点*/if(min1>header[j].count){pt1=j;min1=header[j].count;continue;}}header[i].count=header[pt1].count;header[pt1].parent=i; //依据parent域值（结点层数）确定树中结点之间的关系header[i].lch=pt1; //计算左分支权值大小min1=999999999;for(j=0;j<i;j++){if(header[j].parent!=-1) continue;if(min1>header[j].count){pt1=j;min1=header[j].count;continue;}}header[i].count+=header[pt1].count;header[i].rch=pt1; //计算右分支权值大小header[pt1].parent=i;}for(i=0;i<n;i++) //哈夫曼无重复前缀编码{f=i;header[i].bits[0]=0; //根结点编码0while(header[f].parent!=-1){j=f;f=header[f].parent;if(header[f].lch==j) //置左分支编码0{j=strlen(header[i].bits);memmove(header[i].bits+1,header[i].bits,j+1);//依次存储连接“0”“1”编码header[i].bits[0]='0';}else //置右分支编码1{j=strlen(header[i].bits);memmove(header[i].bits+1,header[i].bits,j+1);header[i].bits[0]='1';}}}fseek(ifp,0,SEEK_SET); //从文件开始位置向前移动0字节.即定位到文件开始位置fwrite(&flength,sizeof(int),1,ofp);fseek(ofp,8,SEEK_SET);buf[0]=0; //定义缓冲区,它的二进制表示00000000f=0;pt1=8;while(!feof(ifp)){c=fgetc(ifp);f++;for(i=0;i<n;i++){if(c==header[i].b) break;}strcat(buf,header[i].bits);j=strlen(buf);c=0;while(j>=8) //对哈夫曼编码位操作进行压缩存储{for(i=0;i<8;i++){if(buf[i]=='1') c=(c<<1)|1;else c=c<<1;}fwrite(&c,1,1,ofp);pt1++; //统计压缩后文件的长度strcpy(buf,buf+8); //一个字节一个字节拼接 j=strlen(buf);}if(f==flength) break;}if(j>0) //对哈夫曼编码位操作进行压缩存储{strcat(buf,"00000000");for(i=0;i<8;i++){if(buf[i]=='1') c=(c<<1)|1;else c=c<<1;}fwrite(&c,1,1,ofp);pt1++;}fseek(ofp,4,SEEK_SET);fwrite(&pt1,sizeof(long),1,ofp);fseek(ofp,pt1,SEEK_SET);fwrite(&n,sizeof(long),1,ofp);for(i=0;i<n;i++){fwrite(&(header[i].b),1,1,ofp);c=strlen(header[i].bits);fwrite(&c,1,1,ofp);j=strlen(header[i].bits);if(j%8!=0) //若存储的位数不是8的倍数.则补0 {for(f=j%8;f<8;f++)strcat(header[i].bits,"0");}while(header[i].bits[0]!=0){c=0;for(j=0;j<8;j++) //字符的有效存储不超过8位.则对有效位数左移实现两字符编码的连接{if(header[i].bits[j]=='1') c=(c<<1)|1; //|1不改变原位置上的“0”“1”值else c=c<<1;}strcpy(header[i].bits,header[i].bits+8); //把字符的编码按原先存储顺序连接fwrite(&c,1,1,ofp);}}length2=pt1--;div=((double)length1-(double)length2)/(double)length1; //计算文件的压缩率fclose(ifp);fclose(ofp);printf("\n\t压缩文件成功!\n");printf("\t压缩率为 %f%%\n\n",div*100);return;}函数功能：对文件解压缩void uncompress(){char filename[255],outputfile[255],buf[255],bx[255];unsigned char c;long i,j,m,n,f,p,l;long flength;FILE *ifp,*ofp;cout<<"\t请您输入需要解压缩的文件：";cin>>filename;ifp=fopen(strcat(filename,".encode"),"rb");if(ifp==NULL){cout<<"\n\t文件打开失败!\n";return;}cout<<"\t请您输入解压缩后的文件名：";cin>>outputfile;ofp=fopen(outputfile,"wb");if(ofp==NULL){cout<<"\n\t解压缩文件失败!\n";return;}fread(&flength,sizeof(long),1,ifp); //读取原文件长度.对文件进行定位fread(&f,sizeof(long),1,ifp);fseek(ifp,f,SEEK_SET);fread(&n,sizeof(long),1,ifp);for(i=0;i<n;i++){fread(&header[i].b,1,1,ifp);fread(&c,1,1,ifp);p=(long)c; //读取原文件字符的权值header[i].count=p;header[i].bits[0]=0;if(p%8>0) m=p/8+1;else m=p/8;for(j=0;j<m;j++){fread(&c,1,1,ifp);f=c;itoa(f,buf,2); //将f转换为二进制表示的字符串f=strlen(buf);for(l=8;l>f;l--){strcat(header[i].bits,"0");}strcat(header[i].bits,buf);}header[i].bits[p]=0;}for(i=0;i<n;i++) //根据哈夫曼编码的长短.对结点进行排序{for(j=i+1;j<n;j++){if(strlen(header[i].bits)>strlen(header[j].bits)){tmp=header[i];header[i]=header[j];header[j]=tmp;}}}p=strlen(header[n-1].bits);fseek(ifp,8,SEEK_SET);m=0;bx[0]=0;while(1) //通过哈夫曼编码的长短.依次解码.从原来的位存储还原到字节存储{while(strlen(bx)<(unsigned int)p){fread(&c,1,1,ifp);f=c;itoa(f,buf,2);f=strlen(buf);for(l=8;l>f;l--) //在单字节内对相应位置补0{strcat(bx,"0");}strcat(bx,buf);}for(i=0;i<n;i++){if(memcmp(header[i].bits,bx,header[i].count)==0) break;}strcpy(bx,bx+header[i].count);c=header[i].b;fwrite(&c,1,1,ofp);m++; //统计解压缩后文件的长度if(m==flength) break; //flength是原文件长度}fclose(ifp);fclose(ofp);cout<<"\n\t解压缩文件成功!\n";if(m==flength) //对解压缩后文件和原文件相同性比较进行判断（根据文件大小）cout<<"\t解压缩文件与原文件相同!\n\n";else cout<<"\t解压缩文件与原文件不同!\n\n";return;}5、总结和体会本次大作业与C++大作业有所不同.主要是利用构造数据结构解决问题.C++大作业主要体现类和文件读写功能。