哈夫曼编码器实验报告
学院：计算机学院
班级：计科0801班
姓名：***
学号：***
一．实验目的
练习树和哈夫曼树的有关操作，和各个算法程序，理解哈夫曼树的编码和译码
二．实验环境
Microsoft visual c++
三、问题描述
利用哈夫曼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码/译码系统。试为这样的信息收发站写一个哈夫曼编码的编码/译码器。
四、需求分析
（1）初始化;从终端输入字符集的大小n，以及n个字符和n个权值建立哈夫曼树。
（2）输出哈夫曼树，及各字符对应的编码。
（3）编码：利用建好的哈夫曼树，对输入的待发送电文进行编码。同时输入原文及编码串。
（4）译码：利用建好的哈夫曼树，对输入的已接收电文进行译码。同时输入编码串及原文。
五、概要设计
#include ＜iostream.h＞
#include ＜iomanip.h＞
#include ＜string.h＞
#include ＜malloc.h＞
#include ＜stdio.h＞
//typedef int TElemType;
const int UINT_MAX=1000;
char str[50];
typedef struct
{
int weight,K;
int parent,lchild,rchild;
}HTNode,* HuffmanTree;
typedef char **HuffmanCode;
//-----------全局变量-----------------------
HuffmanTree HT;
HuffmanCode HC;
int w[50],i,j,n;
char z[50];
int flag=0;
int numb=0
// -----------------求哈夫曼编码-----------------------
struct cou{
char data;
int count;
}cou[50];
int min(HuffmanTree t,int i)
{ // 函数void select()调用
int j,flag;
int k=UINT_MAX; // 取k为不小于可能的值,即k为最大的权值1000
for(j=1;j＜=i;j++)
if(t[j].weight＜k&&t[j].parent==0)
k=t[j].weight,flag=j;
t[flag].parent=1;
return flag;
}
//--------------------slect函数----------------------
void select(HuffmanTree t,int i,int &s1,int &s2)
{ // s1为最小的两个值中序号小的那个
int j;
s1=min(t,i);
s2=min(t,i);
if(s1＞s2)
{
j=s1;
s1=s2;
s2=j;
}
}
// --------------算法6.12--------------------------
void HuffmanCoding(HuffmanTree &HT,HuffmanCode &HC,int *w,int n)
{ // w存放n个字符的权值(均＞0),构造哈夫曼树HT,并求出n个字符的哈夫曼编码HC
int m,i,s1,s2,start;
//unsigned c,f;
int c,f;
HuffmanTree p;
char *cd;
if(n＜=1)
return;//检测结点数是否可以构成树
m=2*n-1;
HT=(HuffmanTree)malloc((m+1)*sizeof(HTNode)); // 0号单元未用
for(p=HT+1,i=1;i＜=n;++i,++p,++w)
{
p-＞weight=*w;
p-＞parent=0;
p-＞lchild=0;
p-＞rchild=0;
}
for(;i＜=m;++i,++p)
p-＞parent=0;
for(i=n+1;i＜=m;++i) // 建哈夫曼树
{ // 在HT[1~i-1]中选择parent为0且weight最小的两个结点,其序号分别为s1和s2
select(HT,i-1,s1,s2);
HT[s1].parent=HT[s2].parent=i;
HT[i].lchild=s1;
HT[i].rchild=s2;
HT[i].weight=HT[s1].weight+HT[s2].weight;
}
// 从叶子到根逆向求每个字符的哈夫曼编码
HC=(HuffmanCode)malloc((n+1)*sizeof(char*));
// 分配n个字符编码的头指针向量([0]不用)
cd=(char*)malloc(n*sizeof(char)); // 分配求编码的工作空间
cd[n-1]='\0'; // 编码结束符
for(i=1;i＜=n;i++)
{ // 逐个字符求哈夫曼编码
start=n-1; // 编码结束符位置
for(c=i,f=HT[i].parent;f!=0;c=f,f=HT[f].parent)
// 从叶子到根逆向求编码
if(HT[f].lchild==c)
cd[--start]='0';
else
cd[--start]='1';
HC[i]=(char*)malloc((n-start)*sizeof(char));
// 为第i个字符编码分配空间
strcpy(HC[i],&cd[start]); // 从cd复制编码(串)到HC
}
free(cd); // 释放工作空间
}
//--------------------- 获取报文并写入文件---------------------------------
int InputCode()
{
//cout＜＜"请输入你想要编码的字符"＜＜endl;
FILE *tobetran;
if((tobetran=fopen("tobetran.txt","w"))==NULL)
{
cout＜＜"不能打开文件"＜＜endl;
return 0;
}
cout＜＜"请输入你想要编码的字符"＜＜endl;
gets(str);
fputs(str,tobetran);
cout＜＜"获取报文成功"＜＜endl;
fclose(tobetran);
return strlen(str);
}
//--------------初始化哈夫曼链表---------------------------------
void Initialization()
{ int a,k,flag,len;
a=0;
len=InputCode();
for(i=0;i＜len;i++)
{k=0;flag=1;
cou[i-a].data=str[i];
cou[i-a].count=1;
while(i＞k)
{
if(str[i]==str[k])
{
a++;
flag=0;
}
k++;
if(flag==0)
break;
}
if(flag)
{
for(j=i+1;j＜len;j++)
{if(str[i]==str[j])
++cou[i-a].count;}
}
}
n=len-a;
for(i=0;i＜n;i++)
{ cout＜＜cou[i].data＜＜" ";
cout＜＜cou[i].count＜＜endl;
}
for(i=0;i＜=n;i++)
{*(z+i)=cou[i].data;
*(w+i)=cou[i].count;
}
HuffmanCoding(HT,HC,w,n);
//------------------------ 打印编码-------------------------------------------
cout＜＜"字符对应的编码为:"＜＜endl;
for(i=1;i＜=n;i++)
{
puts(HC[i]);
}
//-------------------------- 将哈夫曼编码写入文件------------------------
cout＜＜"下面将哈夫曼编码写入文件"＜＜endl＜＜"...................."＜＜endl;
FILE *htmTree;
char r[]={' ','\0'};
if((htmTree=fopen("htmTree.txt","w"))==NULL)
{
cout＜＜"can not open file"＜＜endl;
return;
}
fputs(z,htmTree);
for(i=0;i＜n+1;i++)
{
fprintf(htmTree,"%6d",*(w+i));
fputs(r,htmTree);
}
for(i=1;i＜=n;i++)
{
fputs(HC[i],htmTree);
fputs(r,htmTree);
}
fclose(htmTree);
cout＜＜"已将字符与对应编码写入根目录下文件htmTree.txt中"＜＜endl＜＜endl;
}
//---------------------编码函数---------------------------------
void Encoding()
{
cout＜＜"下面对目录下文件tobetran.txt中的字符进行编码"＜＜endl;
FILE *tobetran,*codefile;
if((tobetran=fopen("tobetran.txt","rb"))==NULL)
{
cout＜＜"不能打开文件"＜＜endl;
}
if((codefile=fopen("codefile.txt","wb"))==NULL)
{
cout＜＜"不能打开文件"＜＜endl;
}
char *tran;
i=99;
tran=(char*)malloc(100*sizeof(char));
while(i==99)
{
if(fgets(tran,100,tobetran)==NULL)
{
cout＜＜"不能打开文件"＜＜endl;
break;
}
for(i=0;*(tran+i)!='\0';i++)
{
for(j=0;j＜=n;j++)
{
if(*(z+j-1)==*(tran+i))
{
fputs(HC[j],codefile);
if(j＞n)
{
cout＜＜"字符错误，无法编码!"＜＜endl;
break;
}
}
}
}
}
cout＜＜"编码工作完成"＜＜endl＜＜"编码写入目录下的codefile.txt中"＜＜endl＜＜endl;
fclose(tobetran);
fclose(codefile);
free(tran);
}
//-----------------译码函数---------------------------------
void Decoding()
{
cout＜＜"下面对根目录下文件codefile.txt中的字符进行译码"＜＜endl;
FILE *codef,*txtfile;
if((txtfile=fopen("txtfile.txt","w"))==NULL)
{
cout＜＜"不能打开文件"＜＜endl;
}
if ((codef=fopen("codefile.txt","r"))==NULL)
{
cout＜＜"不能打开文件"＜＜endl;
}
char *work,*work2,i2;
int i4=0,i,i3;
unsigned long length=10000;
work=(char*)malloc(length*sizeof(char));
fgets(work,length,codef);
work2=(char*)malloc(length*sizeof(char));
i3=2*n-1;
for(i=0;*(work+i-1)!='\0';i++)
{
i2=*(work+i);
if(HT[i3].lchild==0)
{
*(work2+i4)=*(z+i3-1);
i4++;
i3=2*n-1;
i--;
}
else if(i2=='0') i3=HT[i3].lchild;
else if(i2=='1') i3=HT[i3].rchild;
}
*(work2+i4)='\0';
fputs(work2,txtfile);
cout＜＜"译码完成"＜＜endl＜＜"内容写入根目录下的文件txtfile.txt中"＜＜endl＜＜endl;
free(work);
free(work2);
fclose(txtfile);
fclose(codef);
}
//-----------------------打印编码的函数----------------------
void Code_printing()
{
cout＜＜"下面打印根目录下文件CodePrin.txt中编码字符"＜＜endl;
FILE * CodePrin,* codefile;
if((CodePrin=fopen("CodePrin.txt","w"))==NULL)
{
cout＜＜"不能打开文件"＜＜endl;
return;
}
if((codefile=fopen("codefile.txt","r"))==NULL)
{
cout＜＜"不能打开文件"＜＜endl;
return;
}
char *work3;
work3=(char*)malloc(51*sizeof(char));
do
{
if(fgets(work3,51,codefile)==NULL)
{
cout＜＜"不能读取文件"＜＜endl;
break;
}
fputs(work3,CodePrin);
puts(work3);
}while(strlen(work3)==50);
free(work3);
cout＜＜"打印工作结束"＜＜endl＜＜endl;
fclose(CodePrin);
fclose(codefile);
}
//------------------------------- 打印译码函数---------------------------------------------
void Code_printing1()
{
cout＜＜"下面打印根目录下文件txtfile.txt中译码字符"＜＜endl;
FILE * CodePrin1,* txtfile;
if((CodePrin1=fopen("CodePrin1.txt","w"))==NULL)
{
cout＜＜"不能打开文件"＜＜endl;
return;
}
if((txtfile=fopen("txtfile.txt","r"))==NULL)
{
cout＜＜"不能打开文件"＜＜endl;
return;
}
char *work5;
work5=(char*)malloc(51*sizeof(char));
do
{
if(fgets(work5,51,txtfile)==NULL)
{
cout＜＜"不能读取文件"＜＜endl;
break;
}
fputs(work5,CodePrin1);
puts(work5);
}while(strlen(work5)==50);
free(work5);
cout＜＜"打印工作结束"＜＜endl＜＜endl;
fclose(CodePrin1);
fclose(txtfile);
}
//------------------------打印哈夫曼树的函数-----------------------
void coprint(HuffmanTree start,HuffmanTree HT)
{
if(start!=HT)
{
FILE * TreePrint;
if((TreePrint=fopen("TreePrint.txt","a"))==NULL)
{cout＜＜"创建文件失败"＜＜endl;
return;
}
numb++;//该变量为已被声明为全局变量
coprint(HT+start-＞rchild,HT);
cout＜＜setw(5*numb)＜＜start-＞weight＜＜endl;
fprintf(TreePrint,"%d\n",start-＞weight);
coprint(HT+start-＞lchild,HT);
numb--;
fclose(TreePrint);
}
}
void Tree_printing(HuffmanTree HT,int w)
{
HuffmanTree p;
p=HT+w;
cout＜＜"下面打印哈夫曼树"＜＜endl;
coprint(p,HT);
cout＜＜"打印工作结束"＜＜endl;
}
//------------------------主函数------------------------------------
void main()
{
char choice;
while(choice!='q')
{ cout＜＜"\n******************************"＜＜endl;
cout＜＜" 欢迎使用哈夫曼编码解码系统"＜＜endl;
cout＜＜"******************************"＜＜endl;
cout＜＜"(1)要初始化哈夫曼链表请输入'i'"＜＜endl;
cout＜＜"(2)要编码请输入'e'"＜＜endl;
cout＜＜"(3)要译码请输入'd'"＜＜endl;
cout＜＜"(4)要打印编码请输入'p'"＜＜endl;
cout＜＜"(5)要打印哈夫曼树请输入't'"＜＜endl;
cout＜＜"(6)要打印译码请输入'y'"＜＜endl;
if(flag==0)cout＜＜"\n请先初始化哈夫曼链表,输入'i'"＜＜endl;
cin＞＞choice;
switch(choice)
{
case 'i':
Initialization();
break;
case 'e':
Encoding();
break;
case 'd':
Decoding();
break;
case 'p':
Code_printing();
break;
case 't':
Tree_printing(HT,2*n-1);
break;
case 'y':
Code_printing1();
break;
default:
cout＜＜"input error"＜＜endl;
}
}
free(z);
free(w);
free(HT);
}
运行结果：
六、所遇问题及心得体会
本次试验中所遇到的主要问题为哈弗曼编码的算法，以及整个变量的控制。通过学习课本上的基础编码方法，再加上老师所讲的内容，整理修改后得到这个编码系统。
通过本次试验，掌握了树和哈夫曼树的基本操作，以及各个程序的算法。也复习了前面所学习的参数调用和控制变量范围。这次课程设计，在编辑中犯了不应有的错误，统计字符时忘记了应该怎样保存数据，对文件的操作也很生疏，在不断的分析后明确并改正了错误和疏漏，是程序有了更高的质量。
总的来说，不仅是实验的结果，更重要的是过程和思考，是我学到了很多的知识，真的是受益匪浅。
附主要算法流程图：
功能结构图：
构造哈夫曼树：
哈夫曼编码：
参考文献：
【1】严蔚敏.数据结构（C语言版），清华大学出版社
【2】谭浩强.C语言程序设计教程，高等教育出版社