實驗五 哈夫曼編碼與譯碼的設計與實現(xiàn)

1、實驗五 哈夫曼編碼與譯碼的設計與實現(xiàn)一、問題描述利用哈夫曼編碼進行通信可以大大提高信道利用率，縮短信息傳輸時間，降低傳輸成本。但是，這要求在發(fā)送端通過一個編碼系統(tǒng)對待傳數(shù)據(jù)預先編碼，在接收端將傳來的數(shù)據(jù)進行譯碼（復原）。對于雙工信道（即可以雙向傳輸信息的信道），每端都需要一個完整的編/譯碼系統(tǒng)。試為這樣的信息收發(fā)編寫一個哈夫曼碼的編/譯碼系統(tǒng)。基本要求：（1）接收原始數(shù)據(jù)：從終端讀入字符集大小n，以及n個字符和n個權(quán)值，建立哈夫曼樹，并將它存于文件nodedata.dat中。（2）編碼：利用已建好的哈夫曼樹（如不在內(nèi)存，則從文件nodedata.dat中讀入），對文件中的正文進行編碼，然后將結(jié)

2、果存入文件code.dat中。（3）譯碼：利用已建好的哈夫曼樹將文件code.dat中的代碼進行譯碼，結(jié)果存入文件textfile.txt中。（4）打印編碼規(guī)則：即字符與編碼的一一對應關(guān)系。（5）打印哈夫曼樹：將已在內(nèi)存中的哈夫曼樹以直觀的方式顯示在終端上。二、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設計1、構(gòu)造哈夫曼樹時，使用靜態(tài)鏈表作為哈夫曼樹的存儲。在構(gòu)造哈夫曼樹時，設計一個結(jié)構(gòu)體數(shù)組HuffNode保存哈夫曼樹中各結(jié)點的信息，根據(jù)二叉樹的性質(zhì)可知，具有n個葉子結(jié)點的哈夫曼樹共有2n-1個結(jié)點，所以數(shù)組HuffNode的大小設置為2n-1，描述結(jié)點的數(shù)據(jù)類型為：typedef struct int weight;int

3、 parent;int lchild;int rchild;char inf;HNodeType;2.求哈夫曼編碼時使用一維結(jié)構(gòu)數(shù)組HuffCode作為哈夫曼編碼信息的存儲。求哈夫曼編碼實際上就是在已建立的哈夫曼樹中，從葉子結(jié)點開始，沿結(jié)點的雙親鏈域回退到根結(jié)點，每回退一步，就走過了哈夫曼的一個分支，從而得到一位哈夫曼編碼值。由于一個字符的哈夫曼編碼就是從根結(jié)點到相應葉子結(jié)點所經(jīng)過的路徑上各分支所組成的0、1序列，因此先得到的分支代碼為所求編碼的低位碼，后得到的分支代碼為所求的高位碼。所以設計如下數(shù)據(jù)類型：#define MaxBit 10struct HcodeTypeint bitMaxB

4、it;int start;3、文件nodedata.dat、code.dat、textfile.txt三、功能函數(shù)設計1、初始化功能模塊此功能模塊的功能為從鍵盤接受字符集大小n，以及n個字符和n個權(quán)值。2、建立哈夫曼編碼的功能模塊此模塊功能為使用1中得到的數(shù)據(jù)按照教材中的構(gòu)造哈弗曼的算法構(gòu)造哈弗曼樹，即將HuffNode數(shù)組中的各個位置的各個域都填上相關(guān)的值，并將這個結(jié)構(gòu)體數(shù)組存于文件nodedata.dat中。函數(shù)原型為：void Creat_Haffmantree(int &n)HNodeType *HaffNode=new HNodeType2*n-1;int i,j;int m

5、1,m2,x1,x2;for(i=0;i<2*n-1;i+)HaffNodei.weight=0;HaffNodei.parent=-1;HaffNodei.lchild=-1;HaffNodei.rchild=-1;HaffNodei.inf='0'for(i=0;i<n;i+)cout<<"請輸入字符"<<endl;cin>>HaffNodei.inf;cout<<"請輸入該字符的權(quán)值"<<endl;cin>>HaffNodei.weight;for(

6、i=0;i<n-1;i+)/構(gòu)造哈夫曼樹m1=m2=Maxvalue;x1=x2=0;for(j=0;j<n+i;j+)/選取最小和次小if(HaffNodej.parent=-1&&HaffNodej.weight<m1)m2=m1;x2=x1;m1=HaffNodej.weight;x1=j;elseif(HaffNodej.parent=-1&&HaffNodej.weight<m2)m2=HaffNodej.weight;x2=j;/將找出的最小和次小合并，創(chuàng)造其父母結(jié)點HaffNodex1.parent=n+i;HaffNode

7、x2.parent=n+i;HaffNoden+i.weight=HaffNodex1.weight+HaffNodex2.weight;HaffNoden+i.lchild=x2;HaffNoden+i.rchild=x1;HaffNoden+i.inf=NULL;cout<<"顯示存儲的哈弗曼樹信息:"<<endl; cout<<"權(quán)值左孩子右孩子雙親"<<endl; for(i=0;i<2*n-1;i+) cout<<HaffNodei.inf<<" "

8、; cout<<HaffNodei.weight<<" " cout<<HaffNodei.lchild<<" " cout<<HaffNodei.rchild<<" " cout<<HaffNodei.parent<<endl; /寫入文件fstream outfile1;outfile1.open("E:nodedata.dat",ios:out|ios:trunc|ios:binary);/建立進行寫入的文件if(

9、!outfile1) /沒有創(chuàng)建成功則顯示相應信息cout<<"nodedata.dat文件不能打開"<<endl;abort();for(i=0;i<2*n-1;i+) /將內(nèi)存中從HaffNodei地址開始的sizeof(HaffNodei)的內(nèi)容寫入文件中outfile1.write(char*)&HaffNodei,sizeof(HaffNodei);outfile1.close ();/關(guān)閉文件delete HaffNode;3、建立哈弗曼編碼功的功能模塊此模塊功能是從文件nodedata.dat中讀入相關(guān)的字符信息進行哈弗曼

10、編碼，然后將結(jié)果存入code.dat中，同時將字符與0和1代碼串的一一對應關(guān)系顯示到屏幕上。函數(shù)原型為：void HaffCode(int &n)/哈夫曼編碼HNodeType *HaffNode=new HNodeTypeMaxnode;HcodeType *HaffCode=new HcodeTypeMaxleaf;HcodeType cd;int i,j,c,p;fstream in("E:nodedata.dat",ios:in|ios:binary);in.read(char*)HaffNode,(2*n-1)*sizeof(HNodeType);in.c

11、lose();fstream outfile;outfile.open("E:codedata.dat",ios:out|ios:binary);/建立進行寫入的文件for(i=0;i<n;i+)cd.start=n-1;c=i;p=HaffNodec.parent;while(p!=-1)if(HaffNodep.lchild=c)cd.bitcd.start=0;elsecd.bitcd.start=1;cd.start-;c=p;p=HaffNodec.parent;for(j=cd.start+1;j<n;j+)HaffCodei.bitj=cd.bit

12、j;HaffCodei.start=cd.start;for(i=0;i<n;i+) outfile<<HaffNodei.inf;for(j=HaffCodei.start+1;j<n;j+)outfile<<HaffCodei.bitj; cout<<"字符信息-編碼信息"<<endl; for(i=0;i<n;i+) cout<<HaffNodei.inf<<"-" for(j=HaffCodei.start+1;j<n;j+) cout<<

13、HaffCodei.bitj; cout<<endl; outfile.close ();cout<<"請輸入要編碼的字符串,基本元素為（"for(i=0;i<n;i+)cout<<HaffNodei.inf<<","cout<<")"<<endl;char inf100;cin>>inf;int f=strlen(inf);fstream outfile1;outfile1.open("E:code.dat",ios:out

14、|ios:binary);/建立進行寫入的文件if(!outfile1) cout<<"code.dat文件不能打開!"<<endl; abort(); else cout<<endl; cout<<"字符串編碼后為:" for(int x=0;x<f;x+) for(i=0;i<n;i+) if(infx=HaffNodei.inf) for(j=HaffCodei.start+1;j<n;j+) outfile1.write(char*)&HaffCodei.bitj,size

15、of(HaffCodei.bitj); cout<<HaffCodei.bitj; cout<<endl; cout<<"編譯后的代碼串已經(jīng)存入code.dat文件中!"<<endl; cout<<endl; outfile1.close(); delete HaffNode;delete HaffCode;4. 此模塊功能為接收需要譯碼的0、1代碼串，按照3中建立的編碼規(guī)則將其翻譯成字符集中字符所組成的字符串形式，存入文件textfile.dat，同時將翻譯的結(jié)果在屏幕上打印輸出。接受0、1代碼串有兩種形式，一種

16、是直接輸入，一種是從文件中讀取。函數(shù)原型為：void decode( int &n)/解碼int i;HNodeType *HaffNode=new HNodeType2*n-1;fstream infile1;infile1.open("E:nodedata.dat",ios:in|ios:binary);/讀出哈夫曼樹if(!infile1)cout<<"nodedata.dat文件不能打開"<<endl;abort();for(i=0;i<2*n-1;i+)infile1.read(char*)&Haf

17、fNodei,sizeof(HNodeType);infile1.close(); int tempcode100;int num=0;for(i=0;i<100;i+)tempcodei=-1;HcodeType *Code=new HcodeTypen;cout<<"請選擇要做的操作："<<endl;cout<<"輸入串解碼，請按4"<<endl;cout<<"從文件中解碼，請按5"<<endl;int q;cin>>q;while(q>

18、;5|q<4)cout<<"輸入錯誤請重新輸入"cin>>q;switch(q)case 4:cout<<"請輸入要解碼的0,1串(按其他鍵結(jié)束輸入）："<<endl;i=0;cin>>tempcodei;while(tempcodei=0|tempcodei=1)i+;num=i;cin>>tempcodei;cout<<"輸入的編碼為："for(i=0;i<num;i+)cout<<tempcodei;cout<<

19、;endl;int m=2*n-2;i=0;cout<<"譯碼后為："<<endl; fstream outfile; outfile.open("E:textfile.txt",ios:out); if(!outfile) cout<<"textfile.txt文件不能打開!"<<endl; abort(); while(i<num)/ 小于字符串的長度 while(HaffNodem.lchild!=-1&&HaffNodem.rchild!=-1) if(te

20、mpcodei=0)m=HaffNodem.lchild;i+;else if(tempcodei=1)m=HaffNodem.rchild;i+; cout<<HaffNodem.inf;outfile<<HaffNodem.inf;m=2*n-2; cout<<endl; outfile.close(); cout<<"譯碼后的結(jié)果已經(jīng)存入textfile.txt中!"<<endl; delete HaffNode; break;case 5:fstream infile2;/讀編碼infile2.open(&

21、quot;E:code.dat",ios:in|ios:binary);while(!infile2.eof()infile2.read(char*)&tempcodenum,sizeof(tempcodenum);num+;infile2.close();num-;cout<<"從文件中讀出的編碼為"<<endl;for(i=0;i<num;i+)cout<<tempcodei; cout<<endl; int m=2*n-2; i=0; cout<<endl; cout<<&

22、quot;譯碼后為:"<<endl; fstream outfile; outfile.open("E:textfile.txt",ios:out); if(!outfile) cout<<"textfile.txt文件不能打開!"<<endl; abort(); while(i<num)/ 小于字符串的長度 while(HaffNodem.lchild!=-1&&HaffNodem.rchild!=-1) if(tempcodei=0)m=HaffNodem.lchild;i+;els

23、e if(tempcodei=1)m=HaffNodem.rchild;i+; cout<<HaffNodem.inf;outfile<<HaffNodem.inf;m=2*n-2; cout<<endl; outfile.close(); cout<<"譯碼后的結(jié)果已經(jīng)存入textfile.txt中!"<<endl; delete HaffNode; break; 四編碼實現(xiàn)#include "stdafx.h"#include<iostream>#include<fstre

24、am>#include<string.h>#include<stdlib.h>using namespace std;#define MaxBit 10#define Maxvalue 100/應該大于權(quán)重之和#define Maxleaf 100#define Maxnode Maxleaf*2-1typedef struct int weight;int parent;int lchild;int rchild;char inf;HNodeType;struct HcodeTypeint bitMaxBit;int start;void Creat_Haffm

25、antree(int &n)HNodeType *HaffNode=new HNodeType2*n-1;int i,j;int m1,m2,x1,x2;for(i=0;i<2*n-1;i+)HaffNodei.weight=0;HaffNodei.parent=-1;HaffNodei.lchild=-1;HaffNodei.rchild=-1;HaffNodei.inf='0'for(i=0;i<n;i+)cout<<"請輸入字符"<<endl;cin>>HaffNodei.inf;cout<

26、<"請輸入該字符的權(quán)值"<<endl;cin>>HaffNodei.weight;for(i=0;i<n-1;i+)/構(gòu)造哈夫曼樹m1=m2=Maxvalue;x1=x2=0;for(j=0;j<n+i;j+)/選取最小和次小if(HaffNodej.parent=-1&&HaffNodej.weight<m1)m2=m1;x2=x1;m1=HaffNodej.weight;x1=j;elseif(HaffNodej.parent=-1&&HaffNodej.weight<m2)m2=Ha

27、ffNodej.weight;x2=j;/將找出的最小和次小合并，創(chuàng)造其父母結(jié)點HaffNodex1.parent=n+i;HaffNodex2.parent=n+i;HaffNoden+i.weight=HaffNodex1.weight+HaffNodex2.weight;HaffNoden+i.lchild=x2;HaffNoden+i.rchild=x1;HaffNoden+i.inf=NULL;cout<<"顯示存儲的哈弗曼樹信息:"<<endl; cout<<"權(quán)值左孩子右孩子雙親"<<endl

28、; for(i=0;i<2*n-1;i+) cout<<HaffNodei.inf<<" " cout<<HaffNodei.weight<<" " cout<<HaffNodei.lchild<<" " cout<<HaffNodei.rchild<<" " cout<<HaffNodei.parent<<endl; /寫入文件fstream outfile1;outfile1.open(

29、"E:nodedata.dat",ios:out|ios:trunc|ios:binary);/建立進行寫入的文件if(!outfile1) /沒有創(chuàng)建成功則顯示相應信息cout<<"nodedata.dat文件不能打開"<<endl;abort();for(i=0;i<2*n-1;i+) /將內(nèi)存中從HaffNodei地址開始的sizeof(HaffNodei)的內(nèi)容寫入文件中outfile1.write(char*)&HaffNodei,sizeof(HaffNodei);outfile1.close ();/關(guān)

30、閉文件delete HaffNode;void HaffCode(int &n)/哈夫曼編碼HNodeType *HaffNode=new HNodeTypeMaxnode;HcodeType *HaffCode=new HcodeTypeMaxleaf;HcodeType cd;int i,j,c,p;fstream in("E:nodedata.dat",ios:in|ios:binary);in.read(char*)HaffNode,(2*n-1)*sizeof(HNodeType);in.close();fstream outfile;outfile.op

31、en("E:codedata.dat",ios:out|ios:binary);/建立進行寫入的文件for(i=0;i<n;i+)cd.start=n-1;c=i;p=HaffNodec.parent;while(p!=-1)if(HaffNodep.lchild=c)cd.bitcd.start=0;elsecd.bitcd.start=1;cd.start-;c=p;p=HaffNodec.parent;for(j=cd.start+1;j<n;j+)HaffCodei.bitj=cd.bitj;HaffCodei.start=cd.start;for(i=

32、0;i<n;i+) outfile<<HaffNodei.inf;for(j=HaffCodei.start+1;j<n;j+)outfile<<HaffCodei.bitj; cout<<"字符信息-編碼信息"<<endl; for(i=0;i<n;i+) cout<<HaffNodei.inf<<"-" for(j=HaffCodei.start+1;j<n;j+) cout<<HaffCodei.bitj; cout<<endl;

33、 outfile.close ();cout<<"請輸入要編碼的字符串,基本元素為（"for(i=0;i<n;i+)cout<<HaffNodei.inf<<","cout<<")"<<endl;char inf100;cin>>inf;int f=strlen(inf);fstream outfile1;outfile1.open("E:code.dat",ios:out|ios:binary);/建立進行寫入的文件if(!outfil

34、e1) cout<<"code.dat文件不能打開!"<<endl; abort(); else cout<<endl; cout<<"字符串編碼后為:" for(int x=0;x<f;x+) for(i=0;i<n;i+) if(infx=HaffNodei.inf) for(j=HaffCodei.start+1;j<n;j+) outfile1.write(char*)&HaffCodei.bitj,sizeof(HaffCodei.bitj); cout<<H

35、affCodei.bitj; cout<<endl; cout<<"編譯后的代碼串已經(jīng)存入code.dat文件中!"<<endl; cout<<endl; outfile1.close(); delete HaffNode;delete HaffCode;void decode( int &n)/解碼int i;HNodeType *HaffNode=new HNodeType2*n-1;fstream infile1;infile1.open("E:nodedata.dat",ios:in|ios

36、:binary);/讀出哈夫曼樹if(!infile1)cout<<"nodedata.dat文件不能打開"<<endl;abort();for(i=0;i<2*n-1;i+)infile1.read(char*)&HaffNodei,sizeof(HNodeType);infile1.close(); int tempcode100;int num=0;for(i=0;i<100;i+)tempcodei=-1;HcodeType *Code=new HcodeTypen;cout<<"請選擇要做的操作：&

37、quot;<<endl;cout<<"輸入串解碼，請按4"<<endl;cout<<"從文件中解碼，請按5"<<endl;int q;cin>>q;while(q>5|q<4)cout<<"輸入錯誤請重新輸入"cin>>q;switch(q)case 4:cout<<"請輸入要解碼的0,1串(按其他鍵結(jié)束輸入）："<<endl;i=0;cin>>tempcodei;whil

38、e(tempcodei=0|tempcodei=1)i+;num=i;cin>>tempcodei;cout<<"輸入的編碼為："for(i=0;i<num;i+)cout<<tempcodei;cout<<endl;int m=2*n-2;i=0;cout<<"譯碼后為："<<endl; fstream outfile; outfile.open("E:textfile.txt",ios:out); if(!outfile) cout<<&qu

39、ot;textfile.txt文件不能打開!"<<endl; abort(); while(i<num)/ 小于字符串的長度 while(HaffNodem.lchild!=-1&&HaffNodem.rchild!=-1) if(tempcodei=0)m=HaffNodem.lchild;i+;else if(tempcodei=1)m=HaffNodem.rchild;i+; cout<<HaffNodem.inf;outfile<<HaffNodem.inf;m=2*n-2; cout<<endl; out

40、file.close(); cout<<"譯碼后的結(jié)果已經(jīng)存入textfile.txt中!"<<endl; delete HaffNode; break;case 5:fstream infile2;/讀編碼infile2.open("E:code.dat",ios:in|ios:binary);while(!infile2.eof()infile2.read(char*)&tempcodenum,sizeof(tempcodenum);num+;infile2.close();num-;cout<<"

41、;從文件中讀出的編碼為"<<endl;for(i=0;i<num;i+)cout<<tempcodei; cout<<endl; int m=2*n-2; i=0; cout<<endl; cout<<"譯碼后為:"<<endl; fstream outfile; outfile.open("E:textfile.txt",ios:out); if(!outfile) cout<<"textfile.txt文件不能打開!"<<endl; abort(); while(i<num)/ 小于字符串的長度 while(HaffNodem.lchild!=-1&&HaffNodem.rchild!=-1) if(tempcodei=0)m=Haff