哈夫曼编码

编程实现：要传输一些数据（比如英文单词），设计一个利用哈夫曼算法的编码系统，为这些单词编码，并在接收端进行译码。基本要求:

（1）将需要传输的数据存放在数据文件data.txt 中。

（2）读入数据文件并为其编码，将编码后的内容存入文件code.txt中。

（3）读入code.txt，译码。并将译码后的内容输出在屏幕上。

 

事先准备好date.txt文件

PS:之前代码创建哈夫曼编码时有点个错误，改正了

代码如下：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<stdbool.h>

//N为汉夫曼树叶子节点数 
#define N 256
//M为哈夫曼树所含节点总数 
#define M 2 * N - 1
//定义极大值 
#define INFINITE 0x3f3f3f3f
//date文件中的所含字符种类，本程序可以包括整个ASCII码 
#define CHAR_KINDS 256 

typedef struct{
    int weight;
    int parent;
    int LChild;
    int RChild;
    //用来存储汉夫曼树叶子节点的所存的信息，方便解码 
    int info; 
}HTNode, HuffmanTree[M + 1];

//哈夫曼编码 
typedef char *HuffmanCode[N + 1];

//选出两个权值最小的子树 
void Select(HuffmanTree *ht, int m, int *s1, int *s2){
    int minWeight = INFINITE;
    int i;
    for(i = 1; i <= m; i++){
        if((*ht)[i].weight < minWeight && (*ht)[i].parent == 0){
            minWeight = (*ht)[i].weight;
            *s1 = i;
        }
    }
    
    minWeight = INFINITE;
    for(i = 1; i <= m ;i++){
        if((*ht)[i].weight < minWeight && (*ht)[i].parent == 0 && i != *s1){
            minWeight = (*ht)[i].weight;
            *s2 = i;
        }
    }
}

//创建汉夫曼树 
void CrtHuffman(HuffmanTree *ht, int w[], int tw[], int n){
    int i, j = 0;
    //寻找非零的权值，并且对哈夫曼树叶子节点（子树）进行初始化 
    for(i = 1; i <= n; i++){
        (*ht)[i].weight = w[tw[i - 1]];
        (*ht)[i].parent = 0;
        (*ht)[i].LChild = 0;
        (*ht)[i].RChild = 0;
        (*ht)[i].info = tw[i - 1];
    }
     
    int m = n * 2 - 1;
    //对非叶子节点进行初始化 
    for(i = n  + 1; i <= m; i++){
        (*ht)[i].weight = 0;
        (*ht)[i].parent = 0;
        (*ht)[i].LChild = 0;
        (*ht)[i].RChild = 0;
        (*ht)[i].info = -1;
    }
    
    //构造哈夫曼树 
    for(i = n  + 1; i <= m; i++){
        int s1, s2;
        //选择连个权值最小的子树，创建新子树 
        Select(ht, i - 1, &s1, &s2);
        //新子树的权值等于选出来两个权值之和 
        (*ht)[i].weight = (*ht)[s1].weight + (*ht)[s2].weight;
        //s1子树和s2子树的双亲变成i 
        (*ht)[s1].parent = i;
        (*ht)[s2].parent = i;
        //i子树的左右孩子分别为s1和s2 
        (*ht)[i].LChild = s1;
        (*ht)[i].RChild = s2;
    }
}

//创建哈夫曼编码 
void CrtHuffmanCode(HuffmanTree *ht, HuffmanCode *hc, int w[], int tw[], int n){
    
    char *cd;
    cd = (char *)malloc(n * sizeof(char)));
    cd[n - 1] = '';
    
    int i, start, c, p;
    //对哈夫曼树的每个叶子节点进行编码 
    for(i = 1; i <= n; i++){
        
        start = n - 1;
        c = i;
        p = (*ht)[i].parent;
        
        //每个叶子节点的编码都是从叶子节点往树根推，直到此节点双亲为0，即到达根节点 
        while(p != 0){
            --start;
            //若为左分支，编码为0；右分支编码为1 
            if((*ht)[p].LChild == c) cd[start] = '0';
            else cd[start] = '1';
            c = p;
            p = (*ht)[p].parent;
        }
        
        (*hc)[tw[i - 1]] = (char *)malloc((n - start) * sizeof(char));
        
        strcpy((*hc)[tw[i - 1]], &cd[start]);
    }
    free(cd);
}

//统计权值 
void CountCharWeight(FILE **fp, int w[]){
    if((*fp = fopen("date.txt", "r+")) == NULL){
        printf("不能打开该文件
");
        exit(0);
    }
    char ch;
    while(!feof(*fp)){
        ch = fgetc(*fp);
        if(ch == -1) break;
        w[(int)ch]++;
    }
}

//为每个字符进行编码，并且输出到date.txt文件中 
void Coding(FILE **sfp, FILE **cdfp, HuffmanCode *hc){
    if((*cdfp = fopen("code.txt", "w+")) == NULL){
        printf("不能打开该文件
");
        exit(0);
    }
    //将源文本文件的文件标记指向文件开头 
    rewind(*sfp);
    
    char ch;
    while(!feof(*sfp)){
        ch = fgetc(*sfp);
        //由于feof(*sfp)函数只能判断当前位置是不是文件结束位置，编码会多一个
        //ch = fgetc(*sfp)会多往后走一个，则人为判断一下即可，即feof(*sfp)返回值为-1 
        if(ch == -1) break;
        fputs((*hc)[(int)ch], *cdfp);
    }
    fclose(*sfp);
}

//查找哈夫曼树的根 
int FindRoot(HuffmanTree *ht, int n){
    int i;
    int m = 2 * n - 1;
    for(i = 1; i <= m; i++){
        if((*ht)[i].weight != 0 && (*ht)[i].parent == 0 && (*ht)[i].LChild != 0 && (*ht)[i].RChild != 0){
            return i;
        }
    }
    return 0;
}

//解码 
void Decoding(HuffmanTree *ht, FILE **cdfp, int w[], int n){
    rewind(*cdfp);
    char ch;
    int root, son;
    //如果找到根便解码 
    if(root = FindRoot(ht, n)){
        son = root;
        //利用哈夫曼树进行解码 
        while(!feof(*cdfp)){
            ch = fgetc(*cdfp);
            if(ch == -1) break;
            if(ch == '0') son = (*ht)[son].LChild;
            else son = (*ht)[son].RChild;
            //如果到达叶子节点，便找到哈夫曼编码对应的信息，接着继续从根节点进行解码 
            if((*ht)[son].LChild == 0 && (*ht)[son].RChild == 0){
                printf("%c", (char)(*ht)[son].info);
                son = root;
            }
        }
    }
    fclose(*cdfp);
}

//统计不为零权值的个数，并且记录其下标到tw[] 
int GetWeightId(int tw[], int w[]){
    int i, n = 0;
    for(i = 0; i < CHAR_KINDS; i++){
        if(w[i] > 0){
            tw[n++] = i;
        }
    }
    return n;
}

int main(){
    FILE *fp1;
    int n = 0, i;
    //w[CHAR_KINDS]用来统计每个字符出现的次数
    //因为ASCII码右256个数量较大，有的字符不出现，权值为0
    //则weightId[CHAR_KINDS]用来存储权值不为0的ASCII码 
    int weightId[CHAR_KINDS], w[CHAR_KINDS];
    memset(w, 0, sizeof(w));
    for(i = 0; i < CHAR_KINDS; i++){
        weightId[i] = -1;
    }
    
    CountCharWeight(&fp1, w);
    
    HuffmanTree huffmantree;
    
    n = GetWeightId(weightId, w);

    HuffmanCode hc;
    CrtHuffman(&huffmantree, w, weightId, n);
    
    CrtHuffmanCode(&huffmantree, &hc, w, weightId, n);
    
    FILE *codefp;
    Coding(&fp1, &codefp, &hc);
    
    Decoding(&huffmantree, &codefp, w, n);
    printf("
");
    return 0;
    
}

 

运行结果：

改进，把从文件读取字符换成int型变量，便可以对汉字和日文进行编码解码：

代码如下：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>

//N为汉夫曼树叶子节点数
#define N 256
//M为哈夫曼树所含节点总数
#define M 2 * N - 1
//定义极大值
#define INFINITE 0x3f3f3f3f
//date文件中的所含字符种类，本程序可以包括整个ASCII码
#define CHAR_KINDS 256

typedef struct{
    int weight;
    int parent;
    int LChild;
    int RChild;
    //用来存储汉夫曼树叶子节点的所存的信息，方便解码
    int info;
}HTNode, HuffmanTree[M + 1];

//哈夫曼编码
typedef char *HuffmanCode[N + 1];

//选出两个权值最小的子树
void Select(HuffmanTree *ht, int m, int *s1, int *s2){
    int minWeight = INFINITE;
    int i;
    for(i = 1; i <= m; i++){
        if((*ht)[i].weight < minWeight && (*ht)[i].parent == 0){
            minWeight = (*ht)[i].weight;
            *s1 = i;
        }
    }

    minWeight = INFINITE;
    for(i = 1; i <= m ;i++){
        if((*ht)[i].weight < minWeight && (*ht)[i].parent == 0 && i != *s1){
            minWeight = (*ht)[i].weight;
            *s2 = i;
        }
    }
}

//创建汉夫曼树
void CrtHuffman(HuffmanTree *ht, int w[], int tw[], int n){
    int i, j = 0;
    //寻找非零的权值，并且对哈夫曼树叶子节点（子树）进行初始化
    for(i = 1; i <= n; i++){
        (*ht)[i].weight = w[tw[i - 1]];
        (*ht)[i].parent = 0;
        (*ht)[i].LChild = 0;
        (*ht)[i].RChild = 0;
        (*ht)[i].info = tw[i - 1];
    }

    int m = n * 2 - 1;
    //对非叶子节点进行初始化
    for(i = n  + 1; i <= m; i++){
        (*ht)[i].weight = 0;
        (*ht)[i].parent = 0;
        (*ht)[i].LChild = 0;
        (*ht)[i].RChild = 0;
        (*ht)[i].info = -1;
    }

    //构造哈夫曼树
    for(i = n  + 1; i <= m; i++){
        int s1, s2;
        //选择连个权值最小的子树，创建新子树
        Select(ht, i - 1, &s1, &s2);
        //新子树的权值等于选出来两个权值之和
        (*ht)[i].weight = (*ht)[s1].weight + (*ht)[s2].weight;
        //s1子树和s2子树的双亲变成i
        (*ht)[s1].parent = i;
        (*ht)[s2].parent = i;
        //i子树的左右孩子分别为s1和s2
        (*ht)[i].LChild = s1;
        (*ht)[i].RChild = s2;
    }
}

//创建哈夫曼编码
void CrtHuffmanCode(HuffmanTree *ht, HuffmanCode *hc, int w[], int tw[], int n){

    char *cd;
    cd = (char *)malloc(n * sizeof(char));
    cd[n - 1] = '';

    int i, start, c, p;
    //对哈夫曼树的每个叶子节点进行编码
    for(i = 1; i <= n; i++){

        start = n - 1;
        c = i;
        p = (*ht)[i].parent;

        //每个叶子节点的编码都是从叶子节点往树根推，直到此节点双亲为0，即到达根节点
        while(p != 0){
            --start;
            //若为左分支，编码为0；右分支编码为1
            if((*ht)[p].LChild == c) cd[start] = '0';
            else cd[start] = '1';
            c = p;
            p = (*ht)[p].parent;
        }

        (*hc)[tw[i - 1]] = (char *)malloc((n - start) * sizeof(char));

        strcpy((*hc)[tw[i - 1]], &cd[start]);
    }
    free(cd);
}

//统计权值
void CountCharWeight(FILE **fp, int w[]){
    if((*fp = fopen("data.txt", "r+")) == NULL){
        printf("不能打开该文件
");
        exit(0);
    }
    int ch;
    while(!feof(*fp)){
        ch = fgetc(*fp);
        if(ch == -1) break;
        w[ch]++;
    }
}

//为每个字符进行编码，并且输出到date.txt文件中
void Coding(FILE **sfp, FILE **cdfp, HuffmanCode *hc){
    if((*cdfp = fopen("code.txt", "w+")) == NULL){
        printf("不能打开该文件
");
        exit(0);
    }
    //将源文本文件的文件标记指向文件开头
    rewind(*sfp);

    int ch;
    while(!feof(*sfp)){
        ch = fgetc(*sfp);
        //由于feof(*sfp)函数只能判断当前位置是不是文件结束位置，编码会多一个
        // = fgetc(*sfp)会多往后走一个，则人为判断一下即可，即feof(*sfp)返回值为-1
        if(ch == -1) break;
        fputs((*hc)[(int)ch], *cdfp);
    }
    fclose(*sfp);
}

//查找哈夫曼树的根
int FindRoot(HuffmanTree *ht, int n){
    int i;
    int m = 2 * n - 1;
    for(i = 1; i <= m; i++){
        if((*ht)[i].weight != 0 && (*ht)[i].parent == 0 && (*ht)[i].LChild != 0 && (*ht)[i].RChild != 0){
            return i;
        }
    }
    return 0;
}

//解码
void Decoding(HuffmanTree *ht, FILE **cdfp, int w[], int n){
    rewind(*cdfp);
    char ch;
    int root, son;
    //如果找到根便解码
    if(root = FindRoot(ht, n)){
        son = root;
        //利用哈夫曼树进行解码
        while(!feof(*cdfp)){
            ch = fgetc(*cdfp);
            if(ch == -1) break;
            if(ch == '0') son = (*ht)[son].LChild;
            else son = (*ht)[son].RChild;
            //如果到达叶子节点，便找到哈夫曼编码对应的信息，接着继续从根节点进行解码
            if((*ht)[son].LChild == 0 && (*ht)[son].RChild == 0){
                printf("%c", (*ht)[son].info);
                son = root;
            }
        }
    }
    fclose(*cdfp);
}

//统计不为零权值的个数，并且记录其下标到tw[]
int GetWeightId(int tw[], int w[]){
    int i, n = 0;
    for(i = 0; i < CHAR_KINDS; i++){
        if(w[i] > 0){
            tw[n++] = i;
        }
    }
    return n;
}

int main(){
    FILE *fp1;
    int n = 0, i;
    //w[CHAR_KINDS]用来统计每个字符出现的次数
    //因为ASCII码右256个数量较大，有的字符不出现，权值为0
    //则weightId[CHAR_KINDS]用来存储权值不为0的ASCII码
    int weightId[CHAR_KINDS], w[CHAR_KINDS];
    memset(w, 0, sizeof(w));
    for(i = 0; i < CHAR_KINDS; i++){
        weightId[i] = -1;
    }

    CountCharWeight(&fp1, w);

    HuffmanTree huffmantree;

    n = GetWeightId(weightId, w);
    printf("%d
",n);
    HuffmanCode hc;
    CrtHuffman(&huffmantree, w, weightId, n);

    CrtHuffmanCode(&huffmantree, &hc, w, weightId, n);

    FILE *codefp;
    Coding(&fp1, &codefp, &hc);

    Decoding(&huffmantree, &codefp, w, n);
    printf("
");
    return 0;

}

运行结果如下：