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算法系列15天速成——第十三天树操作【下】

今天说下最后一种树，大家可否知道，文件压缩程序里面的核心结构，核心算法是什么？或许你知道，他就运用了赫夫曼树。

听说赫夫曼胜过了他的导师，被认为”青出于蓝而胜于蓝“，这句话也是我比较欣赏的，嘻嘻。

一概念

了解”赫夫曼树“之前，几个必须要知道的专业名词可要熟练记住啊。

1：结点的权

“权”就相当于“重要度”，我们形象的用一个具体的数字来表示，然后通过数字的大小来决定谁重要，谁不重要。

2：路径

树中从“一个结点"到“另一个结点“之间的分支。

3：路径长度

一个路径上的分支数量。

4：树的路径长度

从树的根节点到每个节点的路径长度之和。

5：节点的带权路径路劲长度

其实也就是该节点到根结点的路径长度*该节点的权。

6: 树的带权路径长度

树中各个叶节点的路径长度*该叶节点的权的和，常用WPL(Weight Path Length)表示。

二：构建赫夫曼树

上面说了那么多，肯定是为下面做铺垫，这里说赫夫曼树，肯定是要说赫夫曼树咋好咋好，赫夫曼树是一种最优二叉树,

因为他的WPL是最短的，何以见得？我们可以上图说话。

现在我们做一个WPL的对比：

图A: WPL= 5*2 + 7*2 +2*2+13*2=54

图B：WPL=5*3+2*3+7*2+13*1=48

我们对比一下，图B的WPL最短的，地球人已不能阻止WPL还能比“图B”的小，所以，“图B"就是一颗赫夫曼树，那么大家肯定

要问，如何构建一颗赫夫曼树，还是上图说话。

第一步：我们将所有的节点都作为独根结点。

第二步: 我们将最小的C和A组建为一个新的二叉树，权值为左右结点之和。

第三步：将上一步组建的新节点加入到剩下的节点中，排除上一步组建过的左右子树，我们选中B组建新的二叉树，然后取权值。

第四步：同上。

三：赫夫曼编码

大家都知道，字符，汉字，数字在计算机中都是以0，1来表示的，相应的存储都是有一套编码方案来支撑的，比如ASC码。

这样才能在"编码“和”解码“的过程中不会成为乱码，但是ASC码不理想的地方就是等长的，其实我们都想用较少的空间来存储

更多的东西，那么我们就要采用”不等长”的编码方案来存储，那么“何为不等长呢“？其实也就是出现次数比较多的字符我们采用短编码，

出现次数较少的字符我们采用长编码，恰好，“赫夫曼编码“就是不等长的编码。

这里大家只要掌握赫夫曼树的编码规则：左子树为0，右子树为1，对应的编码后的规则是：从根节点到子节点

A: 111

B: 10

C: 110

D: 0

四：实现

不知道大家懂了没有，不懂的话多看几篇，下面说下赫夫曼的具体实现。

第一步：构建赫夫曼树。

第二步：对赫夫曼树进行编码。

第三步：压缩操作。

第四步：解压操作。

1：首先看下赫夫曼树的结构，这里字段的含义就不解释了。

 1 #region 赫夫曼树结构
 2     /// <summary>
 3 /// 赫夫曼树结构
 4 /// </summary>
 5     public class HuffmanTree
 6     {
 7         public int weight { get; set; }
 8 
 9         public int parent { get; set; }
10 
11         public int left { get; set; }
12 
13         public int right { get; set; }
14     }
15     #endregion

2：创建赫夫曼树，原理在上面已经解释过了，就是一步一步的向上搭建，这里要注意的二个性质定理：

当叶子节点为N个，则需要N-1步就能搭建赫夫曼树。

当叶子节点为N个，则赫夫曼树的节点总数为:(2*N)-1个。

  1 #region 赫夫曼树的创建
  2         /// <summary>
  3 /// 赫夫曼树的创建
  4 /// </summary>
  5 /// <param name="huffman">赫夫曼树</param>
  6 /// <param name="leafNum">叶子节点</param>
  7 /// <param name="weight">节点权重</param>
  8         public HuffmanTree[] CreateTree(HuffmanTree[] huffman, int leafNum, int[] weight)
  9         {
 10             //赫夫曼树的节点总数
 11             int huffmanNode = 2 * leafNum - 1;
 12 
 13             //初始化节点，赋予叶子节点值
 14             for (int i = 0; i < huffmanNode; i++)
 15             {
 16                 if (i < leafNum)
 17                 {
 18                     huffman[i].weight = weight[i];
 19                 }
 20             }
 21 
 22             //这里面也要注意，4个节点，其实只要3步就可以构造赫夫曼树
 23             for (int i = leafNum; i < huffmanNode; i++)
 24             {
 25                 int minIndex1;
 26                 int minIndex2;
 27                 SelectNode(huffman, i, out minIndex1, out minIndex2);
 28 
 29                 //最后得出minIndex1和minindex2中实体的weight最小
 30                 huffman[minIndex1].parent = i;
 31                 huffman[minIndex2].parent = i;
 32 
 33                 huffman[i].left = minIndex1;
 34                 huffman[i].right = minIndex2;
 35 
 36                 huffman[i].weight = huffman[minIndex1].weight + huffman[minIndex2].weight;
 37             }
 38 
 39             return huffman;
 40         }
 41         #endregion
 42 
 43         #region 选出叶子节点中最小的二个节点
 44         /// <summary>
 45 /// 选出叶子节点中最小的二个节点
 46 /// </summary>
 47 /// <param name="huffman"></param>
 48 /// <param name="searchNodes">要查找的结点数</param>
 49 /// <param name="minIndex1"></param>
 50 /// <param name="minIndex2"></param>
 51         public void SelectNode(HuffmanTree[] huffman, int searchNodes, out int minIndex1, out int minIndex2)
 52         {
 53             HuffmanTree minNode1 = null;
 54 
 55             HuffmanTree minNode2 = null;
 56 
 57             //最小节点在赫夫曼树中的下标
 58             minIndex1 = minIndex2 = 0;
 59 
 60             //查找范围
 61             for (int i = 0; i < searchNodes; i++)
 62             {
 63                 ///只有独根树才能进入查找范围
 64                 if (huffman[i].parent == 0)
 65                 {
 66                     //如果为null，则认为当前实体为最小
 67                     if (minNode1 == null)
 68                     {
 69                         minIndex1 = i;
 70 
 71                         minNode1 = huffman[i];
 72 
 73                         continue;
 74                     }
 75 
 76                     //如果为null，则认为当前实体为最小
 77                     if (minNode2 == null)
 78                     {
 79                         minIndex2 = i;
 80 
 81                         minNode2 = huffman[i];
 82 
 83                         //交换一个位置，保证minIndex1为最小，为后面判断做准备
 84                         if (minNode1.weight > minNode2.weight)
 85                         {
 86                             //节点交换
 87                             var temp = minNode1;
 88                             minNode1 = minNode2;
 89                             minNode2 = temp;
 90 
 91                             //下标交换
 92                             var tempIndex = minIndex1;
 93                             minIndex1 = minIndex2;
 94                             minIndex2 = tempIndex;
 95 
 96                             continue;
 97                         }
 98                     }
 99                     if (minNode1 != null && minNode2 != null)
100                     {
101                         if (huffman[i].weight <= minNode1.weight)
102                         {
103                             //将min1临时转存给min2
104                             minNode2 = minNode1;
105                             minNode1 = huffman[i];
106 
107                             //记录在数组中的下标
108                             minIndex2 = minIndex1;
109                             minIndex1 = i;
110                         }
111                         else
112                         {
113                             if (huffman[i].weight < minNode2.weight)
114                             {
115                                 minNode2 = huffman[i];
116 
117                                 minIndex2 = i;
118                             }
119                         }
120                     }
121                 }
122             }
123         }
124         #endregion

3:对哈夫曼树进行编码操作，形成一套“模板”，效果跟ASC模板一样，不过一个是不等长，一个是等长。

 1 #region 赫夫曼编码
 2         /// <summary>
 3 /// 赫夫曼编码
 4 /// </summary>
 5 /// <param name="huffman"></param>
 6 /// <param name="leafNum"></param>
 7 /// <param name="huffmanCode"></param>
 8         public string[] HuffmanCoding(HuffmanTree[] huffman, int leafNum)
 9         {
10             int current = 0;
11 
12             int parent = 0;
13 
14             string[] huffmanCode = new string[leafNum];
15 
16             //四个叶子节点的循环
17             for (int i = 0; i < leafNum; i++)
18             {
19                 //单个字符的编码串
20                 string codeTemp = string.Empty;
21 
22                 current = i;
23 
24                 //第一次获取最左节点
25                 parent = huffman[current].parent;
26 
27                 while (parent != 0)
28                 {
29                     //如果父节点的左子树等于当前节点就标记为0
30                     if (current == huffman[parent].left)
31                         codeTemp += "0";
32                     else
33                         codeTemp += "1";
34 
35                     current = parent;
36                     parent = huffman[parent].parent;
37                 }
38 
39                 huffmanCode[i] = new string(codeTemp.Reverse().ToArray());
40             }
41             return huffmanCode;
42         }
43         #endregion

4：模板生成好了，我们就要对指定的测试数据进行压缩处理

 1 #region 对指定字符进行压缩
 2         /// <summary>
 3 /// 对指定字符进行压缩
 4 /// </summary>
 5 /// <param name="huffmanCode"></param>
 6 /// <param name="alphabet"></param>
 7 /// <param name="test"></param>
 8         public string Encode(string[] huffmanCode, string[] alphabet, string test)
 9         {
10             //返回的0,1代码
11             string encodeStr = string.Empty;
12 
13             //对每个字符进行编码
14             for (int i = 0; i < test.Length; i++)
15             {
16                 //在模版里面查找
17                 for (int j = 0; j < alphabet.Length; j++)
18                 {
19                     if (test[i].ToString() == alphabet[j])
20                     {
21                         encodeStr += huffmanCode[j];
22                     }
23                 }
24             }
25 
26             return encodeStr;
27         }
28         #endregion

5：最后也就是对压缩的数据进行还原操作。

 1 #region 对指定的二进制进行解压
 2         /// <summary>
 3 /// 对指定的二进制进行解压
 4 /// </summary>
 5 /// <param name="huffman"></param>
 6 /// <param name="leafNum"></param>
 7 /// <param name="alphabet"></param>
 8 /// <param name="test"></param>
 9 /// <returns></returns>
10         public string Decode(HuffmanTree[] huffman, int huffmanNodes, string[] alphabet, string test)
11         {
12             string decodeStr = string.Empty;
13 
14             //所有要解码的字符
15             for (int i = 0; i < test.Length; )
16             {
17                 int j = 0;
18                 //赫夫曼树结构模板(用于循环的解码单个字符)
19                 for (j = huffmanNodes - 1; (huffman[j].left != 0 || huffman[j].right != 0); )
20                 {
21                     if (test[i].ToString() == "0")
22                     {
23                         j = huffman[j].left;
24                     }
25                     if (test[i].ToString() == "1")
26                     {
27                         j = huffman[j].right;
28                     }
29                     i++;
30                 }
31                 decodeStr += alphabet[j];
32             }
33             return decodeStr;
34         }
35 
36         #endregion

最后上一下总的运行代码

View Code

  1 using System;
  2 using System.Collections.Generic;
  3 using System.Linq;
  4 using System.Text;
  5 
  6 namespace HuffmanTree
  7 {
  8     class Program
  9     {
 10         static void Main(string[] args)
 11         {
 12             //有四个叶节点
 13             int leafNum = 4;
 14 
 15             //赫夫曼树中的节点总数
 16             int huffmanNodes = 2 * leafNum - 1;
 17 
 18             //各节点的权值
 19             int[] weight = { 5, 7, 2, 13 };
 20 
 21             string[] alphabet = { "A", "B", "C", "D" };
 22 
 23             string testCode = "DBDBDABDCDADBDADBDADACDBDBD";
 24 
 25             //赫夫曼树用数组来保存，每个赫夫曼都作为一个实体存在
 26             HuffmanTree[] huffman = new HuffmanTree[huffmanNodes].Select(i => new HuffmanTree() { }).ToArray();
 27 
 28             HuffmanTreeManager manager = new HuffmanTreeManager();
 29 
 30             manager.CreateTree(huffman, leafNum, weight);
 31 
 32             string[] huffmanCode = manager.HuffmanCoding(huffman, leafNum);
 33 
 34             for (int i = 0; i < leafNum; i++)
 35             {
 36                 Console.WriteLine("字符：{0}，权重:{1},编码为:{2}", alphabet[i], huffman[i].weight, huffmanCode[i]);
 37             }
 38 
 39             Console.WriteLine("原始的字符串为：" + testCode);
 40 
 41             string encode = manager.Encode(huffmanCode, alphabet, testCode);
 42 
 43             Console.WriteLine("被编码的字符串为：" + encode);
 44 
 45             string decode = manager.Decode(huffman, huffmanNodes, alphabet, encode);
 46 
 47             Console.WriteLine("解码后的字符串为：" + decode);
 48         }
 49     }
 50 
 51     #region 赫夫曼树结构
 52     /// <summary>
 53 /// 赫夫曼树结构
 54 /// </summary>
 55     public class HuffmanTree
 56     {
 57         public int weight { get; set; }
 58 
 59         public int parent { get; set; }
 60 
 61         public int left { get; set; }
 62 
 63         public int right { get; set; }
 64     }
 65     #endregion
 66 
 67     /// <summary>
 68 /// 赫夫曼树的操作类
 69 /// </summary>
 70     public class HuffmanTreeManager
 71     {
 72         #region 赫夫曼树的创建
 73         /// <summary>
 74 /// 赫夫曼树的创建
 75 /// </summary>
 76 /// <param name="huffman">赫夫曼树</param>
 77 /// <param name="leafNum">叶子节点</param>
 78 /// <param name="weight">节点权重</param>
 79         public HuffmanTree[] CreateTree(HuffmanTree[] huffman, int leafNum, int[] weight)
 80         {
 81             //赫夫曼树的节点总数
 82             int huffmanNode = 2 * leafNum - 1;
 83 
 84             //初始化节点，赋予叶子节点值
 85             for (int i = 0; i < huffmanNode; i++)
 86             {
 87                 if (i < leafNum)
 88                 {
 89                     huffman[i].weight = weight[i];
 90                 }
 91             }
 92 
 93             //这里面也要注意，4个节点，其实只要3步就可以构造赫夫曼树
 94             for (int i = leafNum; i < huffmanNode; i++)
 95             {
 96                 int minIndex1;
 97                 int minIndex2;
 98                 SelectNode(huffman, i, out minIndex1, out minIndex2);
 99 
100                 //最后得出minIndex1和minindex2中实体的weight最小
101                 huffman[minIndex1].parent = i;
102                 huffman[minIndex2].parent = i;
103 
104                 huffman[i].left = minIndex1;
105                 huffman[i].right = minIndex2;
106 
107                 huffman[i].weight = huffman[minIndex1].weight + huffman[minIndex2].weight;
108             }
109 
110             return huffman;
111         }
112         #endregion
113 
114         #region 选出叶子节点中最小的二个节点
115         /// <summary>
116 /// 选出叶子节点中最小的二个节点
117 /// </summary>
118 /// <param name="huffman"></param>
119 /// <param name="searchNodes">要查找的结点数</param>
120 /// <param name="minIndex1"></param>
121 /// <param name="minIndex2"></param>
122         public void SelectNode(HuffmanTree[] huffman, int searchNodes, out int minIndex1, out int minIndex2)
123         {
124             HuffmanTree minNode1 = null;
125 
126             HuffmanTree minNode2 = null;
127 
128             //最小节点在赫夫曼树中的下标
129             minIndex1 = minIndex2 = 0;
130 
131             //查找范围
132             for (int i = 0; i < searchNodes; i++)
133             {
134                 ///只有独根树才能进入查找范围
135                 if (huffman[i].parent == 0)
136                 {
137                     //如果为null，则认为当前实体为最小
138                     if (minNode1 == null)
139                     {
140                         minIndex1 = i;
141 
142                         minNode1 = huffman[i];
143 
144                         continue;
145                     }
146 
147                     //如果为null，则认为当前实体为最小
148                     if (minNode2 == null)
149                     {
150                         minIndex2 = i;
151 
152                         minNode2 = huffman[i];
153 
154                         //交换一个位置，保证minIndex1为最小，为后面判断做准备
155                         if (minNode1.weight > minNode2.weight)
156                         {
157                             //节点交换
158                             var temp = minNode1;
159                             minNode1 = minNode2;
160                             minNode2 = temp;
161 
162                             //下标交换
163                             var tempIndex = minIndex1;
164                             minIndex1 = minIndex2;
165                             minIndex2 = tempIndex;
166 
167                             continue;
168                         }
169                     }
170                     if (minNode1 != null && minNode2 != null)
171                     {
172                         if (huffman[i].weight <= minNode1.weight)
173                         {
174                             //将min1临时转存给min2
175                             minNode2 = minNode1;
176                             minNode1 = huffman[i];
177 
178                             //记录在数组中的下标
179                             minIndex2 = minIndex1;
180                             minIndex1 = i;
181                         }
182                         else
183                         {
184                             if (huffman[i].weight < minNode2.weight)
185                             {
186                                 minNode2 = huffman[i];
187 
188                                 minIndex2 = i;
189                             }
190                         }
191                     }
192                 }
193             }
194         }
195         #endregion
196 
197         #region 赫夫曼编码
198         /// <summary>
199 /// 赫夫曼编码
200 /// </summary>
201 /// <param name="huffman"></param>
202 /// <param name="leafNum"></param>
203 /// <param name="huffmanCode"></param>
204         public string[] HuffmanCoding(HuffmanTree[] huffman, int leafNum)
205         {
206             int current = 0;
207 
208             int parent = 0;
209 
210             string[] huffmanCode = new string[leafNum];
211 
212             //四个叶子节点的循环
213             for (int i = 0; i < leafNum; i++)
214             {
215                 //单个字符的编码串
216                 string codeTemp = string.Empty;
217 
218                 current = i;
219 
220                 //第一次获取最左节点
221                 parent = huffman[current].parent;
222 
223                 while (parent != 0)
224                 {
225                     //如果父节点的左子树等于当前节点就标记为0
226                     if (current == huffman[parent].left)
227                         codeTemp += "0";
228                     else
229                         codeTemp += "1";
230 
231                     current = parent;
232                     parent = huffman[parent].parent;
233                 }
234 
235                 huffmanCode[i] = new string(codeTemp.Reverse().ToArray());
236             }
237             return huffmanCode;
238         }
239         #endregion
240 
241         #region 对指定字符进行压缩
242         /// <summary>
243 /// 对指定字符进行压缩
244 /// </summary>
245 /// <param name="huffmanCode"></param>
246 /// <param name="alphabet"></param>
247 /// <param name="test"></param>
248         public string Encode(string[] huffmanCode, string[] alphabet, string test)
249         {
250             //返回的0,1代码
251             string encodeStr = string.Empty;
252 
253             //对每个字符进行编码
254             for (int i = 0; i < test.Length; i++)
255             {
256                 //在模版里面查找
257                 for (int j = 0; j < alphabet.Length; j++)
258                 {
259                     if (test[i].ToString() == alphabet[j])
260                     {
261                         encodeStr += huffmanCode[j];
262                     }
263                 }
264             }
265 
266             return encodeStr;
267         }
268         #endregion
269 
270         #region 对指定的二进制进行解压
271         /// <summary>
272 /// 对指定的二进制进行解压
273 /// </summary>
274 /// <param name="huffman"></param>
275 /// <param name="leafNum"></param>
276 /// <param name="alphabet"></param>
277 /// <param name="test"></param>
278 /// <returns></returns>
279         public string Decode(HuffmanTree[] huffman, int huffmanNodes, string[] alphabet, string test)
280         {
281             string decodeStr = string.Empty;
282 
283             //所有要解码的字符
284             for (int i = 0; i < test.Length; )
285             {
286                 int j = 0;
287                 //赫夫曼树结构模板(用于循环的解码单个字符)
288                 for (j = huffmanNodes - 1; (huffman[j].left != 0 || huffman[j].right != 0); )
289                 {
290                     if (test[i].ToString() == "0")
291                     {
292                         j = huffman[j].left;
293                     }
294                     if (test[i].ToString() == "1")
295                     {
296                         j = huffman[j].right;
297                     }
298                     i++;
299                 }
300                 decodeStr += alphabet[j];
301             }
302             return decodeStr;
303         }
304 
305         #endregion
306     }
307 }

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