哈夫曼编码

修改一位叫刘伟高的程序

 1//        程序名：HuffmanTree.h
 2//      程序功能：哈夫曼树类的头文件(并用其来实现编/译码)
 3
 4//对应类实现文件: HuffmanTree.cpp
 5//对应主程序文件: main.cpp
 6
 7 
 8
 9#include<iostream>
10#include<fstream>
11#include<string>
12using namespace std;
13struct HuffmanNode        //定义哈夫曼树各结点
14{
15 int weight;        //存放结点的权值，假设只考虑处理权值为整数的情况
16 int parent;        //记录结点父亲位置，-1表示为根结点，否则表示为非根结点
17 int lchild,rchild;   //分别存放该结点的左、右孩子的所在单元的编号
18};
19class HuffmanTree     //建立哈夫曼树类
20{
21private:
22 HuffmanNode *Node;      //哈夫曼树中结点的存储结构
23 char *Info;           //用来保存各字符信息
24 int LeafNum;          //树中的叶子结点总数
25public:
26 HuffmanTree();     //构造函数
27 ~HuffmanTree();    //析构函数
28 void Initialization(int WeightNum);   //初始化函数：根据WeightNum个权值建立一棵哈夫曼树
29 void Encoder();           //编码函数：利用构造好的哈夫曼树对字符进行编码
30 void Decoder();          //译码函数：对二进制串进行译码
31 void Print();            //印文件函数：把已保存好的编码文件显示在屏幕
32 void TreePrinting();     //印哈夫曼树函数：将已在内存中的哈夫曼树以直观的方式显示在终端上
33};

  1#include"HuffmanTree.h"
  2#include<string>
  3using namespace std;
  4
  5/**///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
  6//  构造函数
  7//  函数功能：将结点指针初始化为NULL
  8//  函数参数：无
  9//  参数返回值：无
 10HuffmanTree::HuffmanTree()
 11{
 12 Node=NULL;          //将树结点初始化为空 
 13 Info=NULL;          //将字符数组初始化为空
 14 LeafNum=0;          //将叶子数初始化为0
 15}
 16/**///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 17// 析构函数
 18// 函数功能：将所有结点的空间释放
 19// 函数参数：无
 20// 参数返回值：无
 21HuffmanTree::~HuffmanTree()
 22{
 23 delete[] Node;         //释放结点空间
 24 delete[] Info;         //释放字符存储空间
 25}
 26/**///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 27//  初始化函数
 28//  函数功能：从终端读入字符集大小n，以及n个字符和n个权值,
 29//            建立哈夫曼树,并将它存放在文件hfmTree中.
 30//  函数参数：int WeightNum表示代码个数
 31//  参数返回值：无 
 32void HuffmanTree::Initialization(int WeightNum)        //初始化
 33{
 34 int i,j,pos1,pos2,max1,max2;     //
 35 
 36 Node=new HuffmanNode[2*WeightNum-1];  //WeightNum权值对应的哈夫曼树中的结点总数为2*WeightNum-1个
 37 //Info=new char[2*WeightNum-1];
 38 Info=new char[WeightNum];
 39 for(i=0;i<WeightNum;i++)
 40 {
 41  cout<<"请输入第"<<i+1<<"个字符值";
 42  getchar();           //丢弃字符'\t'与'\n'
 43  Info[i]=getchar();   //输入一个字符,主要是考虑输入空格而采用这种形式的
 44  //cin>>Info[i];
 45  getchar();
 46  cout<<"请输入该字符的权值或频度";
 47  cin>>Node[i].weight;       //输入权值
 48  Node[i].parent=-1;      //为根结点
 49  Node[i].lchild=-1;      //无左孩子
 50  Node[i].rchild=-1;      //无右孩子
 51 }
 52 
 53 for(i=WeightNum;i<2*WeightNum-1;i++) //表示需做WeightNum-1次合并
 54 {
 55  pos1=-1;
 56  pos2=-1;          //分别用来存放当前最小值和次小值的所在单元编号 
 57  max1=32767;      //32767为整型数的最大值 
 58  max2=32767;      //分别用来存放当前找到的最小值和次小值  
 59
 60  for(j=0;j<i;j++)      //在跟节点中选出权值最小的两个
 61   if(Node[j].parent==-1)         //是否为根结点
 62    if(Node[j].weight<max1)     //是否比最小值要小
 63    { 
 64     max2=max1;            //原最小值变为次小值
 65     max1=Node[j].weight;      //存放最小值
 66     pos2=pos1;            //修改次小值所在单元编号
 67     pos1=j;               //修改最小值所在单元编号
 68    }
 69    else
 70     if(Node[j].weight<max2)     //比原最小值大但比原次小值要小
 71     {
 72      max2=Node[j].weight;     //存放次小值
 73      pos2=j;                  //修改次小值所在的单元编号
 74     }
 75    //for
 76  Node[pos1].parent=i;       //修改父亲位置
 77  Node[pos2].parent=i;
 78  Node[i].lchild=pos1;       //修改儿子位置
 79  Node[i].rchild=pos2;
 80  Node[i].parent=-1;             //表示新结点应该是根结点
 81  Node[i].weight=Node[pos1].weight+Node[pos2].weight;
 82 } //for
 83 LeafNum=WeightNum;
 84 
 85 
 86 char ch;
 87 cout<<"是否要替换原来文件(Y/N):";
 88 cin>>ch;
 89 if(ch=='y'||ch=='Y')
 90 {
 91 ofstream fop;   //以二进制方式打开hfmTree.dat文件，并当重新运行时覆盖原文件
 92 fop.open("hfmTree.dat",ios::out|ios::binary|ios::trunc);
 93 if(fop.fail())                     //文件打开失败
 94  cout<<"文件打开失败！\n";
 95 fop.write((char*)&WeightNum,sizeof(WeightNum));  //写入WeightNum
 96 for(i=0;i<WeightNum;i++)         //把各字符信息写入文件
 97 {
 98  fop.write((char*)&Info[i],sizeof(Info[i]));
 99  flush(cout);
100 }
101 for(i=0;i<2*WeightNum-1;i++)        //把个节点内容写入文件
102 {
103  fop.write((char*)&Node[i],sizeof(Node[i]));
104  flush(cout);
105 }
106 fop.close();            //关闭文件
107 }
108 cout<<"哈夫曼树已构造完成。\n";
109}//Initialization
110
111/**///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
112//  编码函数
113//  函数功能：利用已建立好的哈夫曼树（如不在内存，则从文件hfmTree中读入），
114//            对文件ToBeTran中的正文进行编码,然后将结果代码存(传输)到文件CodeFile中.
115//  函数参数：无
116//  参数返回值：无
117void HuffmanTree::Encoder()
118{
119 if(Node==NULL)       //哈夫曼树不在内存，从文件hfmTree中读入
120 {
121  ifstream fip;        //以二进制方式打开hfmTree.dat文件
122  fip.open("hfmTree.dat",ios::binary|ios::in);
123  if(fip.fail())       //文件打开失败
124  {
125   cout<<"文件打开失败！\n";
126   return;          //结束本函数
127  }
128  fip.read((char*)&LeafNum,sizeof(LeafNum));  //读取叶子数
129  Info=new char[LeafNum]; 
130  Node=new HuffmanNode[2*LeafNum-1];
131  for(int i=0;i<LeafNum;i++)              //读取字符信息
132   fip.read((char*)&Info[i],sizeof(Info[i]));
133  for(i=0;i<2*LeafNum-1;i++)              //读取结点信息
134   fip.read((char*)&Node[i],sizeof(Node[i]));
135 }
136 
137 char *Tree;          //用于存储需编码内容
138 int i=0,num;
139 char Choose;         //让用户选择读取文件或重新输入需编码内容
140 cout<<"你要从文件中读取内容(1)，还是重新输入(2):";
141 cin>>Choose;
142 if(Choose=='1')          //读取文件ToBeTran.txt
143 {
144  ifstream fip1("ToBeTran.txt");
145  if(fip1.fail())      //文件不存在
146  {
147   cout<<"文件打开失败!\n";
148   return;          //结束本函数
149  }
150  char ch;
151  int k=0;
152  while(fip1.get(ch))            
153  {
154   k++;                     //计算CodeFile中代码长度
155  } 
156  fip1.close();  
157 
158  Tree=new char[k+1];
159  ifstream fip2("ToBeTran.txt");
160
161  k=0; 
162  while(fip2.get(ch))
163  {
164   Tree[k]=ch;           //读取文件内容，并存到Tree中
165   k++;
166  }
167  fip2.close();
168  Tree[k]='\0';          //结束标志
169  cout<<"需编码内容为:";
170  cout<<Tree<<endl;
171 }//if(Choose=='1')
172
173 else           //Choose!='1',重新输入
174 {
175  string tree;         //用于输入需编码内容，由于string类对象可以输入任意长度，
176                     //所以先利用这个对象输入，再转存在Tree中
177  
178  cin.ignore();
179  cout<<"请输入需要编码的内容(可输入任意长，结束时请按2下回车):\n";
180  getline(cin,tree,'\n');         //输入任意长字符串，
181         //getline以回车('\n')作为结束符，第一次按回车表示字符串结束，第二次按回车才开始输出。
182  while(tree[i]!='\0')
183   i++;
184  num=i;             //计算tree长度
185  i=0;
186  Tree=new char[num+1];
187  while(tree[i]!='\0')       //将tree中的字符转存到Tree中
188  {
189   Tree[i]=tree[i];
190   i++;
191  }
192     Tree[i]='\0';          //结束标志符
193 }
194 
195 ofstream fop("CodeFile.dat",ios::trunc);      //存储编码后的代码,并覆盖原文件
196 i=0;
197 int k=0;
198 char *code;
199 code=new char[LeafNum];        //为所产生编码分配容量为LeafNum的存储空间
200                               //因为不等长编码中最长的编码一定不会超过要求编码的字符个数
201 while(Tree[k]!='\0')              //对每一个字符编码
202 {
203  int j,start=0;
204  for(i=0;i<LeafNum;i++)
205   if(Info[i]==Tree[k])            //求出该文字所在单元的编号
206    break; 
207   j=i;
208  while(Node[j].parent!=-1)        //结点j非树根
209  {
210   j=Node[j].parent;             //非结点j的双亲结点
211   if(Node[j].lchild==i)           //是左子树，则生成代码0
212    code[start++]='0';
213   else                       //是右子树，则生成代码1
214    code[start++]='1';\
215   i=j;
216  }
217  code[start]='\0';             //置串结束符
218
219  
220  for(i=0;i<start/2;i++)           //对二进制序列进行逆置
221  {
222   j=code[i];
223   code[i]=code[start-i-1];
224   code[start-i-1]=j;
225  }
226        i=0;
227  while(code[i]!='\0')        //存储代码
228  {
229   fop<<code[i];
230   i++;
231  }
232  k++;
233 }
234 fop.close();
235 cout<<"已编码！且存到文件CodeFile.dat中！\n\n";
236}  //Encode
237
238/**///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
239//  译码函数
240//  函数功能：利用已建好的哈夫曼树,对传输到达的CodeFile中的数据代码进行译码,
241//            将译码结果存入文件TextFile中.
242//  函数参数：无
243//  参数返回值：无
244void HuffmanTree::Decoder()
245{
246 int i=0,k=0;
247 int j=LeafNum*2-1-1;      //表示从根结点开始往下搜索
248 char* BitStr;
249 
250 ifstream fip1("CodeFile.dat");          //利用已建好的哈夫曼树将文件CodeFile中的代码进行译码
251 if(fip1.fail())         //文件打开失败，还未编码
252 {
253  cout<<        "请先编码！\n";
254  return;
255 }
256 cout<<"经译码,原内容为:";
257 char ch;
258 while(fip1.get(ch))            
259 {
260  k++;                     //计算CodeFile中代码长度
261 }
262 fip1.close();  
263 
264 BitStr=new char[k+1];
265 ifstream fip2("CodeFile.dat");
266 k=0;
267 while(fip2.get(ch))
268 {
269  BitStr[k]=ch;          //读取文件内容
270  k++;
271 }
272 fip2.close();                
273 BitStr[k]='\0';         //结束标志符
274 if(Node==NULL)         //还未建哈夫曼树
275 {
276  cout<<"请先编码!\n";
277  return;
278 }
279 ofstream fop("TextFile.dat");         //将字符形式的编码文件写入文件CodePrin中
280 while(BitStr[i]!='\0')
281 {
282  if(BitStr[i]=='0')
283   j=Node[j].lchild;          //往左走
284  else
285   j=Node[j].rchild;         //往右走
286  if(Node[j].rchild==-1)   //到达叶子结点
287  {
288   cout<<Info[j];         //输出叶子结点对应的字符
289   j=LeafNum*2-1-1;             //表示重新从根结点开始往下搜索
290   fop<<Info[j];               //存入文件
291  }//if、
292  i++;
293 }//while
294 fop.close();
295 
296 cout<<"\n译码成功且已存到文件TextFile.dat中！\n\n";
297}//Decoder
298/**///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
299//  印文件代码函数
300//  函数功能：将文件CodeFile以紧凑格式显示在终端上，
301//            每行50个代码。同时将此字符形式的编码文件写入文件CodePrin中。
302//  函数参数：无
303//  参数返回值：无
304void HuffmanTree::Print()
305{
306 char ch;
307 int i=1;
308 ifstream fip("CodeFile.dat");           //读取文件
309 ofstream fop("CodePrin.dat");           //存储文件
310 if(fip.fail())
311 {
312  cout<<"没有文件，请先编码！\n";
313
314  return;
315 }
316 while(fip.get(ch))
317 {
318  cout<<ch;            //读取文件内容
319  fop<<ch;              //存到文件中
320  if(i==50)        //每行输出50个字符
321  {
322   cout<<endl;
323   i=0;
324  }
325  i++;
326 }
327 cout<<endl;
328 fip.close();          //关闭CodeFile.dat文件
329 fop.close();            //关闭CodePrin.dat文件
330}
331/**///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
332//  印哈夫曼树函数
333//  函数功能：将已在内存中的哈夫曼树以直观的方式(树或凹入表的形式)显示在终端上，
334//            同时将此字符形式的哈夫曼树写入文件TreePrint中。
335//  函数参数：无
336//  参数返回值：无
337void HuffmanTree::TreePrinting()
338{
339 if(Node==NULL)         //未建立哈夫曼树
340 {
341  cout<<"请先建立哈夫曼树！\n";
342  return;
343 }
344 int i;
345 int j=0,k=LeafNum-1;
346 string *HC;
347 HC=new string[LeafNum];            //定义存储Huffman编码字符串数组
348 for (i=0;i<LeafNum;i++)
349 {
350     char *temp=new char[100];        //实验目的，本处没有求二叉树的深度，而采用固定长度的数组存储Huffman中间编码
351     int k=100;
352     int m=i;
353L1:if (Node[m].parent!=-1)            //自定义跳转标签
354     {
355         if (Node[Node[m].parent].lchild==m)
356         {
357             temp[--k]='1';
358         }
359         else
360         {
361             temp[--k]='0';
362         }
363         m=Node[m].parent;
364         goto L1;                    //跳转到指定的标签L1
365     }
366     else
367     {
368         int n;
369         for (n=k;n<100;n++)
370         {
371             HC[i]=HC[i]+temp[n];
372         }
373     }
374     cout<<i+1<<"号字符的编码为："<<HC[i]<<"\n";    //输出Huffman编码
375 }
376}
377

 1//        程序名：main.cpp
 2//      程序功能：主函数源文件
 3
 4#include"HuffmanTree.h"
 5#include<string.h>
 6#include<stdlib.h>
 7
 8/**///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 9//  主函数
10//参数返回值：无
11
12int main()
13{
14
15 cout<<"(I) 初始化;\n";
16 cout<<"(E) 编码;\n";
17 cout<<"(D) 译码;\n";
18 cout<<"(P) 印代码文件;\n";
19 cout<<"(T) 印哈夫曼树\n";
20 cout<<"(Q) 退出\n\n";
21 HuffmanTree huftree;         //定义哈夫曼树对象
22 int weight;
23 char Choose;
24 while(1)
25 {
26  cout<<"请从清单中选择一个操作(不区分大小写):";
27  cin>>Choose;
28  switch(Choose)
29  {
30  case 'I':
31  case 'i':
32   cout<<"请输入编码长度：";
33   cin>>weight;
34   huftree.Initialization(weight);      //初始化哈夫曼树
35   break;
36  case 'E':
37  case 'e':
38   huftree.Encoder();
39   break;
40  case 'D':
41  case 'd':
42   huftree.Decoder();
43   break;
44  case 'P':
45  case 'p':
46   huftree.Print();
47   break;
48  case 'T':
49  case 't':
50   huftree.TreePrinting();
51   break;
52  case 'Q':
53  case 'q':
54   cout<<"\n        ***********感谢使用本系统!***********\n\n";
55  system("pause");    //暂停运行
56   return 0;
57  }
58 cout<<"(I) 初始化;\n";
59 cout<<"(E) 编码;\n";
60 cout<<"(D) 译码;\n";
61 cout<<"(P) 印代码文件;\n";
62 cout<<"(T) 印哈夫曼树\n";
63 cout<<"(Q) 退出\n\n";
64 }
65}
66