哈夫曼编码器

整理了一下最近做的数据结构上机实习题：

【问题描述】 利用哈夫曼编码进行信息通讯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/译码 系统。试为这样的信息收发站写一个哈夫曼码的编译码系统。

【基本要求】 一个完整的系统应具有以下功能： （1）I：初始化（Initialization）。从终端读入字符集大小n，及n个 字符和n个权值，建立哈夫曼树，并将它存于文件hfmtree中。 （2）C：编码（Coding ）。利用已建好的哈夫曼树（如不在内存， 则从文件hfmtree中读入），对文件tobetrans中的正文进行编码，然后 将结果存入文件codefile中。 （3）D：译码（Decoding）。利用已建好的哈夫曼树将文件codefile 中的代码进行译码，结果存入文件textfile中。

（4）P：印代码文件（Print）。将文件codefile以紧凑格式显示在终端 上，每行50个代码。同时将此字符形式的编码文件写入文件codeprint中。 （5）T：印哈夫曼树（Tree printing）。将已在内存中的哈夫曼树以 直观的方式（树或凹入表形式）显示在终端上，同时将此字符形式的哈夫 曼树写入文件treeprint中。

【测试数据】 （1）已知某系统在通信联络中只可能出现八种字符，其频率分别为 0.05，0.29，0.07，0.08，0.14，0.23，0.03，0.11，试设计哈夫曼编码。 （2）实现以下报文的编码和译码：“THIS PROGRAM IS MY FAVORITE”。

【实现提示】 （1）用户界面可以设计为“菜单”方式：显示上述功能符号，再加上 “E”，表示结束运行End，请用户键入一个选择功能符。此功能执行完毕 后再显示此菜单，直至某次用户选择了“E”为止。 （2）程序的一次执行过程中，第一次执行I、D或C命令之后，哈夫曼 树已经在内存了，不必再读入。每次执行中不一定执行I命令，因为文件 hfmtree可能早已建好。

haffman.h

typedef struct {
    char data;
    int weight ;
    int flag;
    int parent ;
    int leftChild ;
    int rightChild ;
}HaffNode ;

typedef struct {
    char bit[MaxNode];
    int start ;
    int weight ;
    char data ;
}Code ;

void Haffman(int weight[],char str[],int n,HaffNode haffTree[])
{
    int i,j,m1,m2,x1,x2 ;
    for(i=0;i<2*n-1;i++){
        if(i<n) {
            haffTree[i].weight=weight[i];
            haffTree[i].data=str[i];
        }else {
            haffTree[i].weight=0;
            haffTree[i].data='0';
        }
        haffTree[i].parent=-1;
        haffTree[i].flag=0;
        haffTree[i].leftChild=-1;
        haffTree[i].rightChild=-1;
    }
    for(i=0;i<n-1;i++){
        m1=m2=MaxValue ;
        x1=x2=0;
        for(j=0;j<n+i;j++){
            if(haffTree[j].weight<m1&&haffTree[j].flag==0){
                m2=m1;
                x2=x1;
                m1=haffTree[j].weight;
                x1=j;
            }else if(haffTree[j].weight<m2&&haffTree[j].flag==0)
            {
                m2=haffTree[j].weight;
                x2=j ;
            }
        }
        haffTree[x1].parent=n+i;
        haffTree[x2].parent=n+i;
        haffTree[x1].flag=haffTree[x2].flag=1;
        haffTree[n+i].weight=haffTree[x1].weight+haffTree[x2].weight;
        haffTree[n+i].leftChild=x1;
        haffTree[n+i].rightChild=x2;
    }
}

void HaffmanCode(HaffNode haffTree[],int n,Code haffCode[])
{
    Code *cd=(Code *)malloc(sizeof(Code));
    int i,j,child,parent ;
    for(i=0;i<n;i++){
        cd->start=n-1;
        cd->weight=haffTree[i].weight;
        cd->data=haffTree[i].data ;
        child=i;
        parent=haffTree[child].parent ;
        while(parent!=-1){
            if(haffTree[parent].leftChild==child)
                cd->bit[cd->start]='0';
            else 
                cd->bit[cd->start]='1';

            cd->start--;
            child=parent ;
            parent=haffTree[child].parent;
        }
        for(j=cd->start+1;j<n;j++)
            haffCode[i].bit[j]=cd->bit[j];
        haffCode[i].bit[j]='\0';
        haffCode[i].start=cd->start+1;
        haffCode[i].weight=cd->weight;
        haffCode[i].data=cd->data;
    }
}

#include<iostream>
#include<iomanip>
#include<cstdio>
#include<cstdlib>
#include<cstring>
#include<string>
#include<fstream>
#define MaxValue 32767
#define MaxNode 10000
#include"Haffman.h"
using namespace std ;

ifstream input_file ;
ofstream output_file ;
int n,m=0;
HaffNode *myHaffTree=(HaffNode *)malloc(sizeof(HaffNode)*(2*MaxNode-1));
Code *myHaffCode=(Code *)malloc(sizeof(Code)*MaxNode);

void Initialization(){
    char str[MaxNode];
    int weight[MaxNode];
    cout<<"请输入字符个数："<<endl;
    cin>>n;
    for(int i=0;i<n;i++){
        cout<<"请输入第"<<i+1<<"个字符以及相应的权值"<<endl;
        cin>>str[i]>>weight[i];
    }

    Haffman(weight,str,n,myHaffTree);
    HaffmanCode(myHaffTree,n,myHaffCode);

    for(int i=0;i<n;i++){
        cout<<myHaffCode[i].data<<": ";
        for(int j=myHaffCode[i].start;j<n;j++){
            cout<<myHaffCode[i].bit[j];
        }
        cout<<endl;
    }

    output_file.open("hfmTree.txt");
    if(!output_file){
        cout<<"can't open file !"<<endl;
        return ;
    }
    for(int i=0;i<n;i++){
        output_file<<"("<<myHaffTree[i].data<<myHaffTree[i].weight<<")"<<endl;
    }
    output_file.close();
    cout<<"哈夫曼树已创建完成，并且已放入hfmTree.txt中."<<endl;
    cout<<endl<<endl;
}

void Coding(){
    cout<<"请输入字符或字符串："<<endl;
    string str ;
    string code ;
    cin>>str;
    output_file.open("tobetran.txt");
    if(!output_file){
        cout<<"can't open file !"<<endl;
        return ;
    }
    output_file<<str;
    output_file.close();
    output_file.open("codefile.txt");
    if(!output_file){
        cout<<"can't open file !"<<endl;
        return ;
    }
    for(int i=0;i<str.size();i++){
        for(int j=0;j<n;j++){
        if(myHaffTree[j].data==str[i]){
            for(int k=myHaffCode[j].start;k<n;k++){
                output_file<<myHaffCode[j].bit[k];
            }
            break;
            }
        }
    }
    output_file.close();
    cout<<"编码完毕，并且已经存入codefile.txt中！"<<endl;
    input_file.open("codefile.txt");
    if(!input_file){
        cout<<"can't open file !"<<endl;
        return ;
    }
    input_file>>code;
    cout<<"编码码值为："<<endl;
    cout<<code<<endl;
    input_file.close();
    cout<<endl<<endl;
}


void Decoding(){
    char s[MaxNode],s1[MaxNode];
    int i,j,k,l,p;
    input_file.open("codefile.txt");
    if(!input_file){
        cout<<"can't open file !"<<endl;
        return ;
    }
    input_file>>s;
    input_file.close();
    output_file.open("textfile.txt");
    if(!output_file){
        cout<<"can't open file !"<<endl;
        return ;
    }
    k=0;
    while(s[k]!='\0'){
        for( i=0;i<n;i++){
            l=k;
            for( j=0;j<strlen(myHaffCode[i].bit)-myHaffCode[i].start;j++,l++){
                s1[j]=s[l];
            }
            s1[j]='\0';
            for(p=myHaffCode[i].start,j=0;p<n;p++,j++)
                if(myHaffCode[i].bit[p]!=s1[j]) break;
            if(p==n){
                output_file<<myHaffTree[i].data;
                k+=strlen(myHaffCode[i].bit)-myHaffCode[i].start;
                break;
            }
        }
    }
    output_file.close();
    input_file.open("textfile.txt");
    if(!input_file){
        cout<<"can't open file !"<<endl;
        return ;
    }
    input_file>>s;
    cout<<s<<endl;
    input_file.close();
    cout<<"译码结束，字符已经存入textfile.txt文件中!"<<endl;
    cout<<endl<<endl;
}

void Print(){
    char s[MaxNode],s1[MaxNode];
    int i,j,k,l,p;
    input_file.open("codefile.txt");
    if(!input_file){
        cout<<"can't open file !"<<endl;
        return ;
    }
    input_file>>s;
    int icount=0;
    for(int i=1;i<strlen(s)+1;i++){
        cout<<s[i-1];
        if(i%50==0) cout<<endl;
    }
    cout<<endl;
    input_file.close();
    output_file.open("codeprint.txt");
    k=0;
    while(s[k]!='\0'){
        for( i=0;i<n;i++){
            l=k;
            for( j=0;j<strlen(myHaffCode[i].bit)-myHaffCode[i].start;j++,l++){
                s1[j]=s[l];
            }
            s1[j]='\0';
            for(p=myHaffCode[i].start,j=0;p<n;p++,j++)
                if(myHaffCode[i].bit[p]!=s1[j]) break;
            if(p==n){
                output_file<<myHaffTree[i].data;
                k+=strlen(myHaffCode[i].bit)-myHaffCode[i].start;
                break;
            }
        }
    }
    output_file.close();
    cout<<"字符形式的编码文件写入文件codeprint中！"<<endl;
    cout<<endl<<endl;
}

void TreePrinting(HaffNode *myHaffTree1,HaffNode *myHaffTree2,int m){
    if(myHaffTree1!=myHaffTree2-1)
    {
        if(m)output_file.close();
        output_file.open("treeprint.txt");
        if(!output_file){
            cout<<"can't  open file !"<<endl;
            return ;
        }
        TreePrinting(myHaffTree2+myHaffTree1->rightChild,myHaffTree2,m+1);
        cout<<setw(4*m)<<myHaffTree1->weight<<endl;
        output_file<<myHaffTree1->weight<<endl;
        TreePrinting(myHaffTree2+myHaffTree1->leftChild,myHaffTree2,m+1);
        output_file.close();
    }
}


int main(){
    char ch ;
    while(1){
        cout<<"          *******************哈夫曼编/译码器****************"<<endl;
        cout<<"              I---Initialization"<<"         C---Coding"<<endl;
        cout<<"              D---Decoding"<<"               P---Print"<<endl;
        cout<<"          T---Tree  printing"<<"         E---Exit"<<endl;
        cout<<"              ------------------------------------------"<<endl;
        cout<<"please select a function key:"<<endl;
        cin>>ch;
        if(ch=='I')
            Initialization();
        else if(ch=='C')
            Coding();
        else if(ch=='D')
            Decoding();
        else if(ch=='P')
            Print();
        else if(ch=='T'){
            TreePrinting(myHaffTree+2*n-2,myHaffTree,0);
            cout<<"此字符形式的哈夫曼树已写入文件treeprint中"<<endl;
            cout<<endl<<endl;
        }
        else if(ch=='E')
            break;
        else 
            cout<<"The key is not exsit, please select again !"<<endl;
    }
    return 0;
}