数据结构课程设计哈夫曼编码译码的设计与实现

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1、数据结构课程设计报告2015 数据结构 课程设计题目-哈夫曼编码/译码的设计与实现 班级：13软件设计2班 学号：1315925068姓名：耿浩琪指导教师： 目录目录1一、 需求分析2二、 设计要求2三、概要设计21、流程图22、设计包含的几个部分4四、详细设计2五、显示结果9.六、心得体会10七、参考文献11哈夫曼编码译码一、 需求分析在当今信息爆炸时代，如何采用有效的数据压缩技术节省数据文件的存储空间和计算机网络的传送时间已越来越引起人们的重视，赫夫曼编码正是一种应用广泛且非常有效的数据压缩技术。哈夫曼编码是一种编码方式，以哈夫曼树即最优二叉树，带权路径长度最小的二叉树，经常应用于数据压缩

2、。哈弗曼编码使用一张特殊的编码表将源字符（例如某文件中的一个符号）进行编码。这张编码表的特殊之处在于，它是根据每一个源字符出现的估算概率而建立起来的（出现概率高的字符使用较短的编码，反之出现概率低的则使用较长的编码，这便使编码之后的字符串的平均期望长度降低，从而达到无损压缩数据的目的）。赫夫曼编码的应用很广泛，利用赫夫曼树求得的用于通信的二进制编码称为赫夫曼编码。树中从根到每个叶子都有一条路径，对路径上的各分支约定：指向左子树的分支表示“0”码，指向右子树的分支表示“1”码，取每条路径上的“0”或“1”的序列作为和各个叶子对应的字符的编码，这就是赫夫曼编码。哈弗曼译码输入字符串可以把它编译成二

3、进制代码，输入二进制代码时可以编译成字符串。二、设计要求对输入的一串电文字符实现赫夫曼编码，再对赫夫曼编码生成的代码串进行译码，输出电文字符串。通常我们把数据压缩的过程称为编码，解压缩的过程称为解码。电报通信是传递文字的二进制码形式的字符串。但在信息传递时，总希望总长度能尽可能短，即采用最短码。假设每种字符在电文中出现的次数为Wi，编码长度为Li，电文中有n种字符，则电文编码总长度为WiLi。若将此对应到二叉树上，Wi为叶结点的权，Li为根结点到叶结点的路径长度。那么，WiLi恰好为二叉树上带权路径长度。因此 ，设计电文总长最短的二进制前缀编码，就是以n种字符出现的频率作权，构造一棵赫夫曼树，

4、此构造过程称为赫夫曼编码。设计实现的功能： (1) 赫夫曼树的建立； (2) 赫夫曼编码的生成； (3) 编码文件的译码。 三、 概要设计哈夫曼编译码器的主要功能是先建立哈夫曼树，然后利用建好的哈夫曼树生成哈夫曼编码后进行译码 。在数据通信中，经常需要将传送的文字转换成由二进制字符0、1组成的二进制串，称之为编码。构造一棵哈夫曼树，规定哈夫曼树中的左分之代表0，右分支代表1，则从根节点到每个叶子节点所经过的路径分支组成的0和1的序列便为该节点对应字符的编码，称之为哈夫曼编码。最简单的二进制编码方式是等长编码。若采用不等长编码，让出现频率高的字符具有较短的编码，让出现频率低的字符具有较长的编码，

5、这样可能缩短传送电文的总长度。哈夫曼树课用于构造使电文的编码总长最短的编码方案。（1）其主要流程图如图1-1所示。开始结点数是否大于1将data和权值赋给ht输出根结点和权值调用SELECT函数计算根结点函数父结点为两子结点之和输出两子结点和已构造的结点是否为根结点？左子是否为空？此时编码为0I2*N?I+编码为1结束否否否右子是否为空是是否否是是是（2）设计包含的几个方面： 赫夫曼树的建立赫夫曼树的建立由赫夫曼算法的定义可知，初始森林中共有n棵只含有根结点的二叉树。算法的第二步是：将当前森林中的两棵根结点权值最小的二叉树，合并成一棵新的二叉树；每合并一次，森林中就减少一棵树，产生一个新结点。

6、显然要进行n1次合并，所以共产生n1个新结点，它们都是具有两个孩子的分支结点。由此可知，最终求得的赫夫曼树中一共有2n1个结点，其中n个结点是初始森林的n个孤立结点。并且赫夫曼树中没有度数为1的分支结点。我们可以利用一个大小为2n-1的一维数组来存储赫夫曼树中的结点。 赫夫曼编码 要求电文的赫夫曼编码，必须先定义赫夫曼编码类型，根据设计要求和实际需要定义的类型如下： typedet struct char ch; / 存放编码的字符 char bitsN1; / 存放编码位串 int len; / 编码的长度 CodeNode; / 编码结构体类型 代码文件的译码 译码的基本思想是：读文件中编

7、码，并与原先生成的赫夫曼编码表比较，遇到相等时，即取出其对应的字符存入一个新串中。 四、 详细设计（1）赫夫曼树的存储结构描述为： #define N 50 / 叶子结点数 #define M 2*N-1 / 赫夫曼树中结点总数 typedef struct int weight; / 叶子结点的权值 int lchild, rchild, parent; / 左右孩子及双亲指针 HTNode; / 树中结点类型 typedef HTNode HuffmanTreeM+1; 哈弗曼树的算法void CreateHT(HTNode ht,int n) /调用输入的数组ht,和节点数n int i

8、,k,lnode,rnode; int min1,min2; for (i=0;i2*n-1;i+) hti.parent=hti.lchild=hti.rchild=-1; /所有结点的相关域置初值-1 for (i=n;i2*n-1;i+) /构造哈夫曼树 min1=min2=32767; /int的范围是-3276832767 lnode=rnode=-1; /lnode和rnode记录最小权值的两个结点位置 for (k=0;k=i-1;k+) if (htk.parent=-1) /只在尚未构造二叉树的结点中查找 if (htk.weightmin1) /若权值小于最小的左节点的权值

9、 min2=min1;rnode=lnode; min1=htk.weight;lnode=k; else if (htk.weightmin2) min2=htk.weight;rnode=k; htlnode.parent=i;htrnode.parent=i; /两个最小节点的父节点是i hti.weight=htlnode.weight+htrnode.weight; /两个最小节点的父节点权值为两个最小节点权值之和 hti.lchild=lnode;hti.rchild=rnode; /父节点的左节点和右节点（2）哈弗曼编码void CreateHCode(HTNode ht,HCo

10、de hcd,int n) int i,f,c; HCode hc; for (i=0;in;i+) /根据哈夫曼树求哈夫曼编码 hc.start=n;c=i; f=hti.parent; while (f!=-1) /循序直到树根结点结束循环 if (htf.lchild=c) /处理左孩子结点 hc.cdhc.start-=0; else /处理右孩子结点 hc.cdhc.start-=1; c=f;f=htf.parent; hc.start+; /start指向哈夫曼编码hc.cd中最开始字符 hcdi=hc; void DispHCode(HTNode ht,HCode hcd,in

11、t n) /输出哈夫曼编码的列表 int i,k; printf( 输出哈夫曼编码:n); for (i=0;in;i+) /输出data中的所有数据，即A-Z printf( %c:t,hti.data); for (k=hcdi.start;k=n;k+) /输出所有data中数据的编码 printf(%c,hcdi.cdk); printf(n); void editHCode(HTNode ht,HCode hcd,int n) /编码函数char stringMAXSIZE; int i,j,k;scanf(%s,string); /把要进行编码的字符串存入string数组中prin

12、tf(n输出编码结果:n);for (i=0;stringi!=#;i+) /#为终止标志for (j=0;jn;j+)if(stringi=htj.data) /循环查找与输入字符相同的编号，相同的就输出这个字符的编码for (k=hcdj.start;k=n;k+) printf(%c,hcdj.cdk);break; /输出完成后跳出当前for循环（3）哈弗曼译码void deHCode(HTNode ht,HCode hcd,int n) /译码函数char codeMAXSIZE;int i,j,l,k,m,x;scanf(%s,code); /把要进行译码的字符串存入code数组中

13、while(code0!=#)for (i=0;in;i+)m=0; /m为想同编码个数的计数器 for (k=hcdi.start,j=0;k=n;k+,j+) /j为记录所存储这个字符的编码个数if(codej=hcdi.cdk) /当有相同编码时m值加1m+;if(m=j) /当输入的字符串与所存储的编码字符串个数相等时则输出这个的data数据printf(%c,hti.data);for(x=0;codex-1!=#;x+) /把已经使用过的code数组里的字符串删除codex=codex+j;（4）主函数void main() int n=26,i; char orz,back,fl

14、ag=1; char str=A,B,C,D,E,F,G,H,I,J,K,L,M,N,O,P,Q,R,S,T,U,V,W,X,Y,Z; /初始化 int fnum=186,64,13,22,32,103,21,15,47,57,1,2,32,20,57,63,15,1,48,51,80,23,8,18,1,16; /初始化 HTNode htM; /建立结构体 HCode hcdN; /建立结构体 for (i=0;in;i+) /把初始化的数据存入ht结构体中 hti.data=stri; hti.weight=fnumi; while (flag) /菜单函数，当flag为0时跳出循环 （

15、5）显示部分源程序： printf(n); printf( *); printf(n * 1-显示编码 *); printf(n * 2-进行编码 *); printf(n * 3-进行译码 *); printf(n * 4-退出 *n); printf( * *); printf(n); printf( 请输入选择的编号:); scanf(%c,&orz); switch(orz) case a: case A: system(cls); /清屏函数 CreateHT(ht,n); CreateHCode(ht,hcd,n); DispHCode(ht,hcd,n); printf(n按任意

16、键返回.); getch(); system(cls); break; case b: case B: system(cls); printf(请输入要进行编码的字符串(以#结束):n); editHCode(ht,hcd,n); printf(n按任意键返回.); getch(); system(cls); break; case c: case C: system(cls); DispHCode(ht,hcd,n); printf(请输入编码(以#结束):n); deHCode(ht,hcd,n); printf(n按任意键返回.); getch(); system(cls); break

17、; case d: case D: flag=0; break; default: system(cls); 五、调试结果进入主菜单选A时的显示结果选择B时的显示结果选C时的显示结果五、 心得体会通过这次课程设计，让我对一个程序的数据结构有更全面更进一步的认识，根据不同的需求，采用不同的数据存储方式，不一定要用栈，二叉树等高级类型，有时用基本的一维数组，只要运用得当，也能达到相同的效果，甚至更佳，就如这次的课程设计，通过用for的多重循环，舍弃多余的循环，提高了程序的运行效率。在编写这个程序的过程中，我复习了之前学的基本语法，哈弗曼树最小路径的求取，哈弗曼编码及译码的应用范围，程序结构算法等一

18、系列的问题它使我对数据结构改变了看法。在这次设计过程中，体现出自己单独设计模具的能力以及综合运用知识的能力，体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，也从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。通过本次数据结构的课程设计，我学习了很多在上课没懂的知识，并对求哈夫曼树及哈夫曼编码/译码的算法有了更加深刻的了解，更巩固了课堂中学习有关于哈夫曼编码的知识，真正学会一种算法了。当求解一个算法时,不是拿到问题就不加思索地做，而是首先要先对它有个大概的了解，接着再详细地分析每一步怎么做，无论自己以前是否有处理过相似的问题，只要按照以上的步骤，必定会顺利地做出来。这次课程设计，我在编辑中犯了不应

19、有的错误，设计统计字符和合并时忘记应该怎样保存数据，对文件的操作也很生疏。在不断分析后明确并改正了错误和疏漏，我的程序有了更高的质量。六、 参考文献1 徐孝凯编著，数据结构课程实验，清华大学出版 2002年第一版2 张乃笑编著，数据结构与算法，电子工业出版社 2004年10月3 严蔚敏 数据结构（C语言版） 清华大学出版社附录：源程序如下：#include #include /要用system函数要调用的头文件#include /用getch()要调用的头文件#include #define N 50 /义用N表示50叶节点数#define M 2*N-1 /用M表示节点总数 当叶节点数位n时

20、总节点数为2n-1#define MAXSIZE 100typedef struct char data; /结点值 int weight; /权值 int parent; /双亲结点 int lchild; /左孩子结点 int rchild; /右孩子结点HTNode; typedef struct char cdN; /存放哈夫曼码 int start; /从start开始读cd中的哈夫曼码HCode;void CreateHT(HTNode ht,int n) /调用输入的数组ht,和节点数n int i,k,lnode,rnode; int min1,min2; for (i=0;i

21、2*n-1;i+) hti.parent=hti.lchild=hti.rchild=-1; /所有结点的相关域置初值-1 for (i=n;i2*n-1;i+) /构造哈夫曼树 min1=min2=32767; /int的范围是-3276832767 lnode=rnode=-1; /lnode和rnode记录最小权值的两个结点位置 for (k=0;k=i-1;k+) if (htk.parent=-1) /只在尚未构造二叉树的结点中查找 if (htk.weightmin1) /若权值小于最小的左节点的权值 min2=min1;rnode=lnode; min1=htk.weight;l

22、node=k; else if (htk.weightmin2) min2=htk.weight;rnode=k; htlnode.parent=i;htrnode.parent=i; /两个最小节点的父节点是i hti.weight=htlnode.weight+htrnode.weight; /两个最小节点的父节点权值为两个最小节点权值之和 hti.lchild=lnode;hti.rchild=rnode; /父节点的左节点和右节点void CreateHCode(HTNode ht,HCode hcd,int n) int i,f,c; HCode hc; for (i=0;in;i+

23、) /根据哈夫曼树求哈夫曼编码 hc.start=n;c=i; f=hti.parent; while (f!=-1) /循序直到树根结点结束循环 if (htf.lchild=c) /处理左孩子结点 hc.cdhc.start-=0; else /处理右孩子结点 hc.cdhc.start-=1; c=f;f=htf.parent; hc.start+; /start指向哈夫曼编码hc.cd中最开始字符 hcdi=hc; void DispHCode(HTNode ht,HCode hcd,int n) /输出哈夫曼编码的列表 int i,k; printf( 输出哈夫曼编码:n); for

24、 (i=0;in;i+) /输出data中的所有数据，即A-Z printf( %c:t,hti.data); for (k=hcdi.start;k=n;k+) /输出所有data中数据的编码 printf(%c,hcdi.cdk); printf(n); void editHCode(HTNode ht,HCode hcd,int n) /编码函数char stringMAXSIZE; int i,j,k;scanf(%s,string); /把要进行编码的字符串存入string数组中printf(n输出编码结果:n);for (i=0;stringi!=#;i+) /#为终止标志for

25、(j=0;jn;j+)if(stringi=htj.data) /循环查找与输入字符相同的编号，相同的就输出这个字符的编码for (k=hcdj.start;k=n;k+) printf(%c,hcdj.cdk);break; /输出完成后跳出当前for循环void deHCode(HTNode ht,HCode hcd,int n) /译码函数char codeMAXSIZE;int i,j,l,k,m,x;scanf(%s,code); /把要进行译码的字符串存入code数组中while(code0!=#)for (i=0;in;i+)m=0; /m为想同编码个数的计数器 for (k=h

26、cdi.start,j=0;k=n;k+,j+) /j为记录所存储这个字符的编码个数if(codej=hcdi.cdk) /当有相同编码时m值加1m+;if(m=j) /当输入的字符串与所存储的编码字符串个数相等时则输出这个的data数据printf(%c,hti.data);for(x=0;codex-1!=#;x+) /把已经使用过的code数组里的字符串删除codex=codex+j;void main() int n=26,i; char orz,back,flag=1; char str=A,B,C,D,E,F,G,H,I,J,K,L,M,N,O,P,Q,R,S,T,U,V,W,X,

27、Y,Z; /初始化 int fnum=186,64,13,22,32,103,21,15,47,57,1,2,32,20,57,63,15,1,48,51,80,23,8,18,1,16; /初始化 HTNode htM; /建立结构体 HCode hcdN; /建立结构体 for (i=0;in;i+) /把初始化的数据存入ht结构体中 hti.data=stri; hti.weight=fnumi; while (flag) /菜单函数，当flag为0时跳出循环 printf(n); printf( *); printf(n * A-显示编码 *); printf(n * B-进行编码 *

28、); printf(n * C-进行译码 *); printf(n * D-退出 *n); printf( *); printf(n); printf( 请输入选择的编号:); scanf(%c,&orz); switch(orz) case a: case A: system(cls); /清屏函数 CreateHT(ht,n); CreateHCode(ht,hcd,n); DispHCode(ht,hcd,n); printf(n按任意键返回.); getch(); system(cls); break; case b: case B: system(cls); printf(请输入要进行编码的字符串(以#结束):n); editHCode(ht,hcd,n); printf(n按任意键返回.); getch(); system(cls); break; case c: case C: system(cls); DispHCode(ht,hcd,n); printf(请输入编码(以#结束):n); deHCode(ht,hcd,n); printf(n按任意键返回.); getch(); system(cls); break; case d: case D: flag=0; break; default: system(cls); 19