数据结构实践环节实验报告(课程设计)

洛 阳 理 工 学 院

课 程 设 计 说 明 书

课程名称 _________数据结构 _______________ 设计课题 ________哈夫曼编/译码器 _________ 专 业 ______计算机科学与技术 _________ 班 级 ________B12xxxx _____________ 学 号 _______B12xxxxxxx________________ 姓 名 ____ xxx ______________ 完成日期 2014年6月14日

课 程 设 计 任 务 书

设计题目：_____________哈夫曼编/译码器___________________ _________________________________________________________ 设计内容与要求：

设计内容：

打开一篇英文文章，统计该文章中每个字符出现的次数，然后以它们作为权值，设计一个哈夫曼编/译码系统。 要求：

以每个字符出现的次数为权值，建立哈夫曼树，求出哈夫曼编码，对文件yuanwen中的正文进行编码，将结果存到文件yiwen中，再对文件yiwen中的代码进行译码，结果存到textfile中。

指导教师：xxxx 2014 年 6 月5日

课 程 设 计 评 语

成绩：

指导教师： 年 月 日

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【问题描述】

打开一篇英文文章，统计该文章中每个字符出现的次数，然后以它们作为权值，设计一个哈夫曼编/译码系统。利用哈夫曼编码进行通信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。这要求在发送端通过一个编码系统对待传输数据预先编码，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编写一个哈夫曼码的编/译码系统。

【基本要求】

以每个字符出现的次数为权值，建立哈夫曼树，求出哈夫曼编码，对文件yuanwen中的正文进行编码，将结果存到文件yiwen中，再对文件yiwen中的代码进行译码，结果存到textfile中。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，以及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) E：编码（Encoding）。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ToBeTran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。

【测试数据】

用下表给出的字符集和频度的实际统计数据建立哈夫曼树，并实现以下英文的编码和译码：“I like playing football”。

字符 频度 字符 频度 A B C D E F G H I J K 5 Y L M 186 13 22 N 57 O P Q 32 103 21 15 47 57 1 R S T U V W X 32 20 Z 63 15 1 48 51 80 23 8 18 1 16 1

【算法思想】

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，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。

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（1） 其主要流程图如图1-1所示。

开始 将data和权值赋给ht 否 结点数是否大于1 是 输出根结点和权值 否 I<2*N? 是 I++ 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 否 是否为根结点？ 是 左子是否为空？ 是 否 此时编码为0 否 编码为1 右子是否为空 是 结束 2

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（2）设计包含的几个方面：① 赫夫曼树的建立

哈夫曼树的建立由赫夫曼算法的定义可知，初始森林有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。显然要进行n－1次合并，所以生n－1个新结点，它们都是具有两个孩子的分支结点。由此可知，最终求得的哈夫曼树中一共有2n－1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。 ② 哈夫曼编码

要求电文的哈夫曼编码，必须先定义哈夫曼编码类型，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 bits[N＋1]; // 存放编码位串 int len; // 编码的长度

}CodeNode; // 编码结构体类型 ③ 代码文件的译码

译码的基本思想是：读文件中编码，并与原先生成的哈夫曼编码表比较，遇到相等时，即取出其对应的字符存入一个新串中。

【模块划分】

1) 问题分析哈夫曼树的定义

1.哈夫曼树节点的数据类型定义为：

typedef struct{ //哈夫曼树的结构体 char ch;

int weight; //权值 int parent,lchild,rchild; }htnode,*hfmtree;

2）所实现的功能函数如下

1、void hfmcoding(hfmtree &HT,hfmcode &HC,int n)初始化哈夫曼树，处理InputHuffman(Huffman Hfm)函数得到的数据，按照哈夫曼规则建立2叉树。此函数块调用了Select（）函数。

2、void Select(hfmtree &HT,int a,int *p1,int *p2) //Select函数，选出HT树到a为止，权值最小且parent为0的2个节点 3、Encoding

编码功能：对输入字符进行编码 4、Decoding

译码功能： 利用已建好的哈夫曼树将文件codefile.txt中的代码进行译码，结果存入文件textfile.dat 中。

5.主函数的简要说明，主函数主要设计的是一个分支语句，让用户挑选所实现的功能。

使用链树存储，然后分别调用统计频数函数，排序函数，建立哈夫曼函数，编码

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函数，译码函数来实现功能。 3）系统功能模块图：

【数据结构】

（1）①哈夫曼树的存储结构描述为： #define N 50 // 叶子结点数

#define M 2*N-1 // 哈夫曼树中结点总数 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 HuffmanTree[M+1]; ②哈夫曼树的算法

void CreateHT(HTNode ht[],int n) //调用输入的数组ht[],和节点数n {

int i,k,lnode,rnode; int min1,min2;

for (i=0;i<2*n-1;i++)

ht[i].parent=ht[i].lchild=ht[i].rchild=-1; //所有结点的相关域置初值-1

for (i=n;i<2*n-1;i++) //构造哈夫曼树 {

min1=min2=32767; //int的范围是-32768—32767 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 (ht[k].parent==-1) //只在尚未构造二叉树的结点中查找 {

if (ht[k].weight{

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min2=min1;rnode=lnode; min1=ht[k].weight;lnode=k; }

else if (ht[k].weightmin2=ht[k].weight;rnode=k; } } }

ht[lnode].parent=i;ht[rnode].parent=i; //两个最小节点的父节点是i

ht[i].weight=ht[lnode].weight+ht[rnode].weight; //两个最小节点的父节点权值为两个最小节点权值之和

ht[i].lchild=lnode;ht[i].rchild=rnode; //父节点的左节点和右节点 } }

（2）哈夫曼编码

void CreateHCode(HTNode ht[],HCode hcd[],int n) {

int i,f,c; HCode hc;

for (i=0;ihc.start=n;c=i; f=ht[i].parent;

while (f!=-1) //循序直到树根结点结束循环 {

if (ht[f].lchild==c) //处理左孩子结点 hc.cd[hc.start--]='0';

else //处理右孩子结点 hc.cd[hc.start--]='1'; c=f;f=ht[f].parent; }

hc.start++; //start指向哈夫曼编码hc.cd[]中最开始字符 hcd[i]=hc; } }

void DispHCode(HTNode ht[],HCode hcd[],int n) //输出哈夫曼编码的列

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表 {

int i,k;

printf(\" 输出哈夫曼编码:\\n\");

for (i=0;iprintf(\" %c:\\

for (k=hcd[i].start;k<=n;k++) //输出所有data中数据的编码 {

printf(\"%c\ }

printf(\"\\n\"); } }

void editHCode(HTNode ht[],HCode hcd[],int n) //编码函数 {

char string[MAXSIZE]; int i,j,k;

scanf(\"%s\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;string[i]!='#';i++) //#为终止标志 {

for (j=0;jif(string[i]==ht[j].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=hcd[j].start;k<=n;k++) {

printf(\"%c\ }

break; //输出完成后跳出当前for循环 } } } }

（3）哈夫曼译码

void deHCode(HTNode ht[],HCode hcd[],int n) //译码函数 {

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char code[MAXSIZE]; int i,j,l,k,m,x;

scanf(\"%s\把要进行译码的字符串存入code数组中

while(code[0]!='#') for (i=0;im=0; //m为想同编码个数的计数器 for (k=hcd[i].start,j=0;k<=n;k++,j++) //j为记录所存储这个字符的编码个数 {

if(code[j]==hcd[i].cd[k]) //当有相同编码时m值加1 m++; }

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\

for(x=0;code[x-1]!='#';x++) //把已经使用过的code数组里的字符串删除 {

code[x]=code[x+j]; } } } }

【测试情况】

（1） 程序运行时，进入的主界面如图：

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（2）选择1进入，创建名称为yuanwen的文件，如图：

(3)输入英语原文为 I like playing football ,如图所示：

（4）程序对原文进行编码运行输出结果，程序如图：

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【心得】

在我自己课程设计中，就在编写好源代码后的调试中出现了不少的错误，遇到了很多麻烦及困难，我的调试及其中的错误和我最终找出错误，修改为正确的能够执行的程序中，通过分析，我学到了：

在定义头文件时可多不可少，即我们可多写些头文件，肯定不会出错，但是若没有定义所引用的相关头文件，必定调试不通过；

在执行译码操作时，不知什么原因，总是不能把要编译的二进制数与编译成的字符用连接号连接起来，而是按顺序直接放在一起，视觉效果不是很好。还有就是，很遗憾的是，我们的哈夫曼编码/译码器没有像老师要求的那样完成编一个文件的功能，这是我们设计的失败之处。

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

【源程序】

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#include #include #include #define N 5000

#define m 128 //叶子结点个数，即字符总类数 #define M 2*m-1 //哈夫曼树的节点数 char CH[N]; //记录原文字符数组 char YW[N]; //记录译文字符数组

typedef char * Hcode[m+1]; //存放哈夫曼字符编码串的头指针的数组 typedef struct {

char a; int num;

}dangenode; //记录单个字符的类别和出现的次数 typedef struct {

dangenode b[129]; int tag;

}jilunode; //统计原文出现的字符种类数 typedef struct node {

int weight; //结点权值 int parent; //双亲下标 int Lchild; //左孩子结点的下标 int Rchild; //右孩子的下标

}htnode,hn[M];//静态三叉的哈夫曼树的定义 void jianliwenjian() { FILE *fp; printf(\"现在建立文件，以存储原文（文件名称默认为yuanwen）\\n\"); printf(\" 文件建立中......\\n\"); if((fp=fopen(\"yuanwen\ //建立文件 { printf(\"Cannot open file\\n\"); exit(0); } printf(\"文件已建立,名称为：yuanwen\");

fclose(fp); //关闭文件 }

void luruyuanwen() //原文输入完后，将其保存到文件yuanwen中 { char ch; FILE *fp;

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if((fp=fopen(\"yuanwen\ //打开文件 { printf(\"Cannot open file\\n\"); exit(0); }

printf(\"请输入原文（结束标志为：^）\\n\"); do { ch=getchar();

fputc(ch,fp); //将字符保存到文件中 }while(ch!='^'); //判断结束

getchar(); //接收回车命令符 fclose(fp); //关闭文件 }

void min_2(hn ht,int n,int *tag1,int *tag2)//在建哈夫曼树的过程中，选择权值小的两 { //个结点 int i,min,s; min=N;

for(i=1;i<=n;i++) if(ht[i].weightmin=ht[i].weight;

*tag1=i; //记录权值最小的结点下标 } min=N; for(i=1;i<=n;i++)

if(ht[i].weightmin=ht[i].weight; *tag2=i; } if(ht[*tag1].weight==ht[*tag2].weight&&ht[*tag2].Lchild!=0) { s=(*tag1); //如果结点权值相同，先出现的放在哈夫曼树的左边 (*tag1)=(*tag2); (*tag2)=s; } }

void chuangjian(jilunode * jilu,hn ht) //建立哈夫曼树、以及对原 { FILE *fp;//文字符的类别和数量统计 int i=-1,j,s=0,tag1,tag2; // s=0;

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// i=-1; //char ch; if((fp=fopen(\"yuanwen\ //以只读的方式打开文件 { printf(\"Cannot open file\\n\"); exit(0); }

while(!feof(fp)) //判断文件指示标志是否移动到了文件尾处 { char ch; ch=fgetc(fp); if(ch!='^') //判断字符是否是结束标志 { ++i; CH[i]=ch;

for(j=1;j<=jilu->tag;j++) { if(CH[i]==jilu->b[j].a) { jilu->b[j].num++; break; } }

if(j-1==jilu->tag&&CH[i]!=jilu->b[j-1].a) {

jilu->tag++;

jilu->b[jilu->tag].a=CH[i]; jilu->b[jilu->tag].num=1; } } }

jilu->tag--; fclose(fp); //关闭文件 printf(\"原文中的各字符统计状况如下：\\n\");

printf(\"*^*^*^*^*^*^*^*^**^*^*^**^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*\\n\"); for(i=1;i<=jilu->tag;i++) { s++; printf(\"'%c'的个数为:%d \ if(s%4==0) //每行放四个数据 printf(\"\\n\"); }

printf(\"\\n\");

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for(i=1;i<=2*(jilu->tag)-1;i++) {

if(i<=jilu->tag) { ht[i].weight=jilu->b[i].num; //初始化叶子结点权值 ht[i].Lchild=0; //初始化叶子结点左孩子 ht[i].parent=0; //初始化叶子结点父母 ht[i].Rchild=0; //初始化叶子结点右孩子 } else { ht[i].Lchild=0; //初始化非叶子结点左孩子 ht[i].parent=0; //初始化非叶子结点父母 ht[i].Rchild=0; //初始化非叶子结点右孩子 ht[i].weight=0; //初始化非叶子结点权值 } }

for(i=jilu->tag+1;i<=2*(jilu->tag)-1;i++) {

min_2(ht,i-1,&tag1,&tag2); // 需找权值小的两个父母为0的结点 ht[tag1].parent=i; ht[tag2].parent=i; ht[i].Lchild=tag1; ht[i].Rchild=tag2; ht[i].weight=ht[tag1].weight+ht[tag2].weight; } }

void bianma(jilunode * jilu,hn ht,Hcode hc,int n) //哈夫曼树建完后，对叶 { //子结点逐个编码 char * cd; int start,i,p,c; cd=(char *)malloc((n+1)*sizeof(char)); //申请存储字符的临时空间 cd[n-1]='\\0'; //加结束标志 for(i=1;i<=n;i++) { start=n-1; c=i; p=ht[i].parent; while(p!=0) { --start; if(ht[p].Lchild==c) cd[start]='1'; //结点在左边置1 if(ht[p].Rchild==c)

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cd[start]='0'; //结点在右边置0 c=p; p=ht[p].parent; } printf(\"%c的编码为：%s\\n\ hc[i]=(char *)malloc((n-start)*sizeof(char)); //为字符数组分配空间 strcpy(hc[i],&cd[start]);//将临时空间中的编码复制到字符数组中 } free(cd); //释放临时空间 }

void bianmabaocun(Hcode hc,jilunode * jilu) //将原文以编码的形式保存到 { //文件yiwen中 int i,j; FILE *fp; if((fp=fopen(\"yiwen\ //以写的方式打开文件 { printf(\"Cannot open file\\n\"); exit(0); //文件打开失败退出 } for(i=0;i<=N&&CH[i]!='^';i++) { for(j=1;j<=jilu->tag;j++) if(CH[i]==jilu->b[j].a) { fputs(hc[j],fp); //将文件中的字符输出到字符数组中 printf(\"%s\ } } fclose(fp); //关闭文件 }

void yiwen(Hcode hc,jilunode * jilu) //读取yiwen中的编码，并将其翻译

{ //为原文存放到字符数组YW[N]中 int tag1,tag2,i,j,s=0; FILE *fp; //文件指针 char *c; if((fp=fopen(\"yiwen\ //以只读的方式打开文件 { printf(\"cannot open file\\n\"); exit(0); } while(!feof(fp)) { tag1=1; //结束for循环的辅助标志

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tag2=1; //结束for循环的辅助标志 c=(char *)malloc(200*sizeof(char)); for(i=0;i<200&&tag1;i++) { c[i]=fgetc(fp); //将文件中的字符输出到数组中 c[i+1]='\\0'; //加结束标志 for(j=1;(j<=jilu->tag)&&tag2;j++) { if(strcmp(hc[j],c)==0) //将编码与原文字符匹配 { YW[s]=jilu->b[j].a; //匹配成功后将字符保存到数组YW中 tag1=0; s++; free(c); //释放临时字符存储空间 tag2=0; } } } } YW[s]='\\0'; }

void baocunyiwen() //将翻译的译文保存到文件textfile中 { int i; FILE *fp; if((fp=fopen(\"textfile\ { printf(\"Cannot open file\\n\"); exit(0); } for(i=0;YW[i]!='\\0';i++) { fputc(YW[i],fp); //将数组中的字符保存到文件中 putchar(YW[i]); } fclose(fp); //关闭文件 }

void duquyiwen() //从文件textfile中读取译文 { char ch; FILE *fp; if((fp=fopen(\"textfile\ //以只读的方式打开文件 {

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printf(\"cannot open file\\n\"); exit(0); } while(!feof(fp)) { ch=fgetc(fp); //将文件中的字符赋给字符变量ch printf(\"%c\ //输出字符 }

fclose(fp); //关闭文件 }

void duquyuanwen() //从文件yuanwen中读取原文 { char ch; FILE *fp; if((fp=fopen(\"yuanwen\ //以只读的方式打开文件 { printf(\"cannot open file\\n\"); exit(0); } while(!feof(fp)) { ch=fgetc(fp); //将文件中的字符赋给字符变量ch printf(\"%c\ //输出字符 }

fclose(fp); //关闭文件 }

void duqubianma() //从文件yiwen中读取原文 { char ch; FILE *fp; if((fp=fopen(\"yiwen\ { printf(\"cannot open file\\n\"); exit(0); } while(!feof(fp)) { ch=fgetc(fp); //将文件中的字符赋给字符变量ch printf(\"%c\ //输出字符 }

fclose(fp); //关闭文件 }

void main() {

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int a,c,tep=1;

hn humtree; //定义用三叉链表方式实现的哈夫曼树 Hcode hc; //定义存放哈夫曼字符编码串的头指针的数组 jilunode ji; //定义存放字符种类数量的栈 jilunode *jilu;

jilu=&ji; //取指针

jilu->tag=0; //字符种类数标志初始化 while(tep) { printf(\" (*^__^*) 哈夫曼编码系统欢迎您(*^__^*) \\n\");

printf(\"*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*\\n\"); printf(\" 1--创建存贮原文件的文件\\n\"); printf(\" 2--输入原文\\n\"); printf(\" 3--对原文编码\\n\"); printf(\" 4--对编码译码\\n\"); printf(\" 5--输出原文\\n\"); printf(\" 6--输出译码\\n\"); printf(\" 7--输出译文\\n\"); printf(\" 8--退出\\n\"); printf(\"注意：如果您未创建原文件原文操作，请不要进行后续项操作！\\n\"); printf(\"*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*\\n\"); printf(\"请输入服务选项（1-8）:\"); scanf(\"%d\ getchar(); switch(a) { case 1: jianliwenjian(); //建立存储字符的文件 printf(\"是否继续？（1.YES 2，NO ）：\"); scanf(\"%d\ if(c==1)tep=1; else tep=0; system(\"cls\"); break; case 2: system(\"cls\");

luruyuanwen(); //将原文录入到文件中 printf(\"\\n注意：原文件将保存在名称为yuanwen的文件中！\\n\"); printf(\"是否继续？（1.YES 2，NO ）：\"); scanf(\"%d\ if(c==1)tep=1; else tep=0;

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system(\"cls\"); break; case 3:

chuangjian(jilu,humtree); //创建哈夫曼树 printf(\"\\n各字符编码结果为：\\n\");

bianma(jilu,humtree,hc,jilu->tag); //对哈夫曼树的叶子结点编码 printf(\"原文的编码为：\\n\");

printf(\"*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*\\n\"); bianmabaocun(hc,jilu); //保存编码 printf(\"\\n*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*^*\\n\"); printf(\"\\n注意：原文的编码将保存在以名称为yiwen的文件中！\\n\"); printf(\"是否继续？（1.YES 2，NO ）：\"); scanf(\"%d\ if(c==1)tep=1; else tep=0; system(\"cls\"); break; case 4: system(\"cls\"); printf(\"编码对应的译文为：\\n\");

yiwen(hc,jilu); //对编码译码 baocunyiwen(); //保存译文 printf(\"\\n注意：译文将保存在以名称为textfile的文件中！\\n\"); printf(\"是否继续？（1.YES 2，NO ）：\"); scanf(\"%d\ getchar(); if(c==1)tep=1; else tep=0;

system(\"cls\"); break; case 5: system(\"cls\"); printf(\"原文为：\\n\"); duquyuanwen(); //从文件中读取原文 printf(\"\\n是否继续？（1.YES 2，NO ）：\"); scanf(\"%d\ getchar(); if(c==1)tep=1;

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else tep=0;

system(\"cls\"); break; case 6: system(\"cls\"); printf(\"原文的编码为：\\n\"); duqubianma(); //从文件中读取编码 printf(\"\\n是否继续？（1.YES 2，NO ）：\"); scanf(\"%d\ getchar(); if(c==1)tep=1; else tep=0;

system(\"cls\"); break; case 7: system(\"cls\"); printf(\"编码的译文为：\\n\"); duquyiwen(); //从文件中读取译文 printf(\"\\n是否继续？（1.YES 2，NO ）：\"); scanf(\"%d\ getchar(); if(c==1)tep=1; else tep=0;

system(\"cls\"); break; case 8: printf(\"谢谢使用！\"); tep=0; break; default: system(\"cls\"); printf(\"选择错误！\\n\"); } } }

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