20182327 2019-2020 《程序设计与数据结构》哈夫曼编码测试报告
- 课程：《程序设计与数据结构》
- 班级： 1823
- 姓名：赵天昊
- 学号：20182327
- 实验教师：王志强
- 实验日期：2019年11月17日
- 必修/选修： 必修
教材中的哈夫曼树
- 1、在计算机数据处理中，哈夫曼编码使用变长编码表对源符号（如文件中的一个字母）进行编码，其中变长编码表是通过一种评估来源符号出现机率的方法得到的，出现机率高的字母使用较短的编码，反之出现机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长度、期望值降低，从而达到无损压缩数据的目的。
2、例如，在英文中，e的出现机率最高，而z的出现概率则最低。当利用哈夫曼编码对一篇英文进行压缩时，e极有可能用一个比特来表示，而z则可能花去25个比特（不是26）。用普通的表示方法时，每个英文字母均占用一个字节，即8个比特。二者相比，e使用了一般编码的1/8的长度，z则使用了3倍多。倘若我们能实现对于英文中各个字母出现概率的较准确的估算，就可以大幅度提高无损压缩的比例。
3、哈夫曼树又称最优二叉树，是一种带权路径长度最短的二叉树。所谓树的带权路径长度，就是树中所有的叶结点的权值乘上其到根结点的路径长度（若根结点为0层，叶结点到根结点的路径长度为叶结点的层数）。树的路径长度是从树根到每一结点的路径长度之和，记为WPL=（W1XL1+W2XL2+W3XL3+...+WnXLn），N个权值Wi（i=1,2,...n）构成一棵有N个叶结点的二叉树，相应的叶结点的路径长度为Li（i=1,2,...n）。可以证明哈夫曼树的WPL是最小的。
哈夫曼树及测试的实现
- 参考教材java创建哈夫曼树和实现哈夫曼——java实现哈夫曼编码，尝试读懂代码的同时加入自己的理解。
首先建立哈夫曼树的结点类【HuffmanNode】利用泛型实现结点，定义左子树，右子树，权值和编码。
```
public class HuffmanTreeNode implements Comparable{
protected int weight; // 权值
protected HuffmanTreeNode left; // 左孩子
protected HuffmanTreeNode right; // 右孩子
protected HuffmanTreeNode parent; // 父结点
protected char element;
protected HuffmanTreeNode(int weight, char element, HuffmanTreeNode left, HuffmanTreeNode right, HuffmanTreeNode parent) {
this.weight = weight;
this.element = element;
this.left = left;
this.right = right;
this.parent = parent;
}
@Override
public int compareTo(HuffmanTreeNode o) {
if (this.weight > o.weight)
return 1;
else if (this.weight < o.weight)
return -1;
else
return 0;
}
···
编写以下代码读取txt文件中的字母，用于将字母转化成哈夫曼编码。
~~~
public static void main(String[] args) throws IOException {
File file = new File("C:\Users\12441\Desktop\game\input1.txt");
Scanner scan = new Scanner(file);
String s = scan.nextLine();
System.out.println(s);
int[] array = new int[26];
for (int i = 0; i < array.length; i++) {
array[i] = 0;
}
for (int i = 0; i < s.length(); i++) {
char x = s.charAt(i);
array[x - 'a']++;
···编写【getEnCoding】类将读取的字母转化成为哈夫曼编码，并且规定左子树为0，右子树为1
public String[] getEncoding() {
ArrayList<HuffmanTreeNode> arrayList = new ArrayList();
inOrder(root,arrayList);
for (int i=0;i<arrayList.size();i++)
{
HuffmanTreeNode node = arrayList.get(i);
String result ="";
int x = node.element-'a';
Stack stack = new Stack();
while (node!=root)
{
if (node==node.parent.left)
stack.push(0);
if (node==node.parent.right)
stack.push(1);
node=node.parent;
}
while (!stack.isEmpty())
{
result +=stack.pop();
}
codes[x] = result;
}
return codes;
}
public HuffmanTreeNode getRoot() {
return root;
}
- 最后编写实现类【Huffman】从input1.txt中读取信息，转化为哈夫曼编码后将哈夫曼编码放入output.txt中后完成测试
public class RunHuffmanTree {
public static void main(String[] args) throws IOException {
File file = new File("C:\\Users\\12441\\Desktop\\game\\input1.txt");
Scanner scan = new Scanner(file);
String s = scan.nextLine();
System.out.println(s);
int[] array = new int[26];
for (int i = 0; i < array.length; i++) {
array[i] = 0;
}
for (int i = 0; i < s.length(); i++) {
char x = s.charAt(i);
array[x - 'a']++;
}
System.out.println("打印各字母出现频率：");
for (int i = 0; i < array.length; i++) {
System.out.print((char) ('a' + i) + ":" + (double) array[i] / s.length() + " ");
}
HuffmanTreeNode[] huffmanTreeNodes = new HuffmanTreeNode[array.length];
for (int i = 0; i < array.length; i++) {
huffmanTreeNodes[i] = new HuffmanTreeNode(array[i], (char) ('a' + i), null, null, null);
}
HuffmanTree huffmanTree = new HuffmanTree(huffmanTreeNodes);
System.out.println("打印各字母的编码");
String[] codes = huffmanTree.getEncoding();
for (int i = 0; i < codes.length; i++) {
System.out.println((char) ('a' + i) + ":" + codes[i]);
}
//进行编码：
String result = "";
for (int i = 0; i < s.length(); i++) {
int x = s.charAt(i) - 'a';
result += codes[x];
}
System.out.println("编码结果：" + result);
//写入文件
File file1 = new File("C:\\Users\\12441\\Desktop\\game\\output.txt");
FileWriter fileWriter = new FileWriter(file1);
fileWriter.write(result);
fileWriter.close();
//从文件读取
Scanner scan1 = new Scanner(file1);
String s1 = scan1.nextLine();
HuffmanTreeNode huffmanTreeNode = huffmanTree.getRoot();
//进行解码
String result2 = "";
for (int i = 0; i < s1.length(); i++) {
if (s1.charAt(i) == '0') {
if (huffmanTreeNode.left != null) {
huffmanTreeNode = huffmanTreeNode.left;
}
} else {
if (s1.charAt(i) == '1') {
if (huffmanTreeNode.right != null) {
huffmanTreeNode = huffmanTreeNode.right;
}
}
}
if (huffmanTreeNode.left == null && huffmanTreeNode.right == null) {
result2 += huffmanTreeNode.element;
huffmanTreeNode = huffmanTree.getRoot();
}
}
System.out.println("解码结果：" + result2);
//写入文件
File file2 = new File("C:\\Users\\12441\\Desktop\\game\\file2.txt");
FileWriter fileWriter1 = new FileWriter(file1);
fileWriter1.write(result2);
// 判断解码后原来是否一致
System.out.println("编码解码后原来是否一致：" + result2.equals(s));
}
}
实验结果
https://gitee.com/besti1823/2012_327_zhao_tianhao.git