数据结构课程设计哈夫曼编码.doc

数据结构与算法 学号：2012141441210 姓名：张 敏数据结构与算法实验报告一、题目-赫夫曼编码/译码器1. 问题描述利用赫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赫夫曼码的编/译码系统。2. 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，以及n个字符和n个权值，建立赫夫曼树，并将它存于文件hfmTree中。(2) E：编码（Encoding）。利用已建好的赫夫曼树（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）。利用已建好的赫夫曼树将文件CodeFile中的代码进行译码，结果存入文件Textfile中。以下为选做：(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CodePrin中。(5) T：印赫夫曼树（Tree printing）。将已在内存中的赫夫曼树以直观的方式（比如树）显示在终端上，同时将此字符形式的赫夫曼树写入文件TreePrint 中。3. 测试要求(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，试设计赫夫曼编码。(2) 用下表给出的字符集和频度的实际统计数据建立赫夫曼树，并实现以下报文的编码和译码：“THIS PROGRAME IS MY FAVORITE”。字符ABCDEFGHIJKLM频度1866413223210321154757153220字符NOPQRSTUVWXYZ频度57631514851802381811614. 实现提示(1) 编码结果以文本方式存储在文件Codefile中。(2) 用户界面可以设计为“菜单”方式：显示上述功能符号，再加上“Q”，表示退出运行Quit。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“Q”为止。(3) 在程序的一次执行过程中，第一次执行I，D或C命令之后，赫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。二、实验目的1、了解并掌握数据结构与算法的设计方法，具备初步的独立分析和设计能力；2、初步掌握软件开发过程的问题分析、系统设计、程序编码、测试等基本方法和技能；3、提高综合运用所学的理论知识和方法独立分析和解决问题的能力；4、训练用系统的观点和软件开发一般规范进行软件开发，培养软件工作者所应具备的科学的工作方法和作风。5、了解哈夫曼树的构造原理和编解码流程四、具体要求：课程设计成果的内容必须由以下四个部分组成，缺一不可。(1) 上交源程序：学生按照实验题目的具体要求所开发的所有源程序（应该放到一个文件夹中）；(2) 上交程序的说明文件：（保存在.txt中）在说明文档中应该写明上交程序所在的目录，上交程序的主程序文件名，如果需要安装，要有程序的安装使用说明；(3) 设计报告：（保存在word 文档中，文件名要求： 按照“姓名_学号_设计题目”起名，如文件名为“ 张三_XXX_赫夫曼编码 ”.doc。打印稿用A4纸）。其中包括: 题目； 实验目的； 需求分析：在该部分中叙述实现的功能要求； 概要设计：在此说明每个部分的算法设计说明（可以是描述算法的流程图），每个程序中使用的存储结构设计说明（如果指定存储结构请写出该存储结构的定义）； 详细设计各个算法实现的源程序，对每个题目要有相应的源程序（可以是一组源程序，每个功能模块采用不同的函数实现）。源程序要按照写程序的规则来编写。要结构清晰，重点函数的重点变量、重点功能部分要加上清晰的程序注释； 调试分析测试数据，测试输出的结果，时间复杂度分析，和每个模块设计和调试时存在问题的思考（问题是哪些？问题如何解决？），算法的改进设想； 总结： 总结可以包括 : 设计过程的收获、遇到问题及解决问题过程的思考、程序调试能力的思考、对数据结构这门课程的思考、在设计过程中对数据结构课程的认识等内容。（4）考核成绩评定标准：本课程设计的评价由三部分组成，包括程序演示（50%），课程设计报告（30%），回答教师提问（20%）。1程序演示： 优功能完善，全部测试正确，并且能够对局部进行完善。 良功能完善，但测试欠缺。 中功能基本完善，但程序尚有部分错误。 及格完成内存中赫夫曼编码/译码，但不涉及文件操作。 不及格功能不完善，且程序错误较多，无法运行。2课程设计报告：1 优包括设计内容，设计思想，已经完成的任务及达到的目标，设计思路清晰、书写条理清楚，源程序结构合理、清晰，注释说明完整，有对本次课程设计的心得体会。2 良包括设计内容，设计思想，已经完成的任务及达到的目标，设计思路基本清晰、书写条理基本清楚，源程序结构合理、清晰，注释说明基本完整，有对本次课程设计的心得体会。3 中课程设计报告内容基本完整，思路较清晰，书写基本清楚，源程序结构尚可，有注释说明但不完整。4 及格课程设计报告内容基本完整，思路较差，书写尚清楚。5 不及格课程设计报告内容不完整，书写没有条理。3回答教师提问：1. 优能回答教师提出的所有问题，并完全正确，思路清晰2. 良基本能回答教师提出的所有问题，有些小错误3. 中基本能回答教师提出的问题，少数问题回答错误或不清楚4. 及格能回答教师提出的问题，但较多问题回答错误或不能回答5. 不及格基本不能回答教师提出的问题三、概要设计A 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 /赫夫曼树的结构体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、 int main()主函数： 利用已建好的哈夫曼树（如不在内存，则从文件hfmtree.txt中读入）对文件中的正文进行编码，然后将结果存入文件codefile.txt中。如果正文中没有要编码的字符，则键盘读入并存储到ToBeTran文件中。读入ToBeTran中将要编码的内容，将编码好的哈夫曼编码存储到CodeFile中。 4、Encoding 编码功能：对输入字符进行编码 5、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。 6、Print() 打印功能函数：输出哈夫曼树，字符，权值，以及它对应的编码。 7、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，编码函数，译码函数来实现功能。B 系统结构图（功能模块图）四、程序说明1） .哈夫曼编码/译码器源代码#include#include#include#include#includetypedef struct /赫夫曼树的结构体char ch;int weight; /权值int parent,lchild,rchild;htnode,*hfmtree;typedef char *hfmcode;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int i,j,x,y;for(j=1;j=a;+j)if(HTj.parent=0)x=j;break; /选出parent为零第一个的节点。for(i=j+1;i=a;+i)if(HTi.weightHTx.weight&HTi.parent=0)x=i; /选出最小的节点x、for(j=1;j=a;+j)if(HTj.parent=0&x!=j)/再次找一个parent为零的节点，且非最小节点。y=j;break;for(i=j+1;i=a;+i)if(HTi.weighty)*p1=y;*p2=x;else*p1=x;*p2=y;void hfmcoding(hfmtree &HT,hfmcode &HC,int n) /构建赫夫曼树HT，并求出n个字符的赫夫曼编码HCint i,start,c,f,m,w;int p1,p2;char *cd,z;if(n=1)return;m=2*n-1;HT=(hfmtree)malloc(m+1)*sizeof(htnode);for(i=1;i=n;+i) /初始化n个叶子结点printf(请输入第%d字符信息和权值：,i);scanf(%c%d,&z,&w); /z和w之间不识别空格、非空格、换行键。while(getchar()!=n)continue;HTi.ch=z;HTi.weight=w;HTi.parent=0;HTi.lchild=0;HTi.rchild=0;for(;i=m;+i) /初始化其余的结点HTi.ch=0;HTi.weight=0;HTi.parent=0;HTi.lchild=0;HTi.rchild=0;for(i=n+1;i=m;+i) /建立赫夫曼树Select(HT,i-1,&p1,&p2);HTp1.parent=i;HTp2.parent=i;HTi.lchild=p1;HTi.rchild=p2;HTi.weight=HTp1.weight+HTp2.weight;HC=(hfmcode)malloc(n+1)*sizeof(char *);cd=(char *)malloc(n*sizeof(char);cdn-1=0;for(i=1;i=n;+i) /给n个字符编码start=n-1;for(c=i,f=HTi.parent;f!=0;c=f,f=HTf.parent)if(HTf.lchild=c)cd-start=0; /左孩子赋值为零elsecd-start=1; /右为1HCi=(char*)malloc(n-start)*sizeof(char);strcpy(HCi,&cdstart);free(cd);int main()char code100,h100,hl100;int n,i,j,k,l;ifstream input_file; /文件输入输出流ofstream output_file;char choice,str100;hfmtree HT;hfmcode HC;coutn;while(choice!=Q&choice!=q) /当choice的值不为q且不为Q时循环cout *赫夫曼编码/译码器*n; cout I.Init E.Encoding D.Decoding Q.Exitn; coutchoice; if(choice=I|choice=i) /初始化赫夫曼树coutn;hfmcoding(HT,HC,n);for(i=1;i=n;+i)coutHTi.ch:HCiendl;output_file.open(hfmTree.txt);if(!output_file)coutcant oen file!endl;return 1;for(i=1;i=n;i+)output_file(HTi.chHCi);output_file.close();cout赫夫曼树已经创建完毕，并且已经放入hfmTree.txt文件中!endl; else if(choice=E|choice=e) /进行编码，并将字符放入ToBeTran.txt，码值放入CodeFile.txt中printf(请输入字符：);gets(str);output_file.open(ToBeTran.txt);if(!output_file)coutcant oen file!endl;return 1;output_filestrendl;output_file.close();output_file.open(CodeFile.txt);if(!output_file)coutcant oen file!endl;return 1;for(i=0;istrlen(str);i+)for(j=0;j=n;+j)if(HTj.ch=stri)output_fileHCj;break;output_file.close();coutn;cout编码完毕，并且已经存入CodeFile.txt文件！n;input_file.open(CodeFile.txt); /从CodeFile.txt中读入编码，输出在终端if(!input_file)coutcant oen file!code;cout编码码值为：codeendl;input_file.close(); else if(choice=D|choice=d) /读入CodeFile.txt中的编码进行译码，将译出来的字符放入Textfile.txt中input_file.open(CodeFile.txt);if(!input_file)coutcant oen file!h;input_file.close();output_file.open(Textfile.txt);if(!output_file)coutcant oen file!endl;return 1;k=0;while(hk!=0) /先用编码中的前几个和字符的编码相比较，然后往后移for(i=1;i=n;i+)l=k;for(j=0;jstrlen(HCi);j+,l+)hlj=hl;hlj=0;if(strcmp(HCi,hl)=0)output_fileHTi.ch;k=k+strlen(HCi);break;output_file.close();input_file.open(Textfile.txt);if(!input_file)coutcant oen file!h; couthendl;input_file.close();cout译码结束，字符已经存入Textfile.txt文件中！endl; else if(choice=Q|choice=q) /退出程序 exit(0); else /如果选了选项之外的就让用户重新选择cout您没有输入正确的步骤，请重新输入！endl;coutendl;return 0;5、 结果分析1、由上图可知：通过四次的不同格式输入，了解到了此程序只识别数字和字符，其他空格和无空格以及换行都不能读入字符或者数字。2、当选择编码功能E时，由上图可知：若输入并为建立在哈夫曼树里面的字符，则会由于逻辑错误，出现乱码字样。紧接着，输入已定义的aego中的aeg，则能编码，并且对照之前