用C语言设计实现一个基于哈夫曼算法的压缩软件，统计文件中各字符出现的频次，设计哈夫曼编码，实现文件的压缩及解压缩

好的，这是一个非常有趣的问题，让我们来逐步实现它。

## 统计文件中各字符出现的频次

首先，我们需要读取文件并统计每个字符出现的频次。这可以通过使用一个计数数组来实现，其中数组的索引是字符的 ASCII 码，而数组中的值是该字符出现的次数。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

#define ASCII_SIZE 128

int *count_frequency(FILE *fp) {
    int *count = calloc(ASCII_SIZE, sizeof(int));
    int c;
    while ((c = fgetc(fp)) != EOF) {
        count[c]++;
    }
    return count;
}

在上面的代码中，我们使用 `calloc` 函数来分配大小为 `ASCII_SIZE` 的数组，并将其初始化为 0。然后，我们使用 `fgetc` 函数从文件中逐个读取字符，并使用 `count` 数组记录每个字符出现的次数。

## 设计哈夫曼编码

接下来，我们需要设计一个哈夫曼编码，将字符映射到二进制编码。为此，我们可以使用一个哈夫曼树，其中叶子节点代表每个字符，并且字符出现的频率越高，该节点离根节点越近。

首先，我们需要定义哈夫曼树节点的结构。

typedef struct node {
    char c;
    int freq;
    struct node *left;
    struct node *right;
} node_t;

在上面的代码中，`c` 表示节点代表的字符，`freq` 表示该字符出现的频率，`left` 和 `right` 分别表示该节点的左右子节点。

然后，我们需要实现一个函数来创建一个新的哈夫曼树节点。

node_t *new_node(char c, int freq) {
    node_t *node = malloc(sizeof(node_t));
    node->c = c;
    node->freq = freq;
    node->left = NULL;
    node->right = NULL;
    return node;
}

在上面的代码中，我们使用 `malloc` 函数分配一个新的节点，并将其初始化为指定的字符和频率，左右子节点设置为 `NULL`。

接下来，我们需要实现一个函数来合并两个哈夫曼树节点，并返回它们的父节点。

node_t *merge_nodes(node_t *a, node_t *b) {
    node_t *node = new_node('\0', a->freq + b->freq);
    node->left = a;
    node->right = b;
    return node;
}

在上面的代码中，我们使用 `new_node` 函数创建一个新的节点，并将其字符设置为 `'\0'`，频率设置为两个节点的频率之和，左右子节点设置为传递给函数的两个节点。

接下来，我们需要实现一个函数来构建哈夫曼树。我们将使用一个优先队列来存储节点，并按照频率从小到大的顺序排序。我们将使用 `merge_nodes` 函数来合并两个最小频率的节点，直到只剩下一个节点为止，这个节点就是哈夫曼树的根节点。

#include <stdbool.h>
#include <string.h>

typedef struct queue {
    node_t **nodes;
    int size;
    int capacity;
} queue_t;

queue_t *new_queue(int capacity) {
    queue_t *q = malloc(sizeof(queue_t));
    q->nodes = calloc(capacity, sizeof(node_t *));
    q->size = 0;
    q->capacity = capacity;
    return q;
}

void enqueue(queue_t *q, node_t *node) {
    int i = q->size++;
    while (i > 0 && node->freq < q->nodes[(i - 1) / 2]->freq) {
        q->nodes[i] = q->nodes[(i - 1) / 2];
        i = (i - 1) / 2;
    }
    q->nodes[i] = node;
}

node_t *dequeue(queue_t *q) {
    node_t *node = q->nodes[0];
    q->nodes[0] = q->nodes[--q->size];
    int i = 0;
    while (2 * i + 1 < q->size) {
        int j = 2 * i + 1;
        if (j + 1 < q->size && q->nodes[j + 1]->freq < q->nodes[j]->freq) {
            j++;
        }
        if (q->nodes[j]->freq < q->nodes[i]->freq) {
            node_t *temp = q->nodes[i];
            q->nodes[i] = q->nodes[j];
            q->nodes[j] = temp;
            i = j;
        } else {
            break;
        }
    }
    return node;
}

void destroy_queue(queue_t *q) {
    free(q->nodes);
    free(q);
}

node_t *build_huffman_tree(int *freq) {
    queue_t *q = new_queue(ASCII_SIZE);
    for (int i = 0; i < ASCII_SIZE; i++) {
        if (freq[i] > 0) {
            enqueue(q, new_node(i, freq[i]));
        }
    }
    while (q->size > 1) {
        node_t *a = dequeue(q);
        node_t *b = dequeue(q);
        enqueue(q, merge_nodes(a, b));
    }
    node_t *root = dequeue(q);
    destroy_queue(q);
    return root;
}

在上面的代码中，我们首先定义一个 `queue_t` 结构，其中 `nodes` 是一个指向节点指针的数组，`size` 表示队列中的节点数，`capacity` 表示数组的大小。我们使用 `new_queue` 函数创建一个新的队列，并使用 `enqueue` 函数将节点插入队列。我们使用 `dequeue` 函数从队列中删除最小频率的节点，并使用 `destroy_queue` 函数销毁队列。

`build_huffman_tree` 函数接受一个指向频率数组的指针，并返回一个指向哈夫曼树根节点的指针。我们首先使用 `new_queue` 函数创建一个新的队列，并使用 `enqueue` 函数将所有频率大于 0 的节点插入队列。然后，我们使用 `dequeue` 函数从队列中删除两个最小频率的节点，并使用 `merge_nodes` 函数将它们合并为一个父节点。我们将新的父节点插入队列中，直到队列中只剩下一个节点为止，这个节点就是哈夫曼树的根节点。

现在，我们可以使用 `build_huffman_tree` 函数来构建哈夫曼树。

node_t *root = build_huffman_tree(count_frequency(fp));

## 实现文件的压缩

一旦我们有了哈夫曼编码，我们就可以使用它来压缩文件。对于每个字符，我们可以使用哈夫曼编码将其映射到二进制编码，并将此编码写入输出文件。为了使解码更容易，我们需要在输出文件中写入哈夫曼树的结构，这样我们就可以在解码时使用它来将二进制编码转换回字符。

首先，我们需要定义一个结构来存储哈夫曼编码。我们将使用一个位向量来存储二进制编码，并跟踪该编码的位数。

#include <stdbool.h>

typedef struct code {
    bool *bits;
    int size;
} code_t;

code_t *new_code(int size) {
    code_t *code = malloc(sizeof(code_t));
    code->bits = calloc(size, sizeof(bool));
    code->size = size;
    return code;
}

void destroy_code(code_t *code) {
    free(code->bits);
    free(code);
}

在上面的代码中，我们定义了一个 `code_t` 结构，其中 `bits` 是一个指向布尔值数组的指针，表示二进制编码，`size` 表示位数。我们使用 `new_code` 函数创建一个新的编码，并使用 `destroy_code` 函数销毁它。

接下来，我们需要实现一个函数来生成哈夫曼编码。我们将使用递归的方式遍历哈夫曼树，并将路径上的每个节点的编码附加到位向量中。

void build_code(node_t *node, code_t *prefix, code_t **table) {
    if (node->left == NULL && node->right == NULL) {
        table[node->c] = prefix;
    } else {
        code_t *left_prefix = new_code(prefix->size + 1);
        memcpy(left_prefix->bits, prefix->bits, prefix->size * sizeof(bool));
        left_prefix->bits[left_prefix->size - 1] = false;
        build_code(node->left, left_prefix, table);
        destroy_code(left_prefix);

        code_t *right_prefix = new_code(prefix->size + 1);
        memcpy(right_prefix->bits, prefix->bits, prefix->size * sizeof(bool));
        right_prefix->bits[right_prefix->size - 1] = true;
        build_code(node->right, right_prefix, table);
        destroy_code(right_prefix);
    }
}

在上面的代码中，我们使用 `prefix` 位向量来跟踪路径上的节点。如果我们到达一个叶子节点，我们将该节点的编码存储在 `table` 数组中。否则，我们使用递归的方式遍历子树，并在路径上添加每个节点的编码。

现在，我们可以使用 `build_code` 函数来生成哈夫曼编码表。

code_t **table = calloc(ASCII_SIZE, sizeof(code_t *));
build_code(root, new_code(0), table);

现在，我们可以开始将输入文件压缩为输出文件。我们首先需要写入哈夫曼树的结构，以便在解压缩时使用它来将二进制编码转换回字符。我们将使用前序遍历的方式遍历哈夫曼树，并使用一个特殊的字符来表示叶子节点，后跟该节点表示的字符。

void write_tree(node_t *node, FILE *fp) {
    if (node->left == NULL && node->right == NULL) {
        fputc('\0', fp);
        fputc(node->c, fp);
    } else {
        fputc('\1', fp);
        write_tree(node->left, fp);
        write_tree(node->right, fp);
    }
}

void compress(FILE *in_fp, FILE *out_fp, code_t **table) {
    write_tree(root, out_fp);

    int buffer = 0;
    int length = 0;

    int c;
    while ((c = fgetc(in_fp)) != EOF) {
        code_t *code = table[c];
        for (int i = 0; i < code->size; i++) {
            buffer = (buffer << 1) | code->bits[i];
            length++;
            if (length == 8) {
                fputc(buffer, out_fp);
                buffer = 0;
                length = 0;
            }
        }
    }

    if (length > 0) {
        buffer <<= 8 - length;
        fputc(buffer, out_fp);
    }
}

在上面的代码中，我们使用 `write_tree` 函数写入哈夫曼树的结构。对于每个叶子节点，我们将字符写入输出文件。对于每个非叶子节点，我们将一个特殊的字符写入输出文件，并使用递归的方式遍历子树。

接下来，我们使用 `compress` 函数来压缩输入文件。我们使用 `table` 数组将每个字符映射到哈夫曼编码，并在输出文件中写入相应的二进制编码。我们将使用 `buffer` 变量来存储当前编码的位，使用 `length` 变量来跟踪编码的位数。一旦 `buffer` 中有 8 位，我们就将它写入输出文件，并重置 `buffer` 和 `length` 变量。如果输入文件的长度不是 8 的倍数，我们需要将最后几个位填充为 0。

现在，我们可以使用以下代码将输入文件压缩为输出文件。

FILE *in_fp = fopen("input.txt", "rb");
FILE *out_fp = fopen("output.bin", "wb");
compress(in_fp, out_fp, table);
fclose(in_fp);
fclose(out_fp);

## 实现文件的解压缩

现在，我们已经成功地将输入文件压缩为输出文件，并将哈夫曼树的结构写入输出文件。在解压缩时，我们需要先从输出文件中读取哈夫曼树的结构，然后使用它将二进制编码转换回字符。

首先，我们需要实现一个函数来从输出文件中读取哈夫曼树的结构，并返回根节点的指针。

node_t *read_tree(FILE *fp) {
    int c = fgetc(fp);
    if (c == '\0') {
        return new_node(fgetc(fp), 0);
    } else {
        node_t *left = read_tree(fp);
        node_t *right = read_tree(fp);
        return merge_nodes(left, right);
    }
}

在上面的代码中，我们使用 `fgetc` 函数从输出文件中读取一个字符。如果该字符是特殊字符，表示叶子节点，我们将从文件中读取字符，并使用 `new_node` 函数创建一个新的节点。否则，我们使用递归的方式读取子树，并使用 `merge_nodes` 函数将它们合并为一个父节点。

现在，我们可以使用 `read_tree` 函数从输出文件中读取哈夫曼树的结构。

FILE *in_fp = fopen("output.bin", "rb");
node_t *root = read_tree(in_fp);

接下来，我们需要实现一个函数来解压缩输出文件。我们将使用哈夫曼树将二进制编码转换回字符，并将字符写入输入文件。

void decompress(FILE *in_fp, FILE *out_fp, node_t *root) {
    node_t *node = root;

    int c;
    while ((c = fgetc(in_fp)) != EOF) {
        for (int i = 7; i >= 0; i--) {
            bool bit = (c >> i) & 1;
            if (bit) {
                node = node->right;
            } else {
                node = node->left;
            }
            if (node->left == NULL && node->right == NULL) {
                fputc(node->c, out_fp);
                node = root;
            }
        }
    }
}

在上面的代码中，我们使用 `root` 变量来跟踪当前节点。对于每个输入字节，我们将其拆分为 8 个位，并使用哈夫曼树将每个位转换回字符。一旦我们到达一个叶子节点，我们将该节点的字符写入输入文件，并将 `node` 变量重置为根节点。

现在，我们可以使用以下代码将输出文件解压缩为输入文件。

FILE *in_fp = fopen("output.bin", "rb");
FILE *out_fp = fopen("input_decompressed.txt", "wb");
decompress(in_fp, out_fp, root);
fclose(in_fp);
fclose(out_fp);

好了，我们已经成功地实现了一个基于哈夫曼算法的压缩软件！