c语言哈夫曼编码译码

时间: 2024-05-06 20:14:30 浏览: 107
哈夫曼编码是一种用于压缩数据的技术,它的基本思想是根据数据出现的频率构建一棵二叉树,并将出现频率较高的字符编码为较短的二进制码,出现频率较低的字符编码为较长的二进制码,从而达到压缩数据的目的。哈夫曼编码的解码过程就是根据构建的二叉树进行反向遍历,将二进制码转换为原来的字符。 哈夫曼编码的具体步骤如下: 1. 统计待压缩数据中每个字符出现的频率,将其保存在一个字符频率表中。 2. 将字符频率表中的每个字符作为叶子节点,构建哈夫曼树。构建哈夫曼树的过程可以采用贪心算法,每次选取频率最小的两个节点合并。 3. 对哈夫曼树进行编码,从根节点开始遍历哈夫曼树,遇到左子节点为0,遇到右子节点为1。将每个字符的编码保存在一个编码表中。 4. 将待压缩数据中的每个字符转换为其对应的哈夫曼编码,并将所有编码拼接起来,形成压缩后的数据。 哈夫曼解码的具体步骤如下: 1. 读取压缩后的数据,并从根节点开始遍历哈夫曼树。 2. 遇到0则遍历左子节点,遇到1则遍历右子节点,直到遍历到叶子节点。 3. 根据叶子节点对应的字符进行解码,并将解码后的字符保存起来,直到所有编码都被解码完毕。
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哈夫曼编码是一种压缩算法,它通过对原始数据进行编码,可以把数据压缩为更小的体积,从而减少存储空间和传输带宽的占用。C语言实现哈夫曼编码译码器的关键在于,需要用哈夫曼树来生成编码表,然后利用编码表来对数据进行编码和解码。 以下是一个简单的C语言实现哈夫曼编码译码器的示例代码: ```c #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> #define MAX_TREE_HT 100 struct MinHeapNode { char data; unsigned freq; struct MinHeapNode *left, *right; }; struct MinHeap { unsigned size; unsigned capacity; struct MinHeapNode **array; }; struct MinHeapNode *newNode(char data, unsigned freq) { struct MinHeapNode *temp = (struct MinHeapNode *)malloc(sizeof(struct MinHeapNode)); temp->left = temp->right = NULL; temp->data = data; temp->freq = freq; return temp; } struct MinHeap *createMinHeap(unsigned capacity) { struct MinHeap *minHeap = (struct MinHeap *)malloc(sizeof(struct MinHeap)); minHeap->size = 0; minHeap->capacity = capacity; minHeap->array = (struct MinHeapNode **)malloc(minHeap->capacity * sizeof(struct MinHeapNode *)); return minHeap; } void swapMinHeapNode(struct MinHeapNode **a, struct MinHeapNode **b) { struct MinHeapNode *t = *a; *a = *b; *b = t; } void minHeapify(struct MinHeap *minHeap, int idx) { int smallest = idx; int left = 2 * idx + 1; int right = 2 * idx + 2; if (left < minHeap->size && minHeap->array[left]->freq < minHeap->array[smallest]->freq) smallest = left; if (right < minHeap->size && minHeap->array[right]->freq < minHeap->array[smallest]->freq) smallest = right; if (smallest != idx) { swapMinHeapNode(&minHeap->array[smallest], &minHeap->array[idx]); minHeapify(minHeap, smallest); } } int isSizeOne(struct MinHeap *minHeap) { return (minHeap->size == 1); } struct MinHeapNode *extractMin(struct MinHeap *minHeap) { struct MinHeapNode *temp = minHeap->array[0]; minHeap->array[0] = minHeap->array[minHeap->size - 1]; --minHeap->size; minHeapify(minHeap, 0); return temp; } void insertMinHeap(struct MinHeap *minHeap, struct MinHeapNode *minHeapNode) { ++minHeap->size; int i = minHeap->size - 1; while (i && minHeapNode->freq < minHeap->array[(i - 1) / 2]->freq) { minHeap->array[i] = minHeap->array[(i - 1) / 2]; i = (i - 1) / 2; } minHeap->array[i] = minHeapNode; } void buildMinHeap(struct MinHeap *minHeap) { int n = minHeap->size - 1; int i; for (i = (n - 1) / 2; i >= 0; --i) minHeapify(minHeap, i); } void printArr(int arr[], int n) { int i; for (i = 0; i < n; ++i) printf("%d", arr[i]); printf("\n"); } int isLeaf(struct MinHeapNode *root) { return !(root->left) && !(root->right); } struct MinHeap *createAndBuildMinHeap(char data[], int freq[], int size) { struct MinHeap *minHeap = createMinHeap(size); int i; for (i = 0; i < size; ++i) minHeap->array[i] = newNode(data[i], freq[i]); minHeap->size = size; buildMinHeap(minHeap); return minHeap; } struct MinHeapNode *buildHuffmanTree(char data[], int freq[], int size) { struct MinHeapNode *left, *right, *top; struct MinHeap *minHeap = createAndBuildMinHeap(data, freq, size); while (!isSizeOne(minHeap)) { left = extractMin(minHeap); right = extractMin(minHeap); top = newNode('$', left->freq + right->freq); top->left = left; top->right = right; insertMinHeap(minHeap, top); } return extractMin(minHeap); } void printCodes(struct MinHeapNode *root, int arr[], int top) { if (root->left) { arr[top] = 0; printCodes(root->left, arr, top + 1); } if (root->right) { arr[top] = 1; printCodes(root->right, arr, top + 1); } if (isLeaf(root)) { printf("%c: ", root->data); printArr(arr, top); } } void HuffmanCodes(char data[], int freq[], int size) { struct MinHeapNode *root = buildHuffmanTree(data, freq, size); int arr[MAX_TREE_HT], top = 0; printCodes(root, arr, top); } int main() { char arr[] = {'a', 'b', 'c', 'd', 'e', 'f'}; int freq[] = {5, 9, 12, 13, 16, 45}; int size = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]); HuffmanCodes(arr, freq, size); return 0; } ``` 这段代码定义了一个`MinHeapNode`结构体表示哈夫曼树的节点,`MinHeap`结构体表示最小堆,其中`array`数组存储了指向哈夫曼树节点的指针。`newNode`函数用于创建一个新的哈夫曼树节点,`createMinHeap`函数用于创建一个最小堆,`swapMinHeapNode`函数用于交换两个最小堆节点的位置,`minHeapify`函数用于维护最小堆的性质,`isSizeOne`函数用于判断最小堆的大小是否为1,`extractMin`函数用于取出最小堆的根节点,`insertMinHeap`函数用于插入一个新的节点到最小堆中,`buildMinHeap`函数用于构建最小堆,`printArr`函数用于打印一个整型数组,`isLeaf`函数用于判断一个节点是否为叶子节点,`createAndBuildMinHeap`函数用于创建并构建一个最小堆,`buildHuffmanTree`函数用于构建哈夫曼树,`printCodes`函数用于打印哈夫曼编码,`HuffmanCodes`函数用于生成哈夫曼编码。 你可以根据自己的需要对这段代码进行修改和补充,以实现一个完整的哈夫曼编码译码器。

用c语言哈夫曼编码和译码

以下是使用C语言实现哈夫曼编码和译码的示例代码,其中包含注释说明: ```c #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> #define MAX_TREE_HT 100 // 哈夫曼树节点结构体 struct MinHeapNode { char data; unsigned freq; struct MinHeapNode *left, *right; }; // 哈夫曼树结构体 struct MinHeap { unsigned size; unsigned capacity; struct MinHeapNode **array; }; // 创建一个新的哈夫曼树节点 struct MinHeapNode* newNode(char data, unsigned freq) { struct MinHeapNode* temp = (struct MinHeapNode*)malloc(sizeof(struct MinHeapNode)); temp->left = temp->right = NULL; temp->data = data; temp->freq = freq; return temp; } // 创建一个新的哈夫曼树 struct MinHeap* createMinHeap(unsigned capacity) { struct MinHeap* minHeap = (struct MinHeap*)malloc(sizeof(struct MinHeap)); minHeap->size = 0; minHeap->capacity = capacity; minHeap->array = (struct MinHeapNode**)malloc(minHeap->capacity * sizeof(struct MinHeapNode*)); return minHeap; } // 交换两个哈夫曼树节点 void swapMinHeapNode(struct MinHeapNode** a, struct MinHeapNode** b) { struct MinHeapNode* t = *a; *a = *b; *b = t; } // 维护最小堆的性质 void minHeapify(struct MinHeap* minHeap, int idx) { int smallest = idx; int left = 2 * idx + 1; int right = 2 * idx + 2; if (left < minHeap->size && minHeap->array[left]->freq < minHeap->array[smallest]->freq) smallest = left; if (right < minHeap->size && minHeap->array[right]->freq < minHeap->array[smallest]->freq) smallest = right; if (smallest != idx) { swapMinHeapNode(&minHeap->array[smallest], &minHeap->array[idx]); minHeapify(minHeap, smallest); } } // 判断堆是否只有一个节点 int isSizeOne(struct MinHeap* minHeap) { return (minHeap->size == 1); } // 从堆中取出最小的节点 struct MinHeapNode* extractMin(struct MinHeap* minHeap) { struct MinHeapNode* temp = minHeap->array[0]; minHeap->array[0] = minHeap->array[minHeap->size - 1]; --minHeap->size; minHeapify(minHeap, 0); return temp;} // 插入一个新的节点到堆中 void insertMinHeap(struct MinHeap* minHeap, struct MinHeapNode* minHeapNode) { ++minHeap->size; int i = minHeap->size - 1; while (i && minHeapNode->freq < minHeap->array[(i - 1) / 2]->freq) { minHeap->array[i] = minHeap->array[(i - 1) / 2]; i = (i - 1) / 2; } minHeap->array[i] = minHeapNode; } // 判断节点是否是叶子节点 int isLeaf(struct MinHeapNode* root) { return !(root->left) && !(root->right); } // 创建一个新的哈夫曼树 struct MinHeap* createAndBuildMinHeap(char data[], int freq[], int size) { struct MinHeap* minHeap = createMinHeap(size); for (int i = 0; i < size; ++i) minHeap->array[i] = newNode(data[i], freq[i]); minHeap->size = size; for (int i = (minHeap->size - 1) / 2; i >= 0; --i) minHeapify(minHeap, i); return minHeap; } // 构建哈夫曼树 struct MinHeapNode* buildHuffmanTree(char data[], int freq[], int size) { struct MinHeapNode *left, *right, *top; struct MinHeap* minHeap = createAndBuildMinHeap(data, freq, size); while (!isSizeOne(minHeap)) { left = extractMin(minHeap); right = extractMin(minHeap); top = newNode('$', left->freq + right->freq); top->left = left; top->right = right; insertMinHeap(minHeap, top); } return extractMin(minHeap); } // 打印哈夫曼编码 void printCodes(struct MinHeapNode* root, int arr[], int top) { if (root->left) { arr[top] = 0; printCodes(root->left, arr, top + 1); } if (root->right) { arr[top] = 1; printCodes(root->right, arr, top + 1); } if (isLeaf(root)) { printf("%c: ", root->data); for (int i = 0; i < top; ++i) printf("%d", arr[i]); printf("\n"); } } // 哈夫曼编码主函数 void HuffmanCodes(char data[], int freq[], int size) { struct MinHeapNode* root = buildHuffmanTree(data, freq, size); int arr[MAX_TREE_HT], top = 0; printCodes(root, arr, top); } // 哈夫曼译码主函数 void decodeHuffman(struct MinHeapNode* root, char* s) { struct MinHeapNode* curr = root; while (*s) { if (*s == '0') curr = curr->left; else curr = curr->right; if (isLeaf(curr)) { printf("%c", curr->data); curr = root; } ++s; } } // 计算信源熵 float calculateEntropy(int freq[], int size) { float entropy = 0.0; int total = 0; for (int i = 0; i < size; ++i) total += freq[i]; for (int i = 0; i < size; ++i) { float p = (float)freq[i] / total; entropy -= p * log2(p); } return entropy; } // 计算平均编码长度 float calculateAvgCodeLength(int freq[], int size, int codes[][MAX_TREE_HT]) { float avgCodeLength = 0.0; int total = 0; for (int i = 0; i < size; ++i) total += freq[i]; for (int i = 0; i < size; ++i) { float p = (float)freq[i] / total; int len = strlen((char*)codes[i]); avgCodeLength += p * len; } return avgCodeLength; } int main() { char data[] = {'a', 'b', 'c', 'd', 'e', 'f'}; int freq[] = {5, 9, 12, 13, 16, 45}; int size = sizeof(data) / sizeof(data[0]); printf("Huffman Codes:\n"); HuffmanCodes(data, freq, size); printf("\n"); char str[] = "101010000111110101011100"; printf("Decoded Huffman data: "); decodeHuffman(buildHuffmanTree(data, freq, size), str); printf("\n"); printf("Entropy: %f\n", calculateEntropy(freq, size)); int codes[size][MAX_TREE_HT]; for (int i = 0; i < size; ++i) memset(codes[i], 0, sizeof(codes[i])); int arr[MAX_TREE_HT], top = 0; printCodes(buildHuffmanTree(data, freq, size), arr, top); printf("Average Code Length: %f\n", calculateAvgCodeLength(freq, size, codes)); return 0; } ```
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