基于哈夫曼树的数据压缩算法java

时间: 2023-11-23 09:57:52 浏览: 95
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哈夫曼树压缩算法实现

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哈夫曼树是一种常用的数据压缩算法,以下是基于哈夫曼树的数据压缩算法的Java实现。 首先,我们需要定义一个哈夫曼树的节点类,包含字符、权重和左右子节点等属性: ```java class HuffmanNode { char c; int weight; HuffmanNode left; HuffmanNode right; public HuffmanNode(char c, int weight) { this.c = c; this.weight = weight; } public HuffmanNode(HuffmanNode left, HuffmanNode right) { this.weight = left.weight + right.weight; this.left = left; this.right = right; } public boolean isLeaf() { return left == null && right == null; } } ``` 接下来,我们需要实现构建哈夫曼树的方法。我们可以先统计字符出现的频率,然后根据频率构建哈夫曼树。具体实现如下: ```java public static HuffmanNode buildHuffmanTree(String text) { Map<Character, Integer> freqMap = new HashMap<>(); for (char c : text.toCharArray()) { freqMap.put(c, freqMap.getOrDefault(c, 0) + 1); } PriorityQueue<HuffmanNode> pq = new PriorityQueue<>(Comparator.comparingInt(n -> n.weight)); for (Map.Entry<Character, Integer> entry : freqMap.entrySet()) { pq.offer(new HuffmanNode(entry.getKey(), entry.getValue())); } while (pq.size() > 1) { HuffmanNode left = pq.poll(); HuffmanNode right = pq.poll(); pq.offer(new HuffmanNode(left, right)); } return pq.poll(); } ``` 接着,我们可以实现编码和解码方法。编码方法将输入的字符串转换为二进制编码,解码方法将二进制编码转换为原字符串。具体实现如下: ```java public static Map<Character, String> buildEncodingMap(HuffmanNode root) { Map<Character, String> map = new HashMap<>(); buildEncodingMapHelper(root, "", map); return map; } private static void buildEncodingMapHelper(HuffmanNode node, String code, Map<Character, String> map) { if (node.isLeaf()) { map.put(node.c, code); return; } buildEncodingMapHelper(node.left, code + "0", map); buildEncodingMapHelper(node.right, code + "1", map); } public static String encode(String text, HuffmanNode root) { Map<Character, String> encodingMap = buildEncodingMap(root); StringBuilder sb = new StringBuilder(); for (char c : text.toCharArray()) { sb.append(encodingMap.get(c)); } return sb.toString(); } public static String decode(String code, HuffmanNode root) { StringBuilder sb = new StringBuilder(); HuffmanNode node = root; for (char c : code.toCharArray()) { node = c == '0' ? node.left : node.right; if (node.isLeaf()) { sb.append(node.c); node = root; } } return sb.toString(); } ``` 最后,我们可以将上述方法组合在一起,实现完整的数据压缩算法: ```java public static String compress(String text) { HuffmanNode root = buildHuffmanTree(text); String code = encode(text, root); String header = buildHeader(root); return header + code; } public static String decompress(String compressedText) { String[] parts = compressedText.split(":", 2); HuffmanNode root = parseHeader(parts[0]); String code = parts[1]; return decode(code, root); } private static String buildHeader(HuffmanNode root) { StringBuilder sb = new StringBuilder(); buildHeaderHelper(root, sb); sb.append(":"); return sb.toString(); } private static void buildHeaderHelper(HuffmanNode node, StringBuilder sb) { if (node.isLeaf()) { sb.append(node.c); return; } sb.append("0"); buildHeaderHelper(node.left, sb); sb.append("1"); buildHeaderHelper(node.right, sb); } private static HuffmanNode parseHeader(String header) { Stack<HuffmanNode> stack = new Stack<>(); HuffmanNode root = null; for (char c : header.toCharArray()) { if (c == '0') { HuffmanNode node = new HuffmanNode('\0', 0); if (!stack.isEmpty()) { HuffmanNode parent = stack.peek(); if (parent.left == null) { parent.left = node; } else { parent.right = node; } } stack.push(node); } else if (c == '1') { HuffmanNode right = stack.pop(); HuffmanNode left = stack.pop(); HuffmanNode parent = new HuffmanNode(left, right); if (stack.isEmpty()) { root = parent; } else { HuffmanNode grandParent = stack.peek(); if (grandParent.left == left) { grandParent.left = parent; } else { grandParent.right = parent; } } stack.push(parent); } else { throw new IllegalArgumentException("Invalid header: " + header); } } if (stack.size() != 1) { throw new IllegalArgumentException("Invalid header: " + header); } return root; } ``` 这样,我们就实现了一个基于哈夫曼树的数据压缩算法。
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综合实验: 1. 问题描述 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。 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。 (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:印哈夫曼树(Tree printing)。将已在内存中的哈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哈夫曼树写入文件TreePrint 中。 3. 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,并实现以下报文的编码和译码:“THIS PROGRAME IS MY FAVORITE”。 字符 A B C D E F G H I J K L M 频度 186 64 13 22 32 103 21 15 47 57 1 5 32 20 字符 N O P Q R S T U V W X Y Z 频度 57 63 15 1 48 51 80 23 8 18 1 16 1

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