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。将建立哈夫曼树、实现哈夫曼编码、哈夫曼译码都定义成子函数的形式,用c语言写出并写出详细注释

时间: 2023-06-12 20:07:55 浏览: 114
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用哈夫曼编码C语言实现文件压缩-参考模板.pdf

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以下是基于哈夫曼算法的压缩软件的具体实现步骤: 1. 统计文件中各字符出现的频次 可以使用一个数组来记录每个字符出现的次数,遍历整个文件,对于每个读取到的字符,将其对应的计数器加一。 2. 构建哈夫曼树 首先将每个字符的出现频次作为权值,构建一个森林,每个节点为一个单独的树。接着按照权值从小到大的顺序选择两个树合并成一棵更大的树,直到最后只剩下一棵树,这棵树就是哈夫曼树。 3. 实现哈夫曼编码 从根节点出发,对于每个左子树的路径标记为 0,对于每个右子树的路径标记为 1,直到到达叶子节点,每个叶子节点对应一个字符的编码。将这些编码存储到一个编码表中,用于压缩文件时使用。 4. 实现文件压缩 首先将原始文件中的每个字符替换为其对应的哈夫曼编码,然后将编码后的文件写入到新的文件中。 5. 实现文件解压缩 对于压缩后的文件,读取其中的每个比特位,并从根节点开始,沿着哈夫曼树的路径寻找对应的字符,直到到达叶子节点。将找到的字符写入到解压缩后的文件中。 以下是具体的 C 语言实现代码: ```c #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> #define MAX_TREE_HT 100 // 定义哈夫曼树节点 struct MinHeapNode { char data; unsigned freq; struct MinHeapNode *left, *right; }; // 定义哈夫曼树堆 struct MinHeap { unsigned size; unsigned capacity; struct MinHeapNode** array; }; // 创建一个哈夫曼树节点 struct MinHeapNode* createNode(char data, unsigned freq) { struct MinHeapNode* node = (struct MinHeapNode*) malloc(sizeof(struct MinHeapNode)); node->left = node->right = NULL; node->data = data; node->freq = freq; return node; } // 创建一个空的哈夫曼树堆 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; } // 交换两个节点的位置 void swap(struct MinHeapNode** a, struct MinHeapNode** b) { struct MinHeapNode* t = *a; *a = *b; *b = t; } // 最小堆化 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) { swap(&minHeap->array[smallest], &minHeap->array[idx]); minHeapify(minHeap, smallest); } } // 检查堆的大小是否为 1 int isSizeOne(struct MinHeap* minHeap) { return (minHeap->size == 1); } // 抽取堆中最小的节点 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; } // 构建哈夫曼树 struct MinHeapNode* buildHuffmanTree(char data[], int freq[], int size) { struct MinHeapNode *left, *right, *top; struct MinHeap* minHeap = createMinHeap(size); for (int i = 0; i < size; ++i) insertMinHeap(minHeap, createNode(data[i], freq[i])); while (!isSizeOne(minHeap)) { left = extractMin(minHeap); right = extractMin(minHeap); top = createNode('$', left->freq + right->freq); top->left = left; top->right = right; insertMinHeap(minHeap, top); } return extractMin(minHeap); } // 将编码写入到哈夫曼树编码表中 void storeCodes(struct MinHeapNode* root, int arr[], int top, int codes[][MAX_TREE_HT]) { if (root->left) { arr[top] = 0; storeCodes(root->left, arr, top + 1, codes); } if (root->right) { arr[top] = 1; storeCodes(root->right, arr, top + 1, codes); } if (!root->left && !root->right) { for (int i = 0; i < top; ++i) codes[(int) root->data][i] = arr[i]; } } // 将字符串转换为比特流 void convertToBits(char* input, int* bits, int* size, int codes[][MAX_TREE_HT]) { int len = strlen(input); int bitIdx = 0; for (int i = 0; i < len; ++i) { int c = input[i]; int j = 0; while (codes[c][j] != -1) { bits[bitIdx++] = codes[c][j++]; } } *size = bitIdx; } // 将比特流转换为字符串 void convertToString(int* bits, int size, char* output, struct MinHeapNode* root) { struct MinHeapNode* p = root; int outIdx = 0; for (int i = 0; i < size; ++i) { if (bits[i] == 0) p = p->left; else p = p->right; if (!p->left && !p->right) { output[outIdx++] = p->data; p = root; } } output[outIdx] = '\0'; } // 压缩文件 void compress(char* inputFile, char* outputFile) { FILE* fpIn = fopen(inputFile, "r"); FILE* fpOut = fopen(outputFile, "wb"); char data[MAX_TREE_HT], c; int freq[MAX_TREE_HT] = {0}, size = 0; int codes[MAX_TREE_HT][MAX_TREE_HT]; int arr[MAX_TREE_HT]; int bitSize = 0, bitIdx = 0; int bits[MAX_TREE_HT * MAX_TREE_HT]; char buffer = 0; while ((c = fgetc(fpIn)) != EOF) { data[size++] = c; ++freq[(int) c]; } struct MinHeapNode* root = buildHuffmanTree(data, freq, size); memset(codes, -1, sizeof(codes)); storeCodes(root, arr, 0, codes); rewind(fpIn); while ((c = fgetc(fpIn)) != EOF) { int j = 0; while (codes[(int) c][j] != -1) { if (bitIdx == 8) { fwrite(&buffer, sizeof(buffer), 1, fpOut); buffer = 0; bitIdx = 0; } buffer <<= 1; buffer |= codes[(int) c][j]; ++bitIdx; ++j; } } if (bitIdx > 0) { buffer <<= (8 - bitIdx); fwrite(&buffer, sizeof(buffer), 1, fpOut); } fclose(fpIn); fclose(fpOut); } // 解压缩文件 void decompress(char* inputFile, char* outputFile) { FILE* fpIn = fopen(inputFile, "rb"); FILE* fpOut = fopen(outputFile, "w"); char data[MAX_TREE_HT], c; int freq[MAX_TREE_HT] = {0}, size = 0; int codes[MAX_TREE_HT][MAX_TREE_HT]; int arr[MAX_TREE_HT]; int bitIdx = 0; int bits[MAX_TREE_HT * MAX_TREE_HT]; char output[MAX_TREE_HT]; int outIdx = 0; while (fread(&c, sizeof(c), 1, fpIn) != 0) { int i = 0; for (i = 7; i >= 0; --i) { int bit = (c >> i) & 1; bits[bitIdx++] = bit; if (bitIdx % 8 == 0) { convertToString(bits + outIdx, 8, output, root); outIdx += strlen(output); fwrite(output, sizeof(char), strlen(output), fpOut); outIdx = 0; } } } if (bitIdx % 8 != 0) { while (bitIdx % 8 != 0) bits[bitIdx++] = 0; convertToString(bits + outIdx, bitIdx - outIdx, output, root); fwrite(output, sizeof(char), strlen(output), fpOut); } fclose(fpIn); fclose(fpOut); } int main() { char inputFile[] = "input.txt"; char compressedFile[] = "compressed.bin"; char decompressedFile[] = "decompressed.txt"; // 压缩文件 compress(inputFile, compressedFile); // 解压缩文件 decompress(compressedFile, decompressedFile); return 0; } ```
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