基于哈夫曼树的数据压缩算法C语言

时间: 2023-06-29 08:17:19 浏览: 108
哈夫曼编码是一种数据压缩算法,可以将数据压缩成更小的数据量,以节省存储空间和传输带宽。下面是基于哈夫曼树的数据压缩算法的C语言实现: ```c #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> #define MAX_TREE_HT 100 #define MAX_CHAR 256 //哈夫曼树的结构体 struct MinHeapNode { char data; int freq; struct MinHeapNode *left, *right; }; struct MinHeap { int size; int capacity; struct MinHeapNode **array; }; //创建一个新的哈夫曼树节点 struct MinHeapNode* newNode(char data, int freq) { struct MinHeapNode* node = (struct MinHeapNode*) malloc(sizeof(struct MinHeapNode)); node->left = node->right = NULL; node->data = data; node->freq = freq; return node; } //创建一个新的最小堆 struct MinHeap* createMinHeap(int 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); } } //判断最小堆是否只有一个节点 int isSizeOne(struct MinHeap* minHeap) { return (minHeap->size == 1); } //获取最小堆的最小节点 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; } //插入一个节点到最小堆 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; } //判断一个节点是否是叶子节点 int isLeaf(struct MinHeapNode* root) { return !(root->left) && !(root->right); } //创建一个最小堆,并将所有字符的频率作为节点的值 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); } //打印哈夫曼编码表 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"); } } //压缩数据 void compress(char* input_string, char* output_string) { int freq[MAX_CHAR] = {0}; int n = strlen(input_string); for (int i = 0; i < n; ++i) ++freq[input_string[i]]; struct MinHeapNode* root = buildHuffmanTree(input_string, freq, MAX_CHAR); int arr[MAX_TREE_HT], top = 0; printCodes(root, arr, top); for (int i = 0; i < n; ++i) { int j; for (j = 0; j < MAX_CHAR; ++j) if (input_string[i] == root->data) break; int k = 0; while (k < top) { output_string[k++] = arr[j++]; } } } int main() { char input_string[] = "Hello World"; char output_string[MAX_TREE_HT]; compress(input_string, output_string); printf("Compressed string: %s\n", output_string); return 0; } ``` 该算法主要包括以下步骤: 1. 创建一个哈夫曼树节点结构体,包括字符数据、字符出现频率、左子节点和右子节点。 2. 创建一个最小堆结构体,包括当前堆的大小、最大容量和哈夫曼树节点数组。 3. 实现最小堆的常用操作,包括维护最小堆性质、插入节点、获取最小节点等。 4. 构建哈夫曼树,将所有字符的频率作为节点的值,以最小堆的形式存储,并通过不断提取最小值构建哈夫曼树。 5. 打印哈夫曼编码表,遍历哈夫曼树,当遇到叶子节点时,输出该字符的编码。 6. 压缩数据,遍历输入字符串,找到对应字符的编码,并将编码存储到输出字符串中。 以上是哈夫曼编码的基本实现,实际应用中还需要考虑压缩文件头、解压缩等问题。

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