用C语言构造哈夫曼树并生成哈夫曼编码

哈夫曼树是一种特殊的二叉树，它常用于数据压缩和编码。构造哈夫曼树的过程分为两个步骤：

1. 选取最小的两个权值作为左右子节点，生成新的节点作为它们的父节点。
2. 将新节点的权值设置为左右子节点权值之和，并将新节点插入到已排序的权值列表中。

重复以上过程，直到所有的节点都被合并成一个根节点，就构造出了哈夫曼树。

生成哈夫曼编码的过程是，在哈夫曼树上从根节点出发，每当向左分支走时，在编码序列中添加一个0；每当向右分支走时，在编码序列中添加一个1。直到走到叶子节点，就得到了该节点对应的哈夫曼编码。

以下是一个用C语言实现哈夫曼树和编码的示例代码：

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

#define MAX_NODES 256
#define MAX_CODE_LEN 256

typedef struct node {
    unsigned char c;
    int weight;
    struct node *left;
    struct node *right;
} node;

typedef struct code {
    unsigned char c;
    char bits[MAX_CODE_LEN];
} code;

int freq[MAX_NODES];
node *nodes[MAX_NODES];
int node_count = 0;

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

void insert_node(node *n) {
    int i;
    for (i = node_count; i >= 0; i--) {
        if (i == 0 || nodes[i - 1]->weight <= n->weight) {
            nodes[i] = n;
            node_count++;
            break;
        }
        nodes[i] = nodes[i - 1];
    }
}

node *pop_node() {
    if (node_count == 0) {
        return NULL;
    }
    node_count--;
    return nodes[node_count];
}

node *build_tree() {
    while (node_count > 1) {
        node *n1 = pop_node();
        node *n2 = pop_node();
        node *n3 = new_node(0, n1->weight + n2->weight);
        n3->left = n1;
        n3->right = n2;
        insert_node(n3);
    }
    return nodes[0];
}

void free_tree(node *root) {
    if (root == NULL) {
        return;
    }
    free_tree(root->left);
    free_tree(root->right);
    free(root);
}

void print_code(node *root, code *codes, int depth, char *bits) {
    if (root == NULL) {
        return;
    }
    if (root->left == NULL && root->right == NULL) {
        codes[root->c].c = root->c;
        strncpy(codes[root->c].bits, bits, depth);
        return;
    }
    bits[depth] = '0';
    print_code(root->left, codes, depth + 1, bits);
    bits[depth] = '1';
    print_code(root->right, codes, depth + 1, bits);
}

void print_freq(char *str) {
    int i;
    printf("Char\tFrequency\n");
    for (i = 0; i < strlen(str); i++) {
        freq[str[i]]++;
    }
    for (i = 0; i < MAX_NODES; i++) {
        if (freq[i] > 0) {
            printf("%c\t%d\n", i, freq[i]);
        }
    }
}

void print_codes(code *codes) {
    int i;
    printf("Char\tHuffman Code\n");
    for (i = 0; i < MAX_NODES; i++) {
        if (codes[i].bits[0] != '\0') {
            printf("%c\t%s\n", codes[i].c, codes[i].bits);
        }
    }
}

int main() {
    char str[] = "hello world";
    code codes[MAX_NODES] = {0};
    node *root;
    int i;

    print_freq(str);
    for (i = 0; i < MAX_NODES; i++) {
        if (freq[i] > 0) {
            insert_node(new_node(i, freq[i]));
        }
    }
    root = build_tree();
    print_code(root, codes, 0, malloc(sizeof(char) * MAX_CODE_LEN));
    print_codes(codes);
    free_tree(root);

    return 0;
}

在上面的代码中，我们首先统计了输入字符串中每个字符出现的频率，然后按照频率构造了哈夫曼树，并生成了每个字符对应的哈夫曼编码。最后输出了字符频率和哈夫曼编码的对应关系。