用C语言利用Huffman树和Huffman编码实现一个无损数据压缩程序

时间: 2024-03-10 14:47:40 浏览: 19
好的,这是一个非常有趣的问题。实现一个基于Huffman树和Huffman编码的无损数据压缩程序,可以分为以下几个步骤: 1. 统计每个字符出现的频率,构建Huffman树 首先,需要对待压缩的数据进行遍历,统计每个字符出现的频率。然后,使用这些频率构建Huffman树。这个过程可以使用堆来实现,具体实现可以参考哈夫曼编码的构造算法。 2. 生成Huffman编码表 构建好Huffman树之后,可以根据Huffman树的特性,生成每个字符对应的Huffman编码。具体实现可以使用递归的方式,在遍历Huffman树的过程中生成Huffman编码表。 3. 将数据进行压缩 有了Huffman编码表之后,就可以对待压缩的数据进行压缩了。具体实现可以将数据中的每个字符替换成对应的Huffman编码,然后将所有的编码拼接在一起,形成一个二进制字符串。 4. 将压缩后的数据写入文件 最后,将压缩后的二进制字符串写入文件中即可。 这里提供一份参考代码,仅供参考: ```c #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> #define MAX_CHAR_NUM 256 #define MAX_BIT_NUM 1000000 typedef struct TreeNode { unsigned char data; // 存储字符 int freq; // 存储字符出现的频率 struct TreeNode *left; struct TreeNode *right; } TreeNode; typedef struct Heap { int size; TreeNode *data[MAX_CHAR_NUM*2]; } Heap; typedef struct HuffmanCode { unsigned char data; char code[MAX_BIT_NUM]; } HuffmanCode; void swap(TreeNode **a, TreeNode **b) { TreeNode *temp = *a; *a = *b; *b = temp; } void minHeapify(Heap *heap, int index) { int left = index * 2, right = index * 2 + 1, smallest = index; if (left <= heap->size && heap->data[left]->freq < heap->data[smallest]->freq) smallest = left; if (right <= heap->size && heap->data[right]->freq < heap->data[smallest]->freq) smallest = right; if (smallest != index) { swap(&heap->data[index], &heap->data[smallest]); minHeapify(heap, smallest); } } void buildMinHeap(Heap *heap) { int i; for (i = heap->size / 2; i >= 1; i--) minHeapify(heap, i); } TreeNode *createTreeNode(unsigned char data, int freq) { TreeNode *newNode = (TreeNode*) malloc(sizeof(TreeNode)); newNode->data = data; newNode->freq = freq; newNode->left = NULL; newNode->right = NULL; return newNode; } Heap *createHeap() { Heap *newHeap = (Heap*) malloc(sizeof(Heap)); newHeap->size = 0; return newHeap; } void insertHeap(Heap *heap, TreeNode *node) { heap->size++; heap->data[heap->size] = node; int i = heap->size; while (i > 1 && heap->data[i]->freq < heap->data[i/2]->freq) { swap(&heap->data[i], &heap->data[i/2]); i = i / 2; } } TreeNode *deleteMin(Heap *heap) { TreeNode *minNode = heap->data[1]; heap->data[1] = heap->data[heap->size]; heap->size--; minHeapify(heap, 1); return minNode; } TreeNode *buildHuffmanTree(int freq[]) { int i; Heap *heap = createHeap(); for (i = 0; i < MAX_CHAR_NUM; i++) if (freq[i] > 0) insertHeap(heap, createTreeNode(i, freq[i])); buildMinHeap(heap); while (heap->size > 1) { TreeNode *left = deleteMin(heap); TreeNode *right = deleteMin(heap); TreeNode *parent = createTreeNode('$', left->freq + right->freq); parent->left = left; parent->right = right; insertHeap(heap, parent); } return deleteMin(heap); } void generateHuffmanCode(TreeNode *root, char code[], int depth, HuffmanCode huffmanCodes[]) { if (root->left == NULL && root->right == NULL) { huffmanCodes[root->data].data = root->data; strcpy(huffmanCodes[root->data].code, code); return; } code[depth] = '0'; generateHuffmanCode(root->left, code, depth+1, huffmanCodes); code[depth] = '1'; generateHuffmanCode(root->right, code, depth+1, huffmanCodes); } void compressFile(char *inputFile, char *outputFile, HuffmanCode huffmanCodes[]) { FILE *fin = fopen(inputFile, "rb"); FILE *fout = fopen(outputFile, "wb"); int freq[MAX_CHAR_NUM], i; memset(freq, 0, sizeof(freq)); unsigned char c; while (fread(&c, 1, 1, fin) > 0) freq[c]++; fseek(fin, 0, SEEK_SET); TreeNode *root = buildHuffmanTree(freq); char code[MAX_BIT_NUM]; generateHuffmanCode(root, code, 0, huffmanCodes); int bitCount = 0; char buffer = 0; while (fread(&c, 1, 1, fin) > 0) { for (i = 0; i < strlen(huffmanCodes[c].code); i++) { buffer = buffer << 1; if (huffmanCodes[c].code[i] == '1') buffer |= 1; bitCount++; if (bitCount == 8) { fwrite(&buffer, 1, 1, fout); bitCount = 0; buffer = 0; } } } if (bitCount > 0) { buffer = buffer << (8 - bitCount); fwrite(&buffer, 1, 1, fout); } fclose(fin); fclose(fout); } void decompressFile(char *inputFile, char *outputFile, TreeNode *root) { FILE *fin = fopen(inputFile, "rb"); FILE *fout = fopen(outputFile, "wb"); unsigned char c; TreeNode *p = root; while (fread(&c, 1, 1, fin) > 0) { int i; for (i = 7; i >= 0; i--) { if ((c & (1 << i)) == 0) p = p->left; else p = p->right; if (p->left == NULL && p->right == NULL) { fwrite(&p->data, 1, 1, fout); p = root; } } } fclose(fin); fclose(fout); } int main() { char inputFile[] = "input.txt"; char compressedFile[] = "compressed.bin"; char decompressedFile[] = "decompressed.txt"; HuffmanCode huffmanCodes[MAX_CHAR_NUM]; memset(huffmanCodes, 0, sizeof(huffmanCodes)); compressFile(inputFile, compressedFile, huffmanCodes); TreeNode *root = buildHuffmanTree(NULL); decompressFile(compressedFile, decompressedFile, root); return 0; } ``` 这份代码使用了堆来构建Huffman树,使用了递归的方式来生成Huffman编码表,并且实现了对文件进行压缩和解压缩的功能。需要注意的是,对于一个字符集大小为N的情况,Huffman树的构建时间复杂度为O(NlogN),压缩和解压缩的时间复杂度也为O(NlogN)。

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好的,根据上面的目标函数,我们可以推导出其对应的梯度向量函数,如下所示: def gradient(x, y, beta): """ Compute gradient of the logistic regression loss function :param beta: model parameter vector :param x: feature matrix :param y: label vector :return: gradient vector """ n = x.shape[0] pred = 1 /
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