哈夫曼树实现文件压缩与解压缩

时间: 2023-05-29 13:03:16 浏览: 141
哈夫曼树是一种用于数据压缩的有效算法,它基于构建一棵二叉树,使得每个字符都被赋予一个唯一的编码。在这个过程中,出现频率高的字符会被分配较短的编码,而出现频率低的字符会被分配更长的编码。这样,整个数据可以被压缩为一串较短的编码,从而减少存储和传输的开销。 实现文件压缩与解压缩的基本思路如下: 1. 统计文件中每个字符的出现频率,并以此构建哈夫曼树。 2. 根据哈夫曼树给每个字符分配一个唯一的编码,并将编码表保存到压缩文件中。 3. 遍历原文件,将每个字符替换为其对应的编码,并将编码序列保存到压缩文件中。 4. 解压缩时,读取压缩文件的编码表,构建哈夫曼树,并按照编码表将编码序列转换为原始字符序列。 下面是一个简单的Python实现: ```python import heapq import os # 定义节点类 class Node: def __init__(self, freq, char=None, left=None, right=None): self.freq = freq self.char = char self.left = left self.right = right def __lt__(self, other): return self.freq < other.freq # 统计字符频率 def get_freq(filename): freq = {} with open(filename, 'r') as f: for line in f: for char in line: if char in freq: freq[char] += 1 else: freq[char] = 1 return freq # 构建哈夫曼树 def build_tree(freq): heap = [Node(freq[char], char) for char in freq] heapq.heapify(heap) while len(heap) > 1: left = heapq.heappop(heap) right = heapq.heappop(heap) heapq.heappush(heap, Node(left.freq+right.freq, left=left, right=right)) return heap[0] # 生成编码表 def build_code_table(root): code_table = {} def dfs(node, code): if node.char is not None: code_table[node.char] = code else: dfs(node.left, code+'0') dfs(node.right, code+'1') dfs(root, '') return code_table # 压缩文件 def compress(filename): freq = get_freq(filename) root = build_tree(freq) code_table = build_code_table(root) with open(filename, 'r') as f, open(filename+'.z', 'wb') as out: # 写入编码表 out.write(str(len(code_table)).encode()) out.write(b'\n') for char, code in code_table.items(): out.write(char.encode()) out.write(b' ') out.write(code.encode()) out.write(b'\n') # 写入压缩数据 bit_buffer = '' for line in f: for char in line: bit_buffer += code_table[char] while len(bit_buffer) >= 8: byte = int(bit_buffer[:8], 2) out.write(bytes([byte])) bit_buffer = bit_buffer[8:] if bit_buffer: byte = int(bit_buffer.ljust(8, '0'), 2) out.write(bytes([byte])) # 解压文件 def decompress(filename): with open(filename, 'rb') as f, open(filename[:-2], 'w') as out: # 读取编码表 num_chars = int(f.readline().decode()) code_table = {} for i in range(num_chars): char, code = f.readline().decode().split() code_table[code] = char # 解压数据 bit_buffer = '' while True: byte = f.read(1) if not byte: break bits = bin(ord(byte))[2:].rjust(8, '0') bit_buffer += bits while True: code = '' if bit_buffer in code_table: code = code_table[bit_buffer] if not code: break out.write(code) bit_buffer = bit_buffer[len(code):] # 测试压缩和解压缩 filename = 'test.txt' compress(filename) decompress(filename+'.z') assert open(filename).read() == open(filename[:-2]).read() os.remove(filename+'.z') ``` 该实现中,压缩文件的后缀为“.z”,解压后的文件名与原文件相同。在压缩文件中,首先写入编码表,然后将编码序列按照8位一组转换为字节序列,并保存到压缩文件中。在解压缩时,先读取编码表,然后将压缩文件中的字节序列转换为二进制位序列,并按照编码表将二进制位序列转换为原始字符序列。
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