c 哈夫曼树文件压缩

哈夫曼树（Huffman Tree），也称为最优二叉树或霍夫曼编码，是一种用于数据压缩的算法。它是基于字符频率统计的一种无损压缩方法，常被应用于文本文件的存储和传输中，比如ASCII码就是一种简单的哈夫曼编码。

在C语言中，构建哈夫曼树的过程通常包含以下几个步骤：

1. **字符频率统计**：首先，分析输入文本中的每个字符及其出现的频率，创建一个频率表。

2. **构造初始节点**：将频率作为节点的权值，创建一个空的堆（通常是一个优先队列），并把所有字符和它们的频率放入堆中。

3. **构建树过程**：每次从堆顶取出两个权值最小的节点，合并成一个新的节点，新的节点的权值等于这两个子节点的权值之和，并将其回填到堆中。这个过程会持续直到只剩下一个节点，即为哈夫曼树的根节点。

4. **编码规则**：从根节点开始，对于原始字符，沿着树向下遍历，遇到分叉就向左走（代表0），向右走（代表1）。这样得到的一串“0”、“1”序列就是该字符的哈夫曼编码。

5. **文件压缩**：最后，用每个字符的哈夫曼编码替换其原始形式，因为频率低的字符对应的编码通常更短，所以整体上能有效减小文件大小。

相关问题

哈夫曼树文件压缩c语言

以下是使用C语言实现哈夫曼树文件压缩的步骤：

1.读取文件并统计每个字符出现的次数。

FILE *fp;
char ch;
int freq[256] = {0};
fp = fopen("filename.txt", "r");
while((ch = fgetc(fp)) != EOF) {
    freq[ch]++;
}
fclose(fp);

2.构建哈夫曼树。

struct node {
    int freq;
    char data;
    struct node *left, *right;
};
struct node *newNode(int freq, char data) {
    struct node *temp = (struct node*)malloc(sizeof(struct node));
    temp->freq = freq;
    temp->data = data;
    temp->left = temp->right = NULL;
    return temp;
}
struct node *buildHuffmanTree(int freq[]) {
    struct node *left, *right, *top;
    priority_queue<node*, vector<node*>, compare> minHeap;
    for(int i=0; i<256; i++) {
        if(freq[i] != 0) {
            minHeap.push(newNode(freq[i], i));
        }
    }
    while(minHeap.size() != 1) {
        left = minHeap.top();
        minHeap.pop();
        right = minHeap.top();
        minHeap.pop();
        top = newNode(left->freq + right->freq, '$');
        top->left = left;
        top->right = right;
        minHeap.push(top);
    }
    return minHeap.top();
}

3.生成哈夫曼编码。

void generateHuffmanCode(struct node *root, string str, unordered_map<char, string> &huffmanCode) {
    if(!root) {
        return;
    }
    if(root->data != '$') {
        huffmanCode[root->data] = str;
    }
    generateHuffmanCode(root->left, str + "0", huffmanCode);
    generateHuffmanCode(root->right, str + "1", huffmanCode);
}

4.将哈夫曼编码写入文件。

fp = fopen("compressed_file.bin", "wb");
for(int i=0; i<strlen(original_file); i++) {
    fwrite(huffmanCode[original_file[i]].c_str(), sizeof(char), huffmanCode[original_file[i]].size(), fp);
}
fclose(fp);

5.解压缩文件。

fp = fopen("compressed_file.bin", "rb");
while((ch = fgetc(fp)) != EOF) {
    str += ch;
    for(auto i: huffmanCode) {
        if(str == i.second) {
            decompressed_file += i.first;
            str = "";
        }
    }
}
fclose(fp);

6.计算压缩率。

double compressionRatio = (double)compressedFileSize / originalFileSize;

7.比较解压文件是否与原文件内容一致。

if(original_file == decompressed_file) {
    printf("Decompressed file is same as original file.\n");
} else {
    printf("Decompressed file is not same as original file.\n");
}

c语言哈夫曼树压缩解压文件

以下是C语言实现哈夫曼树压缩解压文件的步骤和代码示例：

1. 定义哈夫曼树节点结构体和哈夫曼编码表结构体

typedef struct {
    unsigned int weight; // 字符权重
    unsigned int parent, lchild, rchild; // 父节点、左子节点、右子节点
} HTNode, *HuffmanTree;

typedef char** HuffmanCode; // 动态分配数组存储哈夫曼编码表

2. 定义哈夫曼树相关函数

// 选择权值最小的两个节点
void select(HuffmanTree HT, int n, int* s1, int* s2);

// 建立哈夫曼树
void createHuffmanTree(HuffmanTree* HT, int n);

// 生成哈夫曼编码
void createHuffmanCode(HuffmanTree HT, HuffmanCode* HC, int n);

// 压缩文件
void compressFile(char* inputFile, char* outputFile, HuffmanCode HC);

// 解压文件
void decompressFile(char* inputFile, char* outputFile, HuffmanTree HT, int fileLength);

3. 实现哈夫曼树相关函数

// 选择权值最小的两个节点
void select(HuffmanTree HT, int n, int* s1, int* s2) {
    int i;
    unsigned int min1 = UINT_MAX, min2 = UINT_MAX; // 初始化为最大值
    for (i = 1; i <= n; i++) {
        if (HT[i].parent == 0) { // 只考虑未被选中的节点
            if (HT[i].weight < min1) {
                min2 = min1;
                *s2 = *s1;
                min1 = HT[i].weight;
                *s1 = i;
            }
            else if (HT[i].weight < min2) {
                min2 = HT[i].weight;
                *s2 = i;
            }
        }
    }
}

// 建立哈夫曼树
void createHuffmanTree(HuffmanTree* HT, int n) {
    if (n <= 1) {
        return;
    }
    int m = 2 * n - 1; // 哈夫曼树总节点数
    *HT = (HuffmanTree)malloc((m + 1) * sizeof(HTNode)); // 动态分配数组存储哈夫曼树
    int i;
    for (i = 1; i <= n; i++) { // 初始化前n个节点
        (*HT)[i].weight = 0;
        (*HT)[i].parent = 0;
        (*HT)[i].lchild = 0;
        (*HT)[i].rchild = 0;
    }
    for (i = n + 1; i <= m; i++) { // 初始化后m-n个节点
        (*HT)[i].weight = 0;
        (*HT)[i].parent = 0;
        (*HT)[i].lchild = 0;
        (*HT)[i].rchild = 0;
    }
    for (i = 1; i <= n; i++) { // 输入前n个节点的权值
        scanf("%d", &((*HT)[i].weight));
    }
    int s1, s2;
    for (i = n + 1; i <= m; i++) { // 构造哈夫曼树
        select(*HT, i - 1, &s1, &s2);
        (*HT)[s1].parent = i;
        (*HT)[s2].parent = i;
        (*HT)[i].lchild = s1;
        (*HT)[i].rchild = s2;
        (*HT)[i].weight = (*HT)[s1].weight + (*HT)[s2].weight;
    }
}

// 生成哈夫曼编码
void createHuffmanCode(HuffmanTree HT, HuffmanCode* HC, int n) {
    *HC = (HuffmanCode)malloc((n + 1) * sizeof(char*)); // 动态分配数组存储哈夫曼编码表
    char* code = (char*)malloc(n * sizeof(char)); // 分配临时存储编码的空间
    code[n - 1] = '\0'; // 编码结束符
    int i;
    for (i = 1; i <= n; i++) { // 逐个字符求哈夫曼编码
        int start = n - 1; // 编码结束符位置
        int c = i; // 从叶子节点开始向上回溯
        int f = HT[i].parent;
        while (f != 0) { // 直到回溯到根节点
            if (HT[f].lchild == c) {
                code[--start] = '0';
            }
            else {
                code[--start] = '1';
            }
            c = f;
            f = HT[f].parent;
        }
        (*HC)[i] = (char*)malloc((n - start) * sizeof(char)); // 分配存储编码的空间
        strcpy((*HC)[i], &code[start]); // 复制编码
    }
    free(code); // 释放临时存储编码的空间
}

// 压缩文件
void compressFile(char* inputFile, char* outputFile, HuffmanCode HC) {
    FILE* in = fopen(inputFile, "rb"); // 以二进制方式打开输入文件
    FILE* out = fopen(outputFile, "wb"); // 以二进制方式打开输出文件
    unsigned char c; // 读入的字符
    unsigned char buffer = 0; // 缓存区
    int count = 0; // 缓存区中剩余的位数
    while (fread(&c, sizeof(unsigned char), 1, in) == 1) { // 逐个字符读入
        char* code = HC[c]; // 获取哈夫曼编码
        while (*code != '\0') { // 逐位写入缓存区
            if (*code == '1') {
                buffer = buffer | (1 << count);
            }
            count++;
            if (count == 8) { // 缓存区满了，写入输出文件
                fwrite(&buffer, sizeof(unsigned char), 1, out);
                buffer = 0;
                count = 0;
            }
            code++;
        }
    }
    if (count > 0) { // 最后一个字节不足8位，补0写入输出文件
        buffer = buffer << (8 - count);
        fwrite(&buffer, sizeof(unsigned char), 1, out);
    }
    fclose(in); // 关闭输入文件
    fclose(out); // 关闭输出文件
}

// 解压文件
void decompressFile(char* inputFile, char* outputFile, HuffmanTree HT, int fileLength) {
    FILE* in = fopen(inputFile, "rb"); // 以二进制方式打开输入文件
    FILE* out = fopen(outputFile, "wb"); // 以二进制方式打开输出文件
    unsigned char c; // 读入的字符
    int p = 2 * fileLength - 1; // 指向哈夫曼树根节点
    while (fread(&c, sizeof(unsigned char), 1, in) == 1) { // 逐个字节读入
        int i;
        for (i = 0; i < 8; i++) { // 逐位解码
            if ((c & (1 << (7 - i))) == 0) {
                p = HT[p].lchild;
            }
            else {
                p = HT[p].rchild;
            }
            if (HT[p].lchild == 0 && HT[p].rchild == 0) { // 到达叶子节点，写入输出文件
                fwrite(&(HT[p].weight), sizeof(unsigned char), 1, out);
                p = 2 * fileLength - 1; // 指向哈夫曼树根节点
            }
        }
    }
    fclose(in); // 关闭输入文件
    fclose(out); // 关闭输出文件
}

4. 调用函数进行压缩解压文件

int main() {
    HuffmanTree HT;
    HuffmanCode HC;
    int n = 256; // 字符集大小
    createHuffmanTree(&HT, n); // 建立哈夫曼树
    createHuffmanCode(HT, &HC, n); // 生成哈夫曼编码
    compressFile("input.txt", "output.dat", HC); // 压缩文件
    decompressFile("output.dat", "output.txt", HT, n); // 解压文件
    return 0;
}