1760 Problem A 算法6-12:自底向上的赫夫曼编码

本文介绍了一种在通讯领域广泛应用的赫夫曼编码算法。该算法通过为字符设计长度不等的编码,使频繁出现的字符拥有较短编码,从而减少传输总长。文章详细解释了自底向上构建赫夫曼树的方法,并提供了C++实现代码。

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问题 A: 算法6-12:自底向上的赫夫曼编码
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题目描述
在通讯领域,经常需要将需要传送的文字转换成由二进制字符组成的字符串。在实际应用中,由于总是希望被传送的内容总长尽可能的短,如果对每个字符设计长度不等的编码,且让内容中出现次数较多的字符采用尽可能短的编码,则整个内容的总长便可以减少。另外,需要保证任何一个字符的编码都不是另一个字符的编码前缀,这种编码成为前缀编码。
而赫夫曼编码就是一种二进制前缀编码,其从叶子到根(自底向上)逆向求出每个字符的算法可以表示如下:
这里写图片描述
在本题中,读入n个字符所对应的权值,生成赫夫曼编码,并依次输出计算出的每一个赫夫曼编码。

输入
输入的第一行包含一个正整数n,表示共有n个字符需要编码。其中n不超过100。
第二行中有n个用空格隔开的正整数,分别表示n个字符的权值。
输出
共n行,每行一个字符串,表示对应字符的赫夫曼编码。
样例输入
8
5 29 7 8 14 23 3 11
样例输出
0110
10
1110
1111
110
00
0111
010
提示

赫夫曼树又名最优二叉树,它是一类带权路径长度最小的二叉树。通过构造赫夫曼树,我们可以得到赫夫曼编码,从而使得通信能够得到更高的效率。在本题中,构造赫夫曼树的过程使用了从叶子到根的逆向顺序,另外,还有一种从根出发直到叶子的赫夫曼编码构造算法,这将在下一题中进行讨论。

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include <algorithm>
#include <iostream>
#include <queue>
#include <cfloat>
#include <cstring>

using namespace std;
const int MaxN = 110;
int w[MaxN];


typedef struct
{
    int weight;
    int parent, lchild, rchild;
}HuffmanNode, *HuffmanTree;

typedef char *HuffmanCode;

void seletTMin(HuffmanTree HT, int n, int &m1, int &m2)
{
    int min = INT32_MAX;
    for (int i = 1; i <= n; ++i)
    {
        if (HT[i].parent == 0 && min > HT[i].weight)
        {
            min = HT[i].weight;
            m1 = i;
        }
    }


    min = INT32_MAX;
    for (int i = 1; i <= n; ++i)
    {
        if (HT[i].parent == 0 && min > HT[i].weight && i != m1)
        {

            min = HT[i].weight;
            m2 = i;
        }
    }

    if (m1 > m2)
        swap(m1, m2); //这一段必不可少,不然构造出来的编码是不唯一的
}


void HuffmanCoding(HuffmanTree &HT, HuffmanCode *&HC,int w[], int n)
{
    if (n <= 1) return;
    int m = 2 * n - 1;

    HT = new HuffmanNode[m + 1];
    for (int i = 1; i <= n; ++i)
    {
        HT[i].weight = w[i];
        HT[i].lchild = HT[i].rchild = HT[i].parent = 0;
    }

    for (int i = n + 1; i <= m; ++i)
        HT[i].lchild = HT[i].rchild = HT[i].parent = 0;

    for (int i = n + 1; i <= m; ++i)
    {
        int m1, m2;
        seletTMin(HT, i - 1, m1, m2);
        HT[i].lchild = m1;
        HT[i].rchild = m2;
        HT[m1].parent = HT[m2].parent = i;
        HT[i].weight = HT[m1].weight + HT[m2].weight;
    }

    HC = new HuffmanCode[n + 1];
    char * cd = new char[n];
    cd[n - 1] = 0;

    for (int i = 1; i <= n; ++i)
    {
        int start = n - 1;
        for (int c = i, f = HT[i].parent; f != 0; c = f, f = HT[f].parent)
        {
            if (HT[f].lchild == c)
                cd[--start] = '0';
            else
                cd[--start] = '1';
        }

        HC[i] = new char[n - start];
        strcpy(HC[i], cd + start);
    }

    delete cd;
}

int main()
{
#ifdef _DEBUG
    freopen("data.txt", "r+", stdin);
#endif // _DEBUG

    std::ios::sync_with_stdio(false);

    HuffmanTree HT;
    HuffmanCode *HC;
    int n;
    int data[MaxN];

    while (cin >> n)
    {
        for (int i = 1; i <= n; ++i)
            cin >> data[i];

        HuffmanCoding(HT, HC, data, n);

        for (int i = 1; i <= n; ++i)
            cout <<  HC[i] << endl;

        delete HC;
        delete HT;
    }

    return 0;
}
/**************************************************************
    Problem: 1760
    User: Sharwen
    Language: C++
    Result: 升仙
    Time:2 ms
    Memory:1700 kb
****************************************************************/
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