java 使用优先级队列的霍夫曼编码(Huffman Coding using Priority Queue)

先决条件: 贪婪算法 |  (霍夫曼编码)、priority_queue::push() 和 C++ STL 中的 priority_queue::pop() 。

贪婪算法 |  (霍夫曼编码):

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c语言:c语言 霍夫曼编码 | 贪婪算法(Huffman Coding | Greedy Algo)_霍夫曼的贪婪c语言-优快云博客 

priority_queue::push() 和 C++ STL 中的 priority_queue::pop() :

C++ STL 中的 priority_queue::push() 和 priority_queue::pop()-优快云博客

        给定一个字符数组 ch[]和每个字符的频率作为freq[] 。任务是使用优先级队列为ch[]中的每个字符找到霍夫曼编码。

例子 

输入: ch[] = { 'a', 'b', 'c', 'd', 'e', 'f' }, freq[] = { 5, 9, 12, 13, 16, 45 } 
输出: 
f 0 
c 100 
d 101 
a 1100 
b 1101 
e 111 

方法: 

    1、将ch[]中所有映射到相应频率freq[]的字符推入优先级队列。
    
    2、要创建哈夫曼树,请从优先级队列中弹出两个节点。
    
    3、将从优先级队列中弹出的两个节点指定为新节点的左子节点和右子节点。
    
    4、将新形成的节点推送到优先级队列中。
    
    5、重复以上所有步骤,直到优先级队列的大小变为 1。
    
    6、遍历哈夫曼树(其根是优先级队列中剩下的唯一节点)以存储哈夫曼代码
    
    7、打印ch[]中每个字符的所有存储的哈夫曼编码。 

下面是上述方法的实现:  

import java.util.*;
 
class HuffmanTreeNode
    implements Comparable<HuffmanTreeNode> 
    {
     
    // Stores character
    char data;
     
    // Stores frequency of the character
    int freq;
     
    // Left child of the current node
    HuffmanTreeNode left;
     
    // Right child of the current node
    HuffmanTreeNode right;
 
    public HuffmanTreeNode(char character, int frequency)
    {
        data = character;
        freq = frequency;
        left = right = null;
    }
 
    public int compareTo(HuffmanTreeNode other)
    {
        return freq - other.freq;
    }
}
 
class HuffmanCodes {
 
    // Maximum Height of Huffman Tree.
    static final int MAX_SIZE = 100;
 
    // Function to print the huffman code for each
    // character. It uses arr to store the codes
    static void printCodes(HuffmanTreeNode root, int[] arr,
                           int top)
    {
        // Assign 0 to the left node and recur
        if (root.left != null) {
            arr[top] = 0;
            printCodes(root.left, arr, top + 1);
        }
 
        // Assign 1 to the right node and recur
        if (root.right != null) {
            arr[top] = 1;
            printCodes(root.right, arr, top + 1);
        }
 
        // If this is a leaf node, then we print root.data
        // We also print the code for this character from
        // arr
        if (root.left == null && root.right == null) {
            System.out.print(root.data + " ");
            for (int i = 0; i < top; ++i) {
                System.out.print(arr[i]);
            }
            System.out.println();
        }
    }
 
    // Function to generate Huffman Encoding Tree
    static HuffmanTreeNode
    generateTree(PriorityQueue<HuffmanTreeNode> pq)
    {
     
        // We keep on looping till only one node remains in
        // the Priority Queue
        while (pq.size() != 1) {
         
            // Node which has least frequency
            HuffmanTreeNode left = pq.poll();
 
            // Node which has least frequency
            HuffmanTreeNode right = pq.poll();
 
            // A new node is formed with frequency left.freq
            // + right.freq We take data as '$' because we
            // are only concerned with the frequency
            HuffmanTreeNode node = new HuffmanTreeNode(
                '$', left.freq + right.freq);
            node.left = left;
            node.right = right;
 
            // Push back node created to the Priority Queue
            pq.add(node);
        }
 
        return pq.poll();
    }
 
    // Function to generate Huffman Codes
    static void HuffmanCodes(char[] data, int[] freq,
                             int size)
    {
        // Declaring priority queue using custom comparator
        PriorityQueue<HuffmanTreeNode> pq
            = new PriorityQueue<>();
 
        // Populating the priority queue
        for (int i = 0; i < size; i++) {
            HuffmanTreeNode newNode
                = new HuffmanTreeNode(data[i], freq[i]);
            pq.add(newNode);
        }
 
        // Generate Huffman Encoding Tree and get the root
        // node
        HuffmanTreeNode root = generateTree(pq);
 
        // Print Huffman Codes
        int[] arr = new int[MAX_SIZE];
        int top = 0;
        printCodes(root, arr, top);
    }
 
    // Driver Code
    public static void main(String[] args)
    {
        char[] data = { 'a', 'b', 'c', 'd', 'e', 'f' };
        int[] freq = { 5, 9, 12, 13, 16, 45 };
        int size = data.length;
 
        // Function call
        HuffmanCodes(data, freq, size);
    }

输出: 
f 0 
c 100 
d 101 
a 1100 
b 1101 
e 111
 

时间复杂度: O(n*logn),其中 n 是唯一字符的数量
辅助空间: O(n) 

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