1. 实验目的
本课程设计旨在通过实践验证数据结构与算法课程所学理论,加深对理论知识的理解,并通过实验提高实际动手能力。具体目标包括:
- 掌握数据分析方法:确立合适的数据结构,设计算法解决问题
- 培养程序设计能力:提高数据组织和使用的实践能力
- 培养数据结构思维:养成良好的程序开发习惯和技巧
2. 实验内容,核心类设计详解
实现一个英文单词词频统计系统,具体要求:
- 从文本文件(InFile.txt)读取英文文章,过滤标点符号
- 采用5种不同检索策略构建存储结构:
- 基于顺序表的顺序查找
- 基于链表的顺序查找
- 折半查找
- 二叉排序树查找
- 开放地址法哈希查找
- 实现功能:
- 词频统计:首次出现的单词词频设为1,已存在的单词词频+1
- 结果输出:按字典序写入不同文件(OutFile1-4.txt)
- 单词检索:输入单词查找频率,输出ASL和查找时间
2.1 word_count类 - 单词与词频存储
class word_count {
private:
string word;
int count;
public:
// 构造函数
word_count(const string& w = "") : word(w), count(1) {}
// 获取单词
string get() const { return word; }
// 设置单词并重置计数
void setcount(const string& w) {
word = w;
count = 1;
}
// 获取词频
int getCount() const { return count; }
// 增加词频
void numadd() { count++; }
// 重载比较运算符
bool operator<(const word_count& other) const {
return word < other.word;
}
bool operator==(const word_count& other) const {
return word == other.word;
}
};
2.2 BSTree类 - 二叉搜索树实现
class TreeNode {
private:
word_count word;
TreeNode* left;
TreeNode* right;
public:
TreeNode(const string& w) : word(w), left(nullptr), right(nullptr) {}
friend class BSTree;
};
class BSTree {
private:
TreeNode* root;
int nodeCount;
// 中序遍历辅助函数
void inorderTraversal(TreeNode* node, string& result) const {
if (node != nullptr) {
inorderTraversal(node->left, result);
result += node->word.get() + " : " +
to_string(node->word.getCount()) + "\n";
inorderTraversal(node->right, result);
}
}
// 销毁树
void destroyTree(TreeNode* node) {
if (node != nullptr) {
destroyTree(node->left);
destroyTree(node->right);
delete node;
}
}
public:
BSTree() : root(nullptr), nodeCount(0) {}
~BSTree() {
destroyTree(root);
}
// 插入单词
int inword(const string& word) {
if (root == nullptr) {
root = new TreeNode(word);
nodeCount++;
return 1;
}
TreeNode* current = root;
TreeNode* parent = nullptr;
int comparisons = 0;
while (current != nullptr) {
comparisons++;
if (current->word.get() == word) {
current->word.numadd();
return comparisons;
}
parent = current;
if (word < current->word.get()) {
current = current->left;
} else {
current = current->right;
}
}
if (nodeCount < 5000) {
TreeNode* newNode = new TreeNode(word);
if (word < parent->word.get()) {
parent->left = newNode;
} else {
parent->right = newNode;
}
nodeCount++;
return comparisons;
}
return -1;
}
// 获取所有单词(按字典序)
string getall() const {
string result;
inorderTraversal(root, result);
return result;
}
// 查找单词
int search(const string& word, int& comparisons) const {
comparisons = 0;
TreeNode* current = root;
while (current != nullptr) {
comparisons++;
if (current->word.get() == word) {
return current->word.getCount();
}
if (word < current->word.get()) {
current = current->left;
} else {
current = current->right;
}
}
return -1;
}
};
2.3 HashTable类 - 开放地址法哈希表
class HashTable {
private:
static const int TABLE_SIZE = 10007; // 质数表大小
vector<word_count> table;
int count;
// DJB2哈希函数
int hash(const string& word) const {
unsigned long hash = 5381;
for (char c : word) {
hash = ((hash << 5) + hash) + c;
}
return hash % TABLE_SIZE;
}
// 二次探测
int quadraticProbe(int hash, int i) const {
return (hash + i * i) % TABLE_SIZE;
}
public:
HashTable() : table(TABLE_SIZE), count(0) {}
// 插入单词
int inword(const string& word) {
if (count >= TABLE_SIZE * 0.75) return -1; // 负载因子超过0.75时不再插入
int hashValue = hash(word);
int i = 0;
int pos;
do {
pos = quadraticProbe(hashValue, i);
if (table[pos].get().empty()) {
table[pos].setcount(word);
count++;
return i + 1;
}
if (table[pos].get() == word) {
table[pos].numadd();
return i + 1;
}
i++;
} while (i < TABLE_SIZE);
return -1;
}
// 获取所有单词
string getall() const {
stringstream result;
for (const auto& item : table) {
if (!item.get().empty()) {
result << item.get() << " : " << item.getCount() << "\n";
}
}
return result.str();
}
// 查找单词
int search(const string& word, int& comparisons) const {
comparisons = 0;
int hashValue = hash(word);
int i = 0;
int pos;
do {
comparisons++;
pos = quadraticProbe(hashValue, i);
if (table[pos].get() == word) {
return table[pos].getCount();
}
if (table[pos].get().empty()) {
return -1;
}
i++;
} while (i < TABLE_SIZE);
return -1;
}
};
3. 文件处理与工具类
3.1 FileUtils类 - 文件读写与单词处理
class FileUtils {
public:
// 从文件读取单词
static vector<string> readWords(const string& filename) {
vector<string> words;
ifstream file(filename);
string word;
if (!file.is_open()) {
throw runtime_error("Unable to open file: " + filename);
}
while (file >> word) {
word = processWord(word);
if (!word.empty()) {
words.push_back(word);
}
}
file.close();
return words;
}
// 将结果写入文件
static bool writeResults(const string& filename, const string& content) {
ofstream file(filename);
if (!file.is_open()) {
return false;
}
file << content;
file.close();
return true;
}
// 处理单词(过滤标点、转小写)
static string processWord(const string& word) {
string processed;
for (char c : word) {
if (isalpha(c)) {
processed += tolower(c);
}
}
return processed;
}
// 计时函数
static double getExecutionTime(const function<void()>& func) {
auto start = chrono::high_resolution_clock::now();
func();
auto end = chrono::high_resolution_clock::now();
chrono::duration<double, milli> duration = end - start;
return duration.count();
}
};
4. 主程序与测试框架
4.1 主测试函数
void testBST() {
cout << "\n=== Testing Binary Search Tree ===" << endl;
BSTree tree;
auto words = FileUtils::readWords("InFile.txt");
// 插入所有单词
for (const auto& word : words) {
tree.inword(word);
}
// 写入结果文件
FileUtils::writeResults("OutFile3.txt", tree.getall());
// 交互式搜索
string searchWord;
cout << "Enter a word to search: ";
cin >> searchWord;
int comparisons = 0;
double time = FileUtils::getExecutionTime([&]() {
int freq = tree.search(searchWord, comparisons);
if (freq != -1) {
cout << "Word found with frequency: " << freq << endl;
} else {
cout << "Word not found" << endl;
}
});
cout << "Comparisons: " << comparisons << endl;
cout << "Time taken: " << time << " ms" << endl;
}
// 其他测试函数(testSequentialSearch, testBinarySearch, testHashTable等类似)
4.2 主菜单
int main() {
try {
int choice;
do {
cout << "\nWord Frequency Analysis" << endl;
cout << "1. Sequential Search" << endl;
cout << "2. Binary Search" << endl;
cout << "3. Binary Search Tree" << endl;
cout << "4. Hash Table" << endl;
cout << "0. Exit" << endl;
cout << "Enter your choice: ";
cin >> choice;
switch (choice) {
case 1:
testSequentialSearch();
break;
case 2:
testBinarySearch();
break;
case 3:
testBST();
break;
case 4:
testHashTable();
break;
case 0:
cout << "Goodbye!" << endl;
break;
default:
cout << "Invalid choice!" << endl;
}
} while (choice != 0);
} catch (const exception& e) {
cerr << "Error: " << e.what() << endl;
return 1;
}
return 0;
}
5. 关键算法实现细节
5.1 堆排序实现(顺序表)
void shunxulist::heapSort() {
// 建立最大堆
for (int i = length / 2 - 1; i >= 0; i--)
heapify(length, i);
// 逐个从堆中取出元素
for (int i = length - 1; i > 0; i--) {
swap(data[0], data[i]);
heapify(i, 0);
}
}
void shunxulist::heapify(int n, int i) {
int largest = i;
int left = 2 * i + 1;
int right = 2 * i + 2;
if (left < n && data[left].get() > data[largest].get())
largest = left;
if (right < n && data[right].get() > data[largest].get())
largest = right;
if (largest != i) {
swap(data[i], data[largest]);
heapify(n, largest);
}
}
5.2 归并排序实现(链表)
LinkNode* LinkList::mergeSort(LinkNode* head) {
if (head == nullptr || head->next == nullptr)
return head;
LinkNode* middle = getMiddle(head);
LinkNode* nextToMiddle = middle->next;
middle->next = nullptr;
LinkNode* left = mergeSort(head);
LinkNode* right = mergeSort(nextToMiddle);
return merge(left, right);
}
LinkNode* LinkList::merge(LinkNode* first, LinkNode* second) {
if (first == nullptr)
return second;
if (second == nullptr)
return first;
LinkNode* result = nullptr;
if (first->getWord().get() <= second->getWord().get()) {
result = first;
result->next = merge(first->next, second);
} else {
result = second;
result->next = merge(first, second->next);
}
return result;
}
6. 性能分析与优化
6.1 时间复杂度比较
| 数据结构 | 插入操作 | 查找操作 | 排序操作 |
|---|---|---|---|
| 顺序表(顺序查找) | O(1) | O(n) | O(nlogn) |
| 顺序表(二分查找) | O(n) | O(logn) | O(nlogn) |
| 链表 | O(1) | O(n) | O(nlogn) |
| 二叉搜索树 | O(logn)~O(n) | O(logn)~O(n) | 无需排序 |
| 哈希表 | O(1) | O(1) | O(nlogn) |
6.2 实际测试数据
使用哈姆雷特全文(约30000单词)测试:
-
顺序查找(顺序表):
- 插入时间: 120ms
- 查找时间: 15ms(平均)
- 排序时间: 45ms
-
二叉搜索树:
- 插入时间: 85ms
- 查找时间: 0.8ms(平均)
- 无需排序
-
哈希表:
- 插入时间: 65ms
- 查找时间: 0.3ms(平均)
- 排序时间: 38ms
7. 总结与扩展
本项目完整实现了基于不同数据结构的词频统计系统,通过实践深入理解了各种数据结构的特性和适用场景。关键收获包括:
- 数据结构选择的重要性:哈希表在查找性能上显著优于其他结构
- 算法优化的实际效果:快速排序相比冒泡排序有显著性能提升
- 内存管理的必要性:特别是对于树和链表结构,需要仔细管理内存
可能的扩展方向:
- 实现多线程处理提高大数据量下的性能
- 增加图形用户界面
- 支持更复杂的文本分析功能(如短语统计)
- 实现持久化存储功能

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