基于C语言的哈夫曼树的实现(包含完整代码)

一.哈夫曼树的定义:

在许多应用中,树中结点常常被赋予一个表示某种意义的数值,称为该结点的权。从树的根到任意结点的路径长度(经过的边数)与该结点上权值的乘积,称为该结点的带权路径长度。树中所有叶结点的带权路径长度之和称为该树的带权路径长度.
在含有n个带权叶结点的二叉树中,其中带权路径长度(WPL)最小的二叉树称为哈夫曼树,也称最优二叉树。

例如,下图的3棵二叉树都有4个叶子结点a,b, c,d,分别带权7,5,2,4, 它们的带权路径长度分别为

 

 (a)WPL = 7*2+5*2+2*2+4*2=36

(b)WPL = 4*2+7*3+5*3+2*1=46

(c)WPL = 7*1+5*2+2*3+4*3=35

(c)树的WPL最小.可以验证,它恰好是哈夫曼树.

二.哈夫曼树的构造: 

给定n个权值分别为w1, w2,.., W{,的结点,构造哈夫曼树的算法描述如下: 
1)将这n个结点分别作为n棵仅含一个结点的二叉树,构成森林F。
2)构造一个新结点,从F中选取两棵根结点权值最小的树作为新结点的左、右子树,并且
将新结点的权值置为左、右子树上根结点的权值之和。
3)从F中删除刚才选出的两棵树,同时将新得到的树加入F中。
4)重复步骤2)和3),直至F中只剩下一棵树为止。
从上述构造过程中可以看出哈夫曼树具有如下特点: 
1)每个初始结点最终都成为叶结点,且权值越小的结点到根结点的路径长度越大。
2)构造过程中共新建了n-1个结点(双分支结点),因此哈夫曼树的结点总数为2n-1。
3)每次构造都选择2棵树作为新结点的孩子,因此哈夫曼树中不存在度为1的结点。
例如,权值(7,5,2,4)的哈夫曼树的构造过程如下图 :

 

 三.代码实现:

1. 树中结点的结构体

typedef struct TreeNode
{
	int weight;//权值 
	int parent;//父结点 
	int lchild;//左孩子 
	int rchild;//右孩子 
}TreeNode;

 2.哈夫曼树的结构体

typedef struct HFTree
{
	TreeNode *data;//数据域 
	int length;//长度(结点个数) 
}HFTree;

 3.初始化哈夫曼树

 

HFTree *initTree(int *weight,int length)
{/*参数一:权值数组
参数二:数组长度*/
	HFTree *T = (HFTree *)malloc(sizeof(HFTree));//申请一颗树的空间 
	T->data = (TreeNode *)malloc(sizeof(TreeNode)*(2*length-1));//申请一个结点的空间,长度由数组长度确定 
	T->length = length;//长度写入 
	int i;
	for(i=0;i<length;i++)
	{/*按序一次写入权值,父结点初始为0,左右孩子初始为-1*/
		T->data[i].weight = weight[i];
		T->data[i].parent = 0;
		T->data[i].rchild = -1;
		T->data[i].lchild = -1;
	}
	return T;
}

4.挑选最小权值的两个结点下标

int *selectMin(HFTree *T)
{
	int min = 10000;//第一小 
	int secondMin = 10000;//第二小 
	int minIndex;//第一小的下标 
	int i;
	int secondIndex;//第二小的下标 
	for(i=0;i<T->length;i++)
	{/*挨个比对,遇到小的写入min,并把下标写入minIndex*/
		if(T->data[i].parent==0)
		{
			if(T->data[i].weight<min)
			{
				min = T->data[i].weight;
				minIndex = i;
			}
		}
	}
	for(i=0;i<T->length;i++)
	{/*挨个对比,遇到小的,并且下标不等于第一小的下标,写入seconMin,并把下标写入secondIndex*/
		if(T->data[i].parent==0&&i!=minIndex)
		{
			if(T->data[i].weight<secondMin)
			{
				secondMin = T->data[i].weight;
				secondIndex = i;
			}
		}
	}
	int *res = (int *)malloc(sizeof(int)*2);//由于要传两个参数,因此申请大小为2的内存空间 
	res[0] = minIndex;//写入第一小的下标 
	res[1] = secondIndex;//写入第二小的下标 
	return res;//返回指针 
}

 5.创建哈夫曼树

void creatHFTree(HFTree *T)
{
	int *res;//用以接收selectMin()函数的两个参数 
	int min;//权值第一小的下标 
	int secondMin;//权值第二小的下标 
	int i;
	int length = T->length*2-1;//叶子结点数目n则总结点数目2n-1 
	for(i=T->length;i<length;i++)
	{
		res = selectMin(T);//接收两个最小权值的下标 
		min = res[0];//第一小赋值给min 
		secondMin = res[1];//第二小赋值给seconMin 
		T->data[i].weight = T->data[min].weight+T->data[secondMin].weight;//连个最小的结点相加 
		T->data[i].lchild = min;//父结点的左孩子下标为min 
		T->data[i].rchild = secondMin;//父结点的右孩子下标为secondMin 
		T->data[i].parent = 0;//该父结点的父结点暂时没有,设为0 
		T->data[min].parent = i;//左孩子的父结点为i 
		T->data[secondMin].parent = i;//右孩子的父结点为i 
		T->length++;//树的结点数加一(长度加一) 
	}
}

 6.前序遍历

void preOrder(HFTree *T,int index)
{/*参数一:哈夫曼树的结构体
参数二:树的下标*/
	if(index!=-1)//index!=-1表示该树不为空 
	{
		printf("%d ",T->data[index].weight);//输出权值 
		preOrder(T,T->data[index].lchild);//递归,遍历左子树 
		preOrder(T,T->data[index].rchild);//递归,遍历右子树 
	}
}

 7.主函数

int main()
{
	int weight[4]={1,2,3,4};//定义权值数组 
	HFTree *T = initTree(weight,4);//初始化哈夫曼树
	int *res = selectMin(T);//接收两个最小的权值的下标 
	printf("%d,%d\n",res[0],res[1]); 
	creatHFTree(T);//创建哈夫曼树 
	preOrder(T,T->length-1);//前序遍历哈夫曼树 
	return 0;
} 

完整代码如下:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
/*树中结点的结构体*/
typedef struct TreeNode
{
	int weight;//权值 
	int parent;//父结点 
	int lchild;//左孩子 
	int rchild;//右孩子 
}TreeNode;
/*哈夫曼树的结构体*/
typedef struct HFTree
{
	TreeNode *data;//数据域 
	int length;//长度(结点个数) 
}HFTree;
/*初始化哈夫曼树*/
HFTree *initTree(int *weight,int length)
{/*参数一:权值数组
参数二:数组长度*/
	HFTree *T = (HFTree *)malloc(sizeof(HFTree));//申请一颗树的空间 
	T->data = (TreeNode *)malloc(sizeof(TreeNode)*(2*length-1));//申请一个结点的空间,长度由数组长度确定 
	T->length = length;//长度写入 
	int i;
	for(i=0;i<length;i++)
	{/*按序一次写入权值,父结点初始为0,左右孩子初始为-1*/
		T->data[i].weight = weight[i];
		T->data[i].parent = 0;
		T->data[i].rchild = -1;
		T->data[i].lchild = -1;
	}
	return T;
}
/*挑选最小权值的两个结点下标*/ 
int *selectMin(HFTree *T)
{
	int min = 10000;//第一小 
	int secondMin = 10000;//第二小 
	int minIndex;//第一小的下标 
	int i;
	int secondIndex;//第二小的下标 
	for(i=0;i<T->length;i++)
	{/*挨个比对,遇到小的写入min,并把下标写入minIndex*/
		if(T->data[i].parent==0)
		{
			if(T->data[i].weight<min)
			{
				min = T->data[i].weight;
				minIndex = i;
			}
		}
	}
	for(i=0;i<T->length;i++)
	{/*挨个对比,遇到小的,并且下标不等于第一小的下标,写入seconMin,并把下标写入secondIndex*/
		if(T->data[i].parent==0&&i!=minIndex)
		{
			if(T->data[i].weight<secondMin)
			{
				secondMin = T->data[i].weight;
				secondIndex = i;
			}
		}
	}
	int *res = (int *)malloc(sizeof(int)*2);//由于要传两个参数,因此申请大小为2的内存空间 
	res[0] = minIndex;//写入第一小的下标 
	res[1] = secondIndex;//写入第二小的下标 
	return res;//返回指针 
}
/*创建哈夫曼树*/
void creatHFTree(HFTree *T)
{
	int *res;//用以接收selectMin()函数的两个参数 
	int min;//权值第一小的下标 
	int secondMin;//权值第二小的下标 
	int i;
	int length = T->length*2-1;//叶子结点数目n则总结点数目2n-1 
	for(i=T->length;i<length;i++)
	{
		res = selectMin(T);//接收两个最小权值的下标 
		min = res[0];//第一小赋值给min 
		secondMin = res[1];//第二小赋值给seconMin 
		T->data[i].weight = T->data[min].weight+T->data[secondMin].weight;//连个最小的结点相加 
		T->data[i].lchild = min;//父结点的左孩子下标为min 
		T->data[i].rchild = secondMin;//父结点的右孩子下标为secondMin 
		T->data[i].parent = 0;//该父结点的父结点暂时没有,设为0 
		T->data[min].parent = i;//左孩子的父结点为i 
		T->data[secondMin].parent = i;//右孩子的父结点为i 
		T->length++;//树的结点数加一(长度加一) 
	}
}
/*前序遍历*/
void preOrder(HFTree *T,int index)
{/*参数一:哈夫曼树的结构体
参数二:树的下标*/
	if(index!=-1)//index!=-1表示该树不为空 
	{
		printf("%d ",T->data[index].weight);//输出权值 
		preOrder(T,T->data[index].lchild);//递归,遍历左子树 
		preOrder(T,T->data[index].rchild);//递归,遍历右子树 
	}
}
int main()
{
	int weight[4]={1,2,3,4};//定义权值数组 
	HFTree *T = initTree(weight,4);//初始化哈夫曼树
	int *res = selectMin(T);//接收两个最小的权值的下标 
	printf("%d,%d\n",res[0],res[1]); 
	creatHFTree(T);//创建哈夫曼树 
	preOrder(T,T->length-1);//前序遍历哈夫曼树 
	return 0;
} 

 

#include #include #include #include using namespace std; # define MaxN 100//初始设定的最大结点数 # define MaxC 1000//最大编码长度 # define ImpossibleWeight 10000//结点不可能达到的权值 # define n 26//字符集的个数 //-----------哈夫曼的结点结构类型定义----------- typedef struct //定义哈夫曼各结点 { int weight;//权值 int parent;//双亲结点下标 int lchild;//左孩子结点下标 int rchild;//右孩子结点下标 }HTNode,*HuffmanTree;//动态分配数组存储哈夫曼 typedef char**HuffmanCode;//动态分配数组存储哈夫曼编码表 //-------全局变量-------- HuffmanTree HT; HuffmanCode HC; int *w;//权值数组 //const int n=26;//字符集的个数 char *info;//字符值数组 int flag=0;//初始化标记 //********************************************************************** //初始化函数 //函数功能: 从终端读入字符集大小n , 以及n个字符和n个权值,建立哈夫曼,并将它存于文件hfmTree中 //函数参数: //向量HT的前n个分量表示叶子结点,最后一个分量表示根结点,各字符的编码长度不等,所以按实际长度动态分配空间 void Select(HuffmanTree t,int i,int &s1,int &s2) { //s1为最小的两个值中序号最小的那个 int j; int k=ImpossibleWeight;//k的初值为不可能达到的最大权值 for(j=1;j<=i;j++) { if(t[j].weight<k&&t[j].parent==0) {k=t[j].weight; s1=j;} } t[s1].parent=1; k=ImpossibleWeight; for(j=1;j<=i;j++) { if(t[j].weight0),构造哈夫曼HT,并求出n个字符的哈弗曼编码HC { int i,m,c,s1,s2,start,f; HuffmanTree p; char* cd; if(num<=1) return; m=2*num-1;//m为结点数,一棵有n个叶子结点的哈夫曼共有2n-1个结点,可以存储在一个大小为2n-1的一维数组中 HT=(HuffmanTree)malloc((m+1)*sizeof(HTNode));//0号单元未用 //--------初始化哈弗曼------- for(p=HT+1,i=1;iweight=*w; p->parent=0; p->lchild=0; p->rchild=0; } for(i=num+1;iweight=0; p->parent=0; p->lchild=0; p->rchild=0; } //--------建哈夫曼------------- for(i=num+1;i<=m;i++) { Select(HT,i-1,s1,s2);//在HT[1...i-1]选择parent为0且weight最小的两个结点,其序号分别为s1和s2 HT[s1].parent=i; HT[s2].parent=i; HT[i].lchild=s1; HT[i].rchild=s2;//左孩子权值小,右孩子权值大 HT[i].weight=HT[s1].weight+HT[s2].weight; } //-------从叶子到根逆向求每个字符的哈弗曼编码-------- HC=(HuffmanCode)malloc((num+1)*sizeof(char *));//指针数组:分配n个字符编码的头指针向量 cd=(char*)malloc(n*sizeof(char*));//分配求编码的工作空间 cd[n-1]='\0';//编码结束符 for(i=1;i<=n;i++)//逐个字符求哈弗曼编码 { start=n-1;//编码结束符位置 for(c=i,f=HT[i].parent;f!=0;c=f,f=HT[f].parent)//从叶子到跟逆向求哈弗曼编码 if(HT[f].lchild==c) cd[--start]='0';//判断是左孩子还是右孩子(左为0右为1) else cd[--start]='1'; HC[i]=(char*)malloc((num-start)*sizeof(char*));//按所需长度分配空间 int j,h; strcpy(HC[i],&cd[start]); } free(cd); } //****************初始化函数****************** void Initialization() { flag=1;//标记为已初始化 int i; w=(int*)malloc(n*sizeof(int));//为26个字符权值分配空间 info=(char*)malloc(n*sizeof(char));//为26个字符分配空间 ifstream infile("ABC.txt",ios::in); if(!infile) { cerr<<"打开失败"<<endl; exit(1); } for(i=0;i>info[i]; infile>>w[i]; } infile.close(); cout<<"读入字符成功!"<<endl; HuffmanCoding(HT,HC,w,n); //------------打印编码----------- cout<<"依次显示各个字符的值,权值或频度,编码如下"<<endl; cout<<"字符"<<setw(6)<<"权值"<<setw(11)<<"编码"<<endl; for(i=0;i<n;i++) { cout<<setw(3)<<info[i]; cout<<setw(6)<<w[i]<<setw(12)<<HC[i+1]<<endl; } //---------将建好的哈夫曼写入文件------------ cout<<"下面将哈夫曼写入文件"<<endl; ofstream outfile("hfmTree.txt",ios::out); if(!outfile) { cerr<<"打开失败"<<endl; exit(1); } for(i=0;i<n;i++,w++) { outfile<<info[i]<<" "; outfile<<w[i]<<" "; outfile<<HC[i+1]<<" "; } outfile.close(); cout<<"已经将字符与对应的权值,编码写入根目录下文件hfmTree.txt"<<endl; } //*****************输入待编码字符函数************************* void Input() { char string[100]; ofstream outfile("ToBeTran.txt",ios::out); if(!outfile) { cerr<<"打开失败"<<endl; exit(1); } cout<<"请输入你想要编码的字符串(字符个数应小于100),以#结束"<>string; for(int i=0;string[i]!='\0';i++) { if(string[i]=='\0') break; outfile<<string[i]; } cout<<"获取报文成功"<<endl; outfile.close(); cout<<"------"<<"已经将报文存入根目录下的ToBeTran.txt文件"<<endl; } //******************编码函数**************** void Encoding() { int i,j; char*string; string=(char*)malloc(MaxN*sizeof(char)); cout<<"下面对根目录下的ToBeTran.txt文件中的字符进行编码"<<endl; ifstream infile("ToBeTran.txt",ios::in); if(!infile) { cerr<<"打开失败"<<endl; exit(1); } for(i=0;i>string[i]; } for(i=0;i<100;i++) if(string[i]!='#') cout<<string[i]; else break; infile.close(); ofstream outfile("CodeFile.txt",ios::out); if(!outfile) { cerr<<"打开失败"<<endl; exit(1); } for(i=0;string[i]!='#';i++) { for(j=0;j<n;j++) { if(string[i]==info[j]) outfile<<HC[j+1]; } } outfile<<'#'; outfile.close(); free(string); cout<<"编码完成------"; cout<<"编码已写入根目录下的文件CodeFile.txt中"<<endl; } //******************译码函数**************** void Decoding() { int j=0,i; char *code; code=(char*)malloc(MaxC*sizeof(char)); char*string; string=(char*)malloc(MaxN*sizeof(char)); cout<<"下面对根目录下的CodeFile.txt文件中的代码进行译码"<<endl; ifstream infile("CodeFile.txt",ios::in); if(!infile) { cerr<<"打开失败"<<endl; exit(1); } for( i=0;i>code[i]; if(code[i]!='#') { cout<<code[i]; } else break; } infile.close(); int m=2*n-1; for(i=0;code[i-1]!='#';i++) { if(HT[m].lchild==0) { string[j]=info[m-1]; j++; m=2*n-1; i--; } else if(code[i]=='1') m=HT[m].rchild; else if(code[i]=='0') m=HT[m].lchild; } string[j]='#'; ofstream outfile("TextFile.txt",ios::out); if(!outfile) { cerr<<"打开失败"<<endl; exit(1); } cout<<"的译码为------"<<endl; for( i=0;string[i]!='#';i++) { outfile<<string[i]; cout<<string[i]; } outfile<<'#'; outfile.close(); cout<<"------译码完成------"<<endl; cout<<"译码结果已写入根目录下的文件TextFile.txt中"<<endl; free(code); free(string); } //*************打印编码函数**************** void Code_printing() { int i; char *code; code=(char*)malloc(MaxC*sizeof(char)); cout<<"下面打印根目录下文件CodeFile.txt中的编码"<<endl; ifstream infile("CodeFile.txt",ios::in); if(!infile) { cerr<<"打开失败"<<endl; exit(1); } for( i=0;i>code[i]; if(code[i]!='#') cout<<code[i]; else break; } infile.close(); cout<<endl; ofstream outfile("CodePrin.txt",ios::out); if(!outfile) { cerr<<"打开失败"<<endl; exit(1); } for(i=0;code[i]!='#';i++) { outfile<<code[i]; } outfile.close(); free(code); cout<<"------打印结束------"<<endl; cout<<"该字符形式的编码文件已写入文件CodePrin.txt中"<<endl; } //*************打印哈夫曼函数**************** int numb=0; void coprint(HuffmanTree start,HuffmanTree HT) //start=ht+26这是一个递归算法 { if(start!=HT) { ofstream outfile("TreePrint.txt",ios::out); if(!outfile) { cerr<<"打开失败"<rchild,HT); //递归先序遍历 cout<<setw(5*numb)<weight<rchild==0) cout<<info[start-HT-1]<<endl; outfile<weight; coprint(HT+start->lchild,HT); numb--; outfile.close(); } } void Tree_printing(HuffmanTree HT,int num) { HuffmanTree p; p=HT+2*num-1; //p=HT+26 cout<<"下面打印赫夫曼"<<endl; coprint(p,HT); //p=HT+26 cout<<"打印工作结束"<<endl; } //*************主函数************************** int main() { char choice; do{ cout<<"************哈弗曼编/译码器系统***************"<<endl; cout<<"请选择您所需功能:"<<endl; cout<<":初始化哈弗曼"<<endl; cout<<":输入待编码字符串"<<endl; cout<<":利用已建好的哈夫曼进行编码"<<endl; cout<<":利用已建好的哈夫曼进行译码"<<endl; cout<<":打印代码文件"<<endl; cout<<":打印哈夫曼"<<endl; cout<<":退出"<<endl; if(flag==0) { cout<<"请先初始化哈夫曼,输入I"<<endl; cout<<""<>choice; switch(choice) { case 'I':Initialization();break; case 'W':Input();break; case 'E':Encoding();break; case 'D':Decoding();break; case 'P':Code_printing();break; case 'T':Tree_printing(HT,n);break; case 'Q':;break; default:cout<<"输入的命令出错,请重新输入!"<<endl; } }while(choice!='Q'); free(w); free(info); free(HT); free(HC); system("pause"); return 0; }
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