赫夫曼编码

简介

赫夫曼树的一个重要应用就是赫夫曼编码。赫夫曼编码是不定长编码,对于出现频率高的字母用较短的编码,对于出现频率低的使用较长的编码,从而进行数据的压缩。

举个例子

对于下面这个字符串,我们可以使用赫夫曼树进行编码

can you can a can as a can canner can a can.

第一步:我们可以统计出各个字符出现的频率,并将它们出现的频率作为权重。

n:8 空格:11 a:11 c:7 o:1 y:1 .:1 u:1 e:1 r:1 s:1

第二步:构造赫夫曼树
当然,根据排序算法的不同,树的节点可能有细小的差别,不过并不影响。编码规则为左子树表示0,右子树表示1
在这里插入图片描述
这样,我们我们就得到对应的赫夫曼编码表

n00
空格01
a10
c111
a10
s11000
o110010
y110011
.110100
u110101
e110110
r110111

原先的

0110001101100001011011100010000001111001011011110111010100100000011000110110000101101110001000000110000100100000011000110110000101101110001000000110000101110011001000000110000100100000011000110110000101101110001000000110001101100001011011100110111001100101011100100010000001100011011000010110111000100000011000010010000001100011011000010110111000101110

编码后:

11101001011010011011011001010111010010011011101001001110011100110111010010111010000110101110001011101001001101110100110100000011

这样我们得到了根据编码表对字符串进行重新编码,编码后我们会发现编码的长度短了70%。

代码实现赫夫曼编码和解码

package com.wuxudong.HuffmanCode;

public class Node implements Comparable<Node> {
    Byte data;
    int weight;
    Node left;
    Node right;

    public Node(Byte data,int weight){
        this.data=data;
        this.weight=weight;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Node{" +
                "data=" + data +
                ", weight=" + weight +
                '}';
    }

    public int compareTo(Node o) {
        return o.weight-this.weight;
    }
}


package com.wuxudong.HuffmanCode;

import jdk.management.resource.internal.inst.FileOutputStreamRMHooks;

import java.util.*;


public class TestHuffmanCode {
    //用于临时存储路径值
    static StringBuilder sb = new StringBuilder();
    //用于存储赫夫曼编码
    static Map<Byte, String> huffCodes = new HashMap<Byte, String>();


    public static void main(String[] args) {
        String msg = "can you can a can as a can canner can a can.";

        byte[] bytes = msg.getBytes();
        for (byte b2:bytes){
            System.out.print(Integer.toBinaryString((b2 & 0xFF) + 0x100).substring(1));
        }
        //进行赫夫曼编码压缩
        byte[] b = huffmanZip(bytes);

        //使用赫夫曼解码
        byte[] newBytes = decode(huffCodes, b);
        //System.out.println(new String(newBytes));

    }

    private static byte[] decode(Map<Byte, String> huffCodes, byte[] bytes) {
        StringBuilder sb=new StringBuilder();

        for (int i = 0; i <bytes.length ; i++) {
            byte b=bytes[i];
            //是否是最后一个
            boolean flag=(i==bytes.length-1);
            sb.append(byteToBitStr(!flag,b));
        }
        //把字符串按照指定的赫夫曼编码进行编码
        //把赫夫曼编码键值对进行调换
        Map<String,Byte> map=new HashMap<String, Byte>();
        for (Map.Entry<Byte,String> entry:huffCodes.entrySet()){
            map.put(entry.getValue(),entry.getKey());
        }
        //创建一个集合用于存储byte
        List<Byte> list=new ArrayList<Byte>();
        //处理字符串
        for (int i = 0; i < sb.length(); ) {
            int count=1;
            boolean flag=true;
            Byte b=null;
            while (flag){
                String key=sb.substring(i,i+count);
                b=map.get(key);
                if (b==null){
                    count++;
                }
                else {
                    flag=false;
                }
            }
            list.add(b);
            i+=count;
        }
        byte [] b=new byte[list.size()];
        //将集合转为数组
        for (int i=0;i<list.size();i++){
            b[i]=list.get(i);
        }
        return b;
    }

    private static String byteToBitStr(boolean flag,byte b){
        int temp=b;
        if (flag){
            temp|=256;
        }
        String str=Integer.toBinaryString(temp);
        if (flag){
            return str.substring(str.length()-8);
        }else {
            return str;
        }
    }

    private static byte[] huffmanZip(byte[] bytes) {
        //先统计每一个byte出现的次数,并放入一个集合中
        List<Node> nodes = getNodes(bytes);
        //创建一个赫夫曼树
        Node tree = huffmanTree(nodes);
        //创建一个赫夫曼编码表
        Map<Byte, String> huffCodes = getCodes(tree);
        //编码

        byte[] b = zip(bytes, huffCodes);

        return b;


    }

    private static byte[] zip(byte[] bytes, Map<Byte, String> huffCodes) {
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        //把需要压缩的byte数组处理成一个二进制的字符串
        for (byte b : bytes) {
            sb.append(huffCodes.get(b));
        }
        //将这个字符串处理成byte返回去

        //定义长度
        int len;
        if (sb.length() % 8 == 0) {
            len = sb.length() / 8;
        } else {
            len = sb.length() / 8 + 1;
        }

        byte[] by = new byte[len];
        //记录byte的位置
        int index = 0;
        for (int i = 0; i < sb.length(); i = i + 8) {
            String str;
            if (i + 8 > sb.length()) {
                str = sb.substring(i);
            } else {
                str = sb.substring(i, i + 8);
            }
            //将字符串转为byte值,表示输出在二进制下的十进制的数
            byte byt = (byte) Integer.parseInt(str, 2);
            by[index] = byt;
            index++;

        }


        return by;
    }


    private static Map<Byte, String> getCodes(Node tree) {

        if (tree == null) {
            return null;
        }

        getCodes(tree.left, "0", sb);

        getCodes(tree.right, "1", sb);

        return huffCodes;

    }

    private static void getCodes(Node node, String code, StringBuilder sb) {
        StringBuilder sb2 = new StringBuilder(sb);
        sb2.append(code);
        if (node.data == null) {
            getCodes(node.left, "0", sb2);
            getCodes(node.right, "1", sb2);
        } else {
            huffCodes.put(node.data, sb2.toString());
        }
    }

    private static Node huffmanTree(List<Node> nodes) {

        while (nodes.size() > 1) {
            //对节点进行排序
            Collections.sort(nodes);

            //去权重最小的两个节点
            Node left = nodes.get(nodes.size() - 1);
            Node right = nodes.get(nodes.size() - 2);

            //创建一个新节点
            Node parent = new Node(null, left.weight + right.weight);

            parent.left = left;
            parent.right = right;

            //删除左右节点
            nodes.remove(left);
            nodes.remove(right);

            nodes.add(parent);


        }


        return nodes.get(0);


    }

    private static List<Node> getNodes(byte[] bytes) {
        //创建map集合存储byte出现的次数
        Map<Byte, Integer> counts = new HashMap<Byte, Integer>();

        //遍历数组
        for (byte b : bytes) {
            Integer count = counts.get(b);
            if (count == null) {
                //第一个遍历到这个byte
                counts.put(b, 1);
            } else {
                counts.put(b, count + 1);
            }

        }
        List<Node> nodes = new ArrayList<Node>();

        //遍历map集合
        for (Map.Entry<Byte, Integer> entry : counts.entrySet()) {

            Node node = new Node(entry.getKey(), entry.getValue());
            nodes.add(node);

        }

        return nodes;

    }
}

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