20182306 哈夫曼编码测试

Posted 2020-11-22 yanhan1

20182306 哈夫曼编码测试

实验内容

设有字符集：S={a,b,c,d,e，f,g,h,i,j,k,l,m,n.o.p.q,r,s,t,u,v,w,x,y,z}。
给定一个包含26个英文字母的文件，统计每个字符出现的概率，根据计算的概率构造一颗哈夫曼树。
并完成对英文文件的编码和解码。
要求：
（1）准备一个包含26个英文字母的英文文件（可以不包含标点符号等），统计各个字符的概率
（2）构造哈夫曼树
（3）对英文文件进行编码，输出一个编码后的文件
（4）对编码文件进行解码，输出一个解码后的文件
（5）撰写博客记录实验的设计和实现过程，并将源代码传到码云
（6）把实验结果截图上传到云班课

哈夫曼树的理解

哈夫曼树是二叉树中很特别的一种，也是最优二叉树，通过某种权值来构造出哈夫曼二叉树，在这个二叉树中，只有叶子节点才是有效的数据节点，其他的非叶子节点是为了构造出哈夫曼而引入的！
哈夫曼编码是一个通过哈夫曼树进行的一种编码，一般情况下，以字符：‘0’与‘1’表示。编码的实现过程很简单，只要实现哈夫曼树，通过遍历哈夫曼树，规定向左子树遍历一个节点编码为“0”，向右遍历一个节点编码为“1”，结束条件就是遍历到叶子节点。

哈夫曼编码

• 构造一个结点类,定义好字符、权值、左结点、右结点、哈夫曼编码。

   public class HuffmanNode<T> implements  
   Comparable<HuffmanNode<T>> {
   private char data;//字符    
   private double weight;//权值    
   private HuffmanNode left;//左结点
   private HuffmanNode right;//右结点
   String code;//哈夫曼编码  
  
  
   public HuffmanNode(char data, double weight){  
    this.data = data;  
    this.weight = weight;
    this.code ="";
   }  

• 构造哈夫曼树

    public static  HuffmanNode createTree(List<HuffmanNode> nodes) {
    // 只要nodes数组中有2个以上的节点
    while (nodes.size() > 1) {
        //这个是将结点进行排序，这个实现，是在结点类中自己写了一个比较的方法
        Collections.sort(nodes);
        //左侧编码为0，将左孩子定义为列表中的倒数第二个
        HuffmanNode left = nodes.get(nodes.size() - 1);
        //右侧编码为1，右孩子为列表中的倒数第一个
        HuffmanNode right = nodes.get(nodes.size() - 2);
        //那么我们知道，他们的双亲结点就是他们的权值之和
        HuffmanNode parent = new HuffmanNode('无', left.getWeight() + right.getWeight());
        //这里把双亲结点就放进去了
        parent.setLeft(left);
        left.setCode("0");
        parent.setRight(right);
        right.setCode("1");
        //删除权值最小的两个节点
        nodes.remove(left);
        nodes.remove(right);
        //将新节点加入到集合中
        nodes.add(parent);
    }
    return nodes.get(0);
    }  

• 输出编码

    public static List<HuffmanNode> breadth(HuffmanNode root) {//这里利用了广度优先遍历的内容
    List<HuffmanNode> list = new ArrayList<HuffmanNode>();
    Queue<HuffmanNode> queue = new ArrayDeque<HuffmanNode>();
     //如果根结点存在，那么我们就将根放入列表中
    if (root != null) {
        queue.offer(root);
        root.getLeft().setCode(root.getCode() + "0");
        root.getRight().setCode(root.getCode() + "1");
    }
  
   //如果队列不是空的，那么我们就队尾放进列表中
    while (!queue.isEmpty()) {
        list.add(queue.peek());
        HuffmanNode node = queue.poll();
  
        //如果左子节点不为null，将它加入到队列
        if (node.getLeft() != null) {
            queue.offer(node.getLeft());
            node.getLeft().setCode(node.getCode() + "0");
        }
        //如果右子节点不为null，将它加入到队列
        if (node.getRight() != null) {
            queue.offer(node.getRight());
            node.getRight().setCode(node.getCode() + "1");
        }
    }
    return list;
    }  

• 进行测试
  
• 在文件中分别写出字符和哈夫曼的编码
  

• 通过一些循环的方式，对编码进行输出和解密

    public static void main(String[] args) throws IOException {
    //把字符集从文件中读出来，并保存在一个数组里
    File file = new File("C:\\Users\\DELL\\IdeaProjects\\20172306\\text1.txt");
    Reader reader = new FileReader(file);
    BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(reader);
    String temp = bufferedReader.readLine();
  
    char characters[] = new char[temp.length()];
    for (int i = 0; i < temp.length(); i++) {
        characters[i] = temp.charAt(i);
    }
    System.out.println("原字符集为：" + Arrays.toString(characters));
    double frequency[] = new double[27];//26个字母加空格
    int numbers = 0;//空格的个数
    for (int i = 0; i < characters.length; i++) {
        if (characters[i] == ' ') {
            numbers++;
        }
        frequency[26] = (float) numbers / characters.length;
    }
    System.out.println("字符集为");
    for (int j = 97; j <= 122; j++) {
        int number = 0;//给字母计数
        for (int m = 0; m < characters.length; m++) {
            if (characters[m] == (char) j) {
                number++;
            }
            frequency[j - 97] = (float) number / characters.length;
        }
        System.out.print((char) j + "，");
    }
    System.out.println("空格");
    System.out.println("每个字符的概率是" + "
  " + Arrays.toString(frequency));
    double result = 0.0;
    for (int z = 0; z < 27; z++) {
        result += frequency[z];
    }
    System.out.println("总概率之和为" + result);
  
    List<HuffmanNode> nodes = new ArrayList<HuffmanNode>();
    for (int o = 97; o <= 122; o++) {
        nodes.add(new HuffmanNode((char) o, frequency[o - 97]));
    }
    nodes.add(new HuffmanNode(' ', frequency[26]));
  
    HuffmanNode root = HuffmanTree.createTree(nodes);
  
    System.out.println("哈夫曼树为：");
  
    System.out.println(breadth(root));
  
    //对英文文件进行编码，输出一个编码后的文件
    String result1 = "";
  
    List<HuffmanNode> temp1 = breadth(root);
  
    for (int i = 0; i < characters.length; i++) {
        for (int j = 0; j < temp1.size(); j++) {
  
            if (characters[i] == temp1.get(j).getData()) {
                result1 += temp1.get(j).getCode();
            }
        }
    }
    System.out.println("对文件进行编码后的结果为：");
    System.out.println(result1);
    File file2 = new File("C:\\Users\\DELL\\IdeaProjects\\20182306\\text2.txt");
    Writer writer = new FileWriter(file2);
    writer.write(result1);
    writer.close();
  
    //对英文文件进行解码，输出一个解码后的文件
    List<String> newlist = new ArrayList<>();
    for(int m=0;m < temp1.size();m++)
    {
        if(temp1.get(m).getData()!='无')
            newlist.add(String.valueOf(temp1.get(m).getData()));
    }
    System.out.println("字符："+newlist);
  
    List<String> newlist1 = new ArrayList<>();
    for(int m=0;m < temp1.size();m++)
    {
        if(temp1.get(m).getData()!='无')
            newlist1.add(String.valueOf(temp1.get(m).getCode()));
    }
    System.out.println("对应编码："+newlist1);
  
  
  
    //先从编完码的文件中读出密文
    FileReader fileReader = new FileReader("C:\\Users\\DELL\\IdeaProjects\\20172306\\text2.txt");
    BufferedReader bufferedReader1 = new BufferedReader(fileReader);
    String secretline = bufferedReader1.readLine();
  
    //将读出的密文存在secretText列表中
    List<String> secretText = new ArrayList<String>();
    for (int i = 0; i < secretline.length(); i++) {
        secretText.add(secretline.charAt(i) + "");
    }
  
    //解密
    String result2 = "";
    String current="";
    while(secretText.size()>0) {
        current = current + "" + secretText.get(0);
        secretText.remove(0);
        for (int p = 0; p < newlist1.size(); p++) {
            if (current.equals(newlist1.get(p))) {
                result2 = result2 + "" + newlist.get(p);
                current="";
            }
  
        }
    }
    System.out.println("解码后的结果："+result2);
    File file3 = new File("C:\\Users\\DELL\\\\20182306\\text3.txt");
    Writer writer1 = new FileWriter(file3);
    writer1.write(result2);
    writer.close();
    }  

测试结果