哈夫曼编码

Posted 2020-10-03 岁月如歌

在电文传输中，需要将电文中出现的每个字符进行二进制编码。在设计编码时需要遵守两个原则：

（1）发送方传输的二进制编码，到接收方解码后必须具有唯一性，即解码结果与发送方发送的电文完全一样；

（2）发送的二进制编码尽可能地短。下面我们介绍两种编码的方式。

 

1. 等长编码

            这种编码方式的特点是每个字符的编码长度相同（编码长度就是每个编码所含的二进制位数）。假设字符集只含有4个字符A，B，C，D，用二进制两位表示的编码分别为00，01，10，11。若现在有一段电文为：ABACCDA，则应发送二进制序列：00010010101100，总长度为14位。当接收方接收到这段电文后，将按两位一段进行译码。这种编码的特点是译码简单且具有唯一性，但编码长度并不是最短的。

 

2. 不等长编码

            在传送电文时，为了使其二进制位数尽可能地少，可以将每个字符的编码设计为不等长的，使用频度较高的字符分配一个相对比较短的编码，使用频度较低的字符分配一个比较长的编码。例如，可以为A，B，C，D四个字符分别分配0，00，1，01，并可将上述电文用二进制序列：000011010发送，其长度只有9个二进制位，但随之带来了一个问题，接收方接到这段电文后无法进行译码，因为无法断定前面4个0是4个A，1个B、2个A，还是2个B，即译码不唯一，因此这种编码方法不可使用。

 

因此，为了设计长短不等的编码，以便减少电文的总长，还必须考虑编码的唯一性，即在建立不等长编码时必须使任何一个字符的编码都不是另一个字符的前缀，这宗编码称为前缀编码（prefix  code）

 

 

 

（1）利用字符集中每个字符的使用频率作为权值构造一个哈夫曼树；

（2）从根结点开始，为到每个叶子结点路径上的左分支赋予0，右分支赋予1，并从根到叶子方向形成该叶子结点的编码

 

 

例题：

假设一个文本文件TFile中只包含7个字符{A，B，C，D，E，F，G}，这7个字符在文本中出现的次数为{5，24，7，17，34，5，13}

利用哈夫曼树可以为文件TFile构造出符合前缀编码要求的不等长编码

 

具体做法：

 

1. 将TFile中7个字符都作为叶子结点，每个字符出现次数作为该叶子结点的权值

2. 规定哈夫曼树中所有左分支表示字符0，所有右分支表示字符1,将依次从根结点到每个叶子结点所经过的分支的二进制位的序列作为该

     结点对应的字符编码

3. 由于从根结点到任何一个叶子结点都不可能经过其他叶子，这种编码一定是前缀编码，哈夫曼树的带权路径长度正好是文件TFile编码

    的总长度

 

通过哈夫曼树来构造的编码称为哈弗曼编码（huffman code）

 

 

 

 

#include<iostream>  
#include<cstdio>  
#include<cstring>  
using namespace std;  
  
#define N 10         // 带编码字符的个数，即树中叶结点的最大个数  
#define M (2*N-1)    // 树中总的结点数目  
  
class HTNode{        // 树中结点的结构  
public:   
    unsigned int weight;  
    unsigned int parent,lchild,rchild;  
};                      
  
class HTCode{  
public:  
    char data;      // 待编码的字符  
    int weight;     // 字符的权值  
    char code[N];   // 字符的编码  
};  
  
void Init(HTCode hc[], int *n){  
// 初始化，读入待编码字符的个数n，从键盘输入n个字符和n个权值  
    int i;  
    printf("input n = ");  
    scanf("%d",&(*n));  
  
    printf("\ninput %d character\n",*n);  
      
    fflush(stdin);  
    for(i=1; i<=*n; ++i)  
        scanf("%c",&hc[i].data);  
  
    printf("\ninput %d weight\n",*n);  
      
    for(i=1; i<=*n; ++i)  
        scanf("%d",&(hc[i].weight) );  
    fflush(stdin);  
}//  
  
void Select(HTNode ht[], int k, int *s1, int *s2){  
// ht[1...k]中选择parent为0，并且weight最小的两个结点，其序号由指针变量s1，s2指示  
    int i;  
    for(i=1; i<=k && ht[i].parent != 0; ++i){   
        ; ;  
    }  
    *s1 = i;  
  
    for(i=1; i<=k; ++i){  
        if(ht[i].parent==0 && ht[i].weight<ht[*s1].weight)  
            *s1 = i;  
    }  
  
    for(i=1; i<=k; ++i){  
        if(ht[i].parent==0 && i!=*s1)  
            break;  
    }  
    *s2 = i;  
  
    for(i=1; i<=k; ++i){  
        if(ht[i].parent==0 && i!=*s1 && ht[i].weight<ht[*s2].weight)  
            *s2 = i;  
    }  
}  
  
void HuffmanCoding(HTNode ht[],HTCode hc[],int n){  
// 构造Huffman树ht，并求出n个字符的编码  
    char cd[N];  
    int i,j,m,c,f,s1,s2,start;  
    m = 2*n-1;  
      
    for(i=1; i<=m; ++i){  
        if(i <= n)  
            ht[i].weight = hc[i].weight;  
        else  
            ht[i].parent = 0;  
        ht[i].parent = ht[i].lchild = ht[i].rchild = 0;  
    }  
  
    for(i=n+1; i<=m; ++i){  
        Select(ht, i-1, &s1, &s2);  
        ht[s1].parent = i;  
        ht[s2].parent = i;  
        ht[i].lchild = s1;  
        ht[i].rchild = s2;  
        ht[i].weight = ht[s1].weight+ht[s2].weight;  
    }  
  
    cd[n-1] = ‘\0‘;  
  
    for(i=1; i<=n; ++i){  
        start = n-1;  
        for(c=i,f=ht[i].parent; f; c=f,f=ht[f].parent){  
            if(ht[f].lchild == c)  
                cd[--start] = ‘0‘;  
            else  
                cd[--start] = ‘1‘;  
        }  
        strcpy(hc[i].code, &cd[start]);  
    }  
}  
  
  
int main()  
{  
    int i,m,n,w[N+1];  
    HTNode ht[M+1];  
    HTCode hc[N+1];  
    Init(hc, &n);     // 初始化  
    HuffmanCoding(ht,hc,n);   // 构造Huffman树，并形成字符的编码  
  
    for(i=1; i<=n; ++i)    
        printf("\n%c---%s",hc[i].data,hc[i].code);    
    printf("\n");  
  
    return 0;  
}