哈夫曼编码与解码的C++实现：建立哈夫曼树、进行哈夫曼编码与解码

　　最近完成了数据结构课程设计，被分到的题目是《哈夫曼编码和解码》，现在在这篇博文里分享一下自己的成果。

　　我在设计时，在网上参考了很多老师和前辈的算法和代码，向他们表示感谢！他们的成果给了我很多启示和帮助。另外，自己的成品中也还有很多不完善的地方，欢迎批评指正。

课题：哈夫曼编码与解码 C++代码实现

（1）统计某电文中字符出现的频率（假设电文中只含有大小写英文字母，以及逗号和点号）；
（2）把字符出现的频率作为权值建立哈夫曼树，进行哈夫曼编码，并输出每个字符的编码结果；
（3）对电文进行哈夫曼编码；
（4）把电文的哈夫曼编码进行译码，输出对应电文的内容。

 #include <stdlib.h>
 #include <stdio.h>
 #include <malloc.h>
 #include <string.h>
 #include <ctype.h>
 #define MAX 999999 //一个极大值
 #define NUM 10

 //存储哈夫曼树每个结点
 typedef struct Node {
     char ch;
     int weight; //权值
     int parent;
     int lchild,rchild;
 }HFNode;
 //存储每个字符及其哈夫曼编码
 typedef struct {
     char ch;
     char code[NUM];
 }HFCharCode;

 HFNode HT[*-]; //哈夫曼树结构体
 HFCharCode HCD[]; //哈夫曼编码结构体
 int LeafNum; //叶子结点数
 int NodeNum; //所有结点数
 char EnterStr[MAX]; //输入的待编码电文
 char EnterCode[MAX]; //输入的待解码密文
 char RealStr[MAX]; //密文解码后的电文
 int AllWeight[]; //存储所有28个字符的权值

 void Statistics();
 void CreateHFTree();
     void SelectMin(int &min1, int &min2);
 void CreateHFCode();
     void ReverseStr(char *str);
 void EncodeStr();
 void DecodeHFCode();

 int main() {
     printf("****** 哈夫曼编码与解码 ******\n\n");
     printf("*** 输入一串字符串 ***\n");
     scanf("%s", EnterStr);
     getchar();
     Statistics();
     CreateHFTree();
     CreateHFCode();
     EncodeStr();
     printf("\n*** 输入想解码的内容 ***\n");
     scanf("%s", EnterCode);
     getchar();
     DecodeHFCode();
     return ;
 }

 //统计每个字符权值
 void Statistics() {
     int len = strlen(EnterStr);
     for(int i = ; i <= ; i++)
         AllWeight[i] = ;
     for(int j = ; j <= len - ; j++) {
         if(isalpha(EnterStr[j])) {
             EnterStr[j] = tolower(EnterStr[j]);
             AllWeight[EnterStr[j]-'a']++;
         }
         else if((int)EnterStr[j] == )
             AllWeight[]++;
         else if((int)EnterStr[j] == )
             AllWeight[]++;
         else {
             printf("\n输入不符合要求!\n\n");
             exit(-);
         }
     }
     int i = , j = ;
     for( ; i <= ; i++) {
         if(AllWeight[i] != ) {
                 HT[j].weight  = AllWeight[i];
                 HT[j].ch = i+'a';
                 j++;
         }
     }
     if(AllWeight[i] != ) {
             HT[j].weight = AllWeight[i];
             HT[j].ch = ',';
             j++;
             i++;
     }
     if(AllWeight[i] != ) {
             HT[j].weight = AllWeight[i];
             HT[j].ch = '.';
     }
     printf("\n*** 打印每个字符的权值 ***\n");
     int n = ;
     for(int i = ; i <= ; i++) {
         if(AllWeight[i] != ) {
             n++;
             if(i <= )
                 putchar('a'+i);
             else if(i == )
                 printf(",");
             else
                 printf(".");
             printf(": %d\n", AllWeight[i]);
         }
     }
     LeafNum = n;
     NodeNum = *LeafNum-;
 }

 //构造哈夫曼树
 void CreateHFTree() {
     int i;
     for(i = ; i <= LeafNum-; i++) {
         HT[i].parent = -;
         HT[i].lchild = -;
         HT[i].rchild = -;
         HT[i].weight = HT[i].weight;
     }
     for(; i <= NodeNum-; i++) {
         HT[i].parent = -;
         HT[i].lchild = -;
         HT[i].rchild = -;
         HT[i].weight = MAX;
     }
     int min1, min2;
     for(i = LeafNum; i <= NodeNum-; i++) {
         SelectMin(min1, min2);
         HT[min1].parent = i;
         HT[min2].parent = i;
         HT[i].lchild = min1;
         HT[i].rchild = min2;
         HT[i].weight = HT[min1].weight + HT[min2].weight;
     }
     // printf("\n*** 打印哈夫曼树 ***\n");
     // for(int i = 0; i <= NodeNum-1; i++) {
     //     printf("序号:%d 字符:%c 权值:%d 双亲:%d 左孩:%d 右孩:%d\n", i, HT[i].ch, HT[i].weight, HT[i].parent, HT[i].lchild, HT[i].rchild);
     // }
 }
     //找到两个权值最小的二叉树的序号
     void SelectMin(int &min1, int &min2) {
         int i = ;
         int temp;
         int wetmin1, wetmin2;
         while(HT[i].parent != -)
             i++;
         wetmin1 = HT[i].weight;
         min1 = i;
         i++;
         while(HT[i].parent != -)
             i++;
         wetmin2 = HT[i].weight;
         min2 = i;
         i++;
         if(wetmin1 > wetmin2) {
             temp = wetmin2;
             wetmin2 = wetmin1;
             wetmin1 = temp;
             temp = min2;
             min2 = min1;
             min1 = temp;
         }
         for(; i <= NodeNum-; i++) {
             if(HT[i].weight < wetmin1 && HT[i].parent == -) {
                 wetmin2 = wetmin1;
                 wetmin1 = HT[i].weight;
                 min2 = min1;
                 min1 = i;
             } else if(HT[i].weight < wetmin2 && HT[i].parent == -) {
                 wetmin2 = HT[i].weight;
                 min2 = i;
             }
         }
     }

 //进行哈夫曼编码
 void CreateHFCode() {
     int i, j, len;
     for(i = ; i <= LeafNum-; i++) {
         len = ;
         j = i;
         HCD[i].ch = HT[j].ch;
         while(HT[j].parent != -) {  //不是根节点
             if(HT[HT[j].parent].lchild == j) {  //是双亲结点的左孩子
                 HCD[i].code[len++] = ''+;  //加上字符0
             }else  //是右孩子
                 HCD[i].code[len++] = ''+;  //加上字符1
             j = HT[j].parent;  //往上遍历
         }
         HCD[i].code[len] = '\0'; //字符串末尾
         ReverseStr(HCD[i].code);
     }
     printf("\n*** 打印每个字符的编码 ***\n");
     for(int i = ; i <= LeafNum-; i++)
         printf("%c: %s\n", HT[i].ch, HCD[i].code);
 }
     //将一个字符串反转
     void ReverseStr(char *str) {
         int i, j;
         char c;
         for(i = , j = strlen(str)-; i < j; i++, j--) {
             c = str[i];
             str[i] = str[j];
             str[j] = c;
         }
     }

 //哈夫曼编码
 void EncodeStr() {
     int len = strlen(EnterStr);
     printf("\n*** 编码结果 ***\n");
     for(int i = ; i <= len-; i++) {
         for(int j = ; j <= LeafNum-; j++) {
             if(EnterStr[i] == HCD[j].ch)
                 printf("%s", HCD[j].code);
         }
     }
     printf("\n");
 }

 //哈夫曼解码
 void DecodeHFCode() {
     int k = NodeNum-; //根结点序号, 开始时一定在最后一个
     int len = , i = ;
     while(EnterCode[i]) {
         if(EnterCode[i] == ''+)
             k = HT[k].lchild;
         else if(EnterCode[i] == ''+)
             k = HT[k].rchild;
         else {
             printf("\n错误! 密文中仅能含有1和0!\n\n");
             exit(-);
         }
         if(HT[k].lchild == - && HT[k].rchild == -) {
             RealStr[len++] = HT[k].ch;
             k = NodeNum-;
         }
         i++;
     }
     RealStr[len] = '\0';
     if(k == NodeNum-) {
         printf("\n*** 解码结果 ***\n%s\n\n", RealStr);
         exit();
     }
     printf("\n错误! 部分密文无法解密!\n\n");
     exit(-);
 }