哈夫曼树以及哈夫曼编码

来源：互联网发布：php 修改$_get 编辑：程序博客网时间：2024/05/24 01:44

哈夫曼树又叫最优二叉树，即叶子结点带权路径长度之和（WPL）最小。
关于哈夫曼树有在以下链接中的作者解释的很详细，不太清楚的同学可以去看一下。
https://www.cnblogs.com/zhangming-blog/p/5395950.html
下面我想补充下下哈夫曼编码，哈夫曼编码又称霍夫曼编码，或者最优编码。哈夫曼编码主要有以下特点：
一：不等长编码；
二：最优编码；
三：无歧义编码，即任意字符的编码都不是另一字符的前缀；
四：所有应编码的字符位于叶子结点。
哈夫曼编码采用的是二进制编码方式，父结点与左儿子结点之间的路径编为0，与右儿子结点之间的路径编为一。举个例子来说明一下。
这里写图片描述
在这个例子中，1，2，3，4为待编码的字符.
1的编码序列为： 110
2的编码序列为： 111
3的编码序列为： 10
4的编码序列为： 0
可以看出，各字符的编码序列不尽相同，权重越大编码序列越短，即路径越短。
WPL = 1*3 + 2*3 + 3*2 + 4*1 = 19
需要注意的是：哈夫曼树一定是最优编码，但最优编码不一定需要通过哈夫曼树实现。这一点哈夫曼先生在他的论文也有说明，有兴趣的同学可以验证下。
下面是哈夫曼树的结构：

struct Node{    int weight;  //权重    int *code;   //编码    int codeLen;     //编码长度    Huffman left;  //左孩子结点    Huffman right;  //右孩子结点};

以下哈夫曼树的创建代码：

Huffman Creat_Huffman(int N){    int i, n;    MinHeap H;    Huffman T;    H = Creat_MinHeap(N);  //创建最小堆    n = H->size;      for( i = 1; i < n; i++ )    {        T = (Huffman)malloc( sizeof( struct Node ) ); //创建一个根结点        T->left = Delete(H);  //从最小堆中取权重最小的结点赋给左孩子结点        T->right = Delete(H); //同上        T->weight = T->left->weight + T->right->weight; //父节点的权重等于左右孩子结点权重之和        Insert( H, T );  //将父节点放入最小堆中    }    T = Delete(H);  // T指向堆中的头结点也就是哈夫曼树的根结点    return T;}

上面的代码中哈夫曼树的创建借助了最小堆来实现，对最小堆不太清楚的同学可以去看我的另一篇关于最小堆的博客。
此为链接：最小堆
下面是哈夫曼编码的代码实现：

void HuffmanCode( Huffman T, int len ){    static int s[20]; //静态数组，存储数据编码    if( T )    {        if( !T->left && !T->right )        {            printf("结点权重为 %-3d 的编码是： ", T->weight);            T->code = (int *)malloc( len * sizeof( int ) ); //开辟空间存储叶子结点编码            for( int i = 0; i < len; i++)            {                T->code[i] = s[i];  //将字符的编码存入对应结点中                printf("%d", T->code[i]);            }            T->codeLen = len;   //存储编码长度            printf("\n");        }        else        {           //递归遍历各结点的路径            s[len] = 0;            HuffmanCode( T->left, len+1 );            s[len] = 1;            HuffmanCode( T->right, len+1 );        }    }}

以下为全代码实现：

#include<stdio.h>#include<malloc.h>#define ElementType Huffman#define MaxSize 100  //堆堆的最大空间typedef struct Node* Huffman;typedef struct Heap* MinHeap;struct Node{    int weight;  //权重    int *code;   //编码    int codeLen;     //编码长度    Huffman left;  //左孩子结点    Huffman right;  //右孩子结点};struct Heap{    ElementType *element;  //存储元素    int size;  //元素的数量    int capacity; //堆的最大空间};//插入一个元素void Insert(MinHeap H, Huffman e){    int i;    if( H->size == H->capacity )   //判断堆是否已满    {        printf("堆已满！");        return ;    }    i = ++H->size;  //所存元素数量加1    for( ; i>=2 && H->element[i/2]->weight > e->weight; i /= 2)  //当要插入的元素小于父节点时，父节点向下挪动，要插入的元素继续向上比较        H->element[i] = H->element[i/2];    H->element[i] = e;}//创建最小堆MinHeap Creat_MinHeap(int n){    ElementType tmp;    int  i;    MinHeap H = (MinHeap)malloc( sizeof(struct Heap) );    H->element = (ElementType*)malloc( (MaxSize+1) * sizeof(ElementType) );    H->size = 0;    H->capacity = MaxSize;    for( i = 1; i <= n; i++ )     //将元素按输入顺序放入数组中    {        tmp = (ElementType)malloc( sizeof( struct Node ) );        tmp->left = NULL;        tmp->right = NULL;        scanf("%d", &tmp->weight);        Insert( H, tmp );    }    return H;}//删除根结点并返回其值ElementType Delete(MinHeap H){    int parent, child;    ElementType tmp, e;    if( H->size == 0)    {        printf("堆为空！");        return 0;    }    e = H->element[1];    tmp = H->element[H->size--];    for( parent = 1; parent*2 <= H->size; parent = child )    {        child = parent * 2;        if(child != H->size && H->element[child+1]->weight < H->element[child]->weight)            child++;          //child指向左右儿子中较小的那个；        if( tmp->weight <= H->element[child]->weight )   //如果tmp小于等于左右儿子中较小的那个，结束循环            break;        else                    //否则，较小的儿子上移，tmp进入下一层            H->element[parent] = H->element[child];    }    H->element[parent] = tmp;    return e;}//先序遍历输出哈夫曼树void Print( Huffman T ){    if( T )    {        printf("%d ", T->weight);        Print( T->left );        Print( T->right );    }}Huffman Creat_Huffman(int N){    int i, n;    MinHeap H;    Huffman T;    H = Creat_MinHeap(N);  //创建最小堆    n = H->size;    for( i = 1; i < n; i++ )    {        T = (Huffman)malloc( sizeof( struct Node ) );        T->left = Delete(H);        T->right = Delete(H);        T->weight = T->left->weight + T->right->weight;        Insert( H, T );    }    T = Delete(H);    return T;}//哈夫曼编码void HuffmanCode( Huffman T, int len ){    static int s[20]; //静态数组，存储数据编码    if( T )    {        if( !T->left && !T->right )        {            printf("结点权重为 %-3d 的编码是： ", T->weight);            T->code = (int *)malloc( len * sizeof( int ) ); //开辟空间存储叶子结点编码            for( int i = 0; i < len; i++)            {                T->code[i] = s[i];  //将字符的编码存入对应结点中                printf("%d", T->code[i]);            }            T->codeLen = len;   //存储编码长度            printf("\n");        }        else        {           //递归遍历各结点的路径            s[len] = 0;            HuffmanCode( T->left, len+1 );            s[len] = 1;            HuffmanCode( T->right, len+1 );        }    }}//计算带权最优编码长度int WPL( Huffman T ){    if( !T->right && !T->left)    {        return T->weight*T->codeLen;    }    else        return ( WPL( T->left ) + WPL( T->right ) );}int main(){    int N;    Huffman T;    scanf("%d", &N);  //需要编码的字符数量    T = Creat_Huffman(N);  //创建哈夫曼树    printf("\n哈夫曼树先序遍历结果为： ");    Print( T );   //先序遍历哈夫曼树    printf("\n");     HuffmanCode( T, 0 );   //对字符进行编码    printf("最优编码长度为： %d\n", WPL( T ));  //输出带权路径之和    return 0;}

以上即为所有代码，不懂之处，欢迎交流，不足之处，恳请指正。

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