20182307 哈夫曼編碼實踐
任務詳情
- 設有字符集：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}。
- 給定一個包含26個英文字母的文件，統計每個字符出現的概率，根據計算的概率構造一顆哈夫曼樹。
- 完成對英文文件的編碼和解碼。
- 要求：
- 准備一個包含26個英文字母的英文文件（可以不包含標點符號等），統計各個字符的概率
- 構造哈夫曼樹
- 對英文文件進行編碼，輸出一個編碼后的文件
- 對編碼文件進行解碼，輸出一個解碼后的文件
- 撰寫博客記錄實驗的設計和實現過程，並將源代碼傳到碼雲
- 把實驗結果截圖上傳到雲班課
實驗前的准備及思路構思
- 首先是准備一個包含所有英文字母的文件，然后計算所有字母出現的概率。大致思路是用一個計數變量來給字母計數，然后定義一個數組儲存包含26個字母及空格在內的字符的出現概率。初步思路是設計一個雙重循環來達成計數與儲存的功能。
- 第二是讀取和寫文件的操作
- 先准備一個文件，讀入它的所有內容后將其存入一個足夠大的數組，或者根據實際的文本長度自動擴容
- 編碼解碼時需要生成並寫出兩個文件，具體代碼是
File file = new File("路徑\\文件名.txt");
Writer writer = new FileWriter(file);
writer.write(result);
writer.close();
- 代碼的大致意思是創建一個新的文件，然后讀取這個文件並將編碼或解碼后的文本存入文件
- 接下來是最重要的構建哈夫曼樹的過程，首先要了解哈夫曼樹構建的理論過程，參考網絡資料：哈夫曼樹原理，及構造方法
- 編碼的思路就是遍歷整棵樹，當遍歷左子樹的時候編碼加上‘0’，當遍歷右子樹的時候編碼加上‘1’
- 解碼時可能需要考慮字符與編碼的對應並輸出，解決時可能需要兩個甚至更多的數組
實驗過程
文件讀寫
- 根據曾經學過的文件讀寫知識，創建文件並進行讀寫操作，代碼如下：
File file = new File("路徑\\文件名.txt");
if(!file.exists()){
file.createNewFile();
}
Reader reader = new FileReader(file);
BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(reader);
String temp = bufferedReader.readLine();
File file2 = new File("路徑\\文件名txt");
Writer writer = new FileWriter(file2);
writer.write(result1);
writer.close();
嵌套循環計數
- 兩層循環計數並存儲：外層循環存儲每個字母出現的頻率；內層循環遍歷文本比較，計數后計算頻率
for (int j = 97; j <= 122; j++) {
int number = 0;//給字母計數
for (int m = 0; m < characters.length; m++) {
if (characters[m] == (char) j) {
number++;
}
frequency[j - 97] = (float) number / characters.length;
}
}
構建哈夫曼樹
- 哈夫曼樹定義：給定n個權值作為n個葉子結點，構造一棵二叉樹，若該樹的帶權路徑長度達到最小，稱這樣的二叉樹為最優二叉樹，也稱為哈夫曼樹(Huffman Tree)。哈夫曼樹是帶權路徑長度最短的樹，權值較大的結點離根較近。
- 構建規則：假設一組權值，一個權值是一個結點，並進行排序，例如：12 34 2 5 7 。在這其中找出兩個最小的權值，然后組成一個新的權值，排序。再次找出最小的權值結點。如圖：
- 部分代碼：
public static HuffNode createTree(List<HuffNode> nodes) {
// 只要nodes數組中有2個以上的節點
while (nodes.size() > 1) {
//進行從大到小的排序
Collections.sort(nodes);
//獲取權值最小的兩個節點
HuffNode left = nodes.get(nodes.size() - 1);
HuffNode right = nodes.get(nodes.size() - 2);
//生成新節點，新節點的權值為兩個子節點的權值之和
HuffNode parent = new HuffNode('無', left.getWeight() + right.getWeight());
//讓新節點作為兩個權值最小節點的父節點
parent.setLeft(left);
left.setCodenumber("0");
parent.setRight(right);
right.setCodenumber("1");
//刪除權值最小的兩個節點
nodes.remove(left);
nodes.remove(right);
//將新節點加入到集合中
nodes.add(parent);
}
return nodes.get(0);
}
給每個節點編碼
- 遍歷整棵哈夫曼樹，左子樹編碼為‘0’，右子樹編碼為‘1’
- 部分代碼：
public static List<HuffNode> breadthFirstTraversal(HuffNode root) {
List<HuffNode> list = new ArrayList<HuffNode>();
Queue<HuffNode> queue = new ArrayDeque<HuffNode>();
//將根元素加入“隊列
if (root != null) {
queue.offer(root);
root.getLeft().setCodenumber(root.getCodenumber() + "0");
root.getRight().setCodenumber(root.getCodenumber() + "1");
}
while (!queue.isEmpty()) {
//將該隊列的“隊尾”元素加入到list中
list.add(queue.peek());
HuffNode node = queue.poll();
//如果左子節點不為null，將它加入到隊列
if (node.getLeft() != null) {
queue.offer(node.getLeft());
node.getLeft().setCodenumber(node.getCodenumber() + "0");
}
//如果右子節點不為null，將它加入到隊列
if (node.getRight() != null) {
queue.offer(node.getRight());
node.getRight().setCodenumber(node.getCodenumber() + "1");
}
}
return list;
}
輸出編碼解碼文件
- 正常的遍歷樹，將編碼寫入文件，再解碼，寫入一個新的文件
- 解碼部分代碼：
//將讀出的密文存在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 = "";//最后的解碼結果
String current="";// 臨時的保存值
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="";
}
}
}
實驗過程中遇到的問題
-
問題1：程序排序后找出了最小的兩個權值，那如何把相加結果的節點添加到樹中呢？
- 分析解決：無疑此時需要構造一個全新的節點來成為兩個相加節點的代替，具體流程如下：
- 生成新節點，新節點的權值為兩個子節點的權值之和
- 讓新節點作為兩個權值最小節點的父節點
- 刪除權值最小的兩個節點
- 將新節點加入到集合中
- 分析解決：無疑此時需要構造一個全新的節點來成為兩個相加節點的代替，具體流程如下：
-
問題2：如何將節點和編碼對應起來並輸出？
- 分析解決： 首先構造樹的時候就定下了節點的順序，這時只要按照設計的程序為每個節點編碼即可，此時實際已經達成綁定，即一個節點包含的屬性有：值，編碼；而在最后輸出的時候，只需要定義一個列表數組，每個數組元素按遍歷順序獲得相應節點的編碼並存儲，最后輸出這個數組即可
- 部分代碼：
List<String> newlist1 = new ArrayList<>(); for(int m=0;m < temp1.size();m++) { if(temp1.get(m).getData()!='無') newlist1.add(String.valueOf(temp1.get(m).getCodenumber())); } System.out.println("\n對應編碼："+newlist1);