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" + "\n" + 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