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实验七 哈夫曼编/译码器实验指导书
一、实验目的
通过哈夫曼树的构造，深刻理解二叉树的构造。通过哈夫曼编/译码过程，深刻领会二叉
树的基本操作和二叉树的应用，帮助学生熟练掌握二叉数组织数据的基本原理和对二叉数操
作的实现方法。
二、实验内容
本实验的主要内容是：
1、由文本字符及字符在文本文件中出现的频率，构造带权路径最短的最优二叉树（哈夫
曼树），并依此为基础构造字符的前缀编码（哈夫曼编码）；
2、编码：从文本文件中读入文本字符，按照已知的字符哈夫曼编码将文本字符转换为二
进制串的哈夫曼编码形式。
3、译码：从文件中读入二进制串字符，按照哈夫曼树将其转换为文本字符。 4、输出哈夫曼树：以凹入表（层次表）的形式显示哈夫曼树。
四、实验原理
1、哈夫曼树的定义
哈夫曼树（最优二叉树）：设有ｎ个权值｛w1,w2,...,wn｝，试构造一棵有ｎ个叶结点的二 叉树，第ｉ个叶结点的权值为 wi，则其中带权路径长度为最小的二叉树被称为最优二叉树或
哈夫曼树。
2、哈夫曼算法
哈夫曼算法要点是：
(1)根据给定的ｎ个权值{w1,w2,...,wn}构成ｎ棵二叉树的集合Ｆ＝{T1,T2,...,Tn}，其中每
棵二叉树 Ti 只有一个带权为 Wi 的根结点，左右子树为空。
(2)在Ｆ中选取两棵根结点的权值最小的树作为左右子树构造一棵新的二叉树，且置新的
二叉树根结点的权值为左右子树根结点权值之和。
(3)在Ｆ中删除这两棵树，同时将新得到的树加入到Ｆ中。
(4)重复(2)和(3)，直到只剩下一棵二叉树为止。这棵二叉树便是哈夫曼树。
3、哈夫曼编码
对于字符的二进制编码，若任一字符的二进制编码都不是另一个字符的二进制编码的前
缀。这种编码叫做前缀编码。
以 n 种字符出现的频率作权，设计一棵哈夫曼树，并用二叉树的叶结点分别表示待编码
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的字符，并约定左分支表示字符?0?，右分支表示字符?1?。则对每个叶结点，都有唯一的
一条从根结点出发的路径，则该路径上分支字符组成的字符串作为该叶子结点的编码。由此 得到的编码必为二进制的前缀编码，而且是编码总长最短的二进制前缀编码，这种编码即为
哈夫曼编码。
例：设有 8 个字符{A，B，C，D，E，F，G，H}，其概率为{0.05，0.29，0.07，0.08， 0.14，0.23，0.03,0.11},设其权值用整数表示为 {5，29，7，8，14，23，3，11}，其哈夫曼树
如图 1 所示。
100
42
58
19 23 29 29 8 11 14 15 3
5
7 图 7-1 哈夫曼树示意图
8
则字符的哈夫曼编码为：
A 0001 B 10 C 1110 D 1111
E 110 F 01 G 0000 H 001
四、实现
1、哈夫曼树的存储结构
根据哈夫曼树的构造算法，哈夫曼树除叶结点外，其余结点的度均为 2。对于具有 n 个 权值构造的哈夫曼树，根据二叉树的性质 3，哈夫曼树的结点总数为 m=2n-1,即哈夫曼树所需
存储空间是由文本中不同字符的个数唯一确定的。为了便于对多棵二叉树进行组织和便于查
找各二叉树的根结点，采用静态链表作为二叉树的存储结构。其存储结构描述如下：
typedef struc { char ch;
unsigned int weight;
unsigned int parent,lchild,rchild;
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}HTNode,*HuffmanTree;
0
1 2 3 4
A 5 B C D 8 E F G 3 H * * * 11 10 8 15 19 29 42 58 100 14 23 29 7 8 13 9 9 11 -1 12 8 10 11 2 12 13 14 1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 0 3 7 9 5 11 13 5
6 7
-1 -1 -1 6 8 4 10 1 12 8
9
10
11 * 12 * 13 14
* * 2、哈夫曼编码的存储结构
若要编码的文本文件的字符集不变，则其哈夫曼编码不变。字符的哈夫曼编码一旦确定， 可以长期使用。因此，需要用文件同时保存字符的哈夫曼编码和字符。哈夫曼编码的表示形 式既要考虑存储空间的效率，也要考虑文件读取的方便。
文本字符的哈夫曼编码是不等长的二进制码，用不等长的二进制字符串表示，节省存储 空间，但用文件读取不方便。若用等长的结构体表示，可能要浪费一点存储空间，但文件存 取方便。为了便于文件存取，采用等长结构体表示哈夫曼具有可取之处，其存储结构描述如 下：
#define NODENUM 26 //字符集 struct HuffmanCoding
{ char ch; //字符 char coding[NODENUM]; //字符编码 };
3、字符及权值的输入形式
为了避免字符及其权值的手工键盘输入带来的错误，可以将字符及其权值组织成文本文件 的形式。文本文件的格式为：
字符 例如：
权值
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A 5 B 19 C 7 D 8 E 14 F 23 G 3
H 11
一般读入单个字符很不方便，格式化输入字符串和数值型数据很方便，所以字符数据可 以采用读串的方式读入，然后把它赋给字符变量。
4、文件的设置
（1）字符权值文件
const char *WeighFileName = \
存放需构造哈夫曼树的字符和权值数据，为文本数据，见“字符及权值的输入形式”。 （2）哈夫曼树数据文件
const char *TableFileName = \
存放哈夫曼树数据，二进制 HTNode 结构型。格式为： <数据个数 M><记录 1><记录 2>……<记录 M>
数据个数—哈夫曼树的结点数，M=2n-1,n 为权值个数 记录 i--二进制 HTNode 结构型数据 （3）字符编码数据文件
const char *CodeFileName = \
存放字符编码数据，二进制 struct HuffmanCoding 结构型。格式为： <数据个数 n><记录 1><记录 2>……<记录 n> 数据个数—权值个数
记录 i--二进制 struct HuffmanCoding 结构型数据 （4）文本文件
const char *SourceFileName = \
存放需编码的文本字符串数据，其中的字符属于编码字符集。
（5）编码数据文件
const char *EnCodeFileName = \
存放对文本文件编码后的数据，其中的数据为“0”和“1”的字符串。 （6）译码字符文件
const char *DecodeFileName = \
存放译码后的字符文件
5、程序基本功能
（1）初始化：输入编码字符和其权值，生成哈夫曼树和字符的哈夫曼编码，并用文
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件保存哈夫曼树和字符的哈夫曼编码。
（2）编码：把文本字符串转换为“0”和“1”表示的哈夫曼编码。 （3）译码：把“0”和“1”表示的哈夫曼编码串转换为文本字符串 （4）显示哈夫曼树：以凹入形式显示哈夫曼树。 （5）显示哈夫曼表：以表格形式显示哈夫曼树 （6）显示字符编码
6、辅助功能
（1）菜单选择：将上述功能通过“菜单”形式罗列出来，通过菜单选择进行交互式
控制程序运行。
（2）读文件：把哈夫曼树数据读入内存。
（3）选择结点：选择两个具有最小权值的根结点。
7、程序结构
本程序可以由 10 个函数组成，其中主函数 1 个，基本功能函数 6 个，辅助功能函数 3
个。函数间的调用关系图 2 所示。
main nemu Initialization Encode Decode PrintHuffman PrintHuff bl PrintCha Select
ReadFromFile 图 7-2 程序结构示意图
8、程序函数
（1）主函数：main
功能：通过菜单选择控制对系统功能的操作
（2）菜单选择函数：menu 函数格式： int menu(void)
函数功能：构造功能菜单，并选择下一步要操作的功能。 函数参数：无参数。