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哈夫曼樹原理及構造(轉載),哈夫曼

編輯:關於C語言

哈夫曼樹原理及構造(轉載),哈夫曼


構造哈夫曼樹的過程是這樣的

一、構成初始集合

對給定的n個權值{W1,W2,W3,...,Wi,...,Wn}構成n棵二叉樹的初始集合F={T1,T2,T3,...,Ti,...,Tn},其中每棵二叉樹Ti中只有一個權值為Wi的根結點,它的左右子樹均為空。(為方便在計算機上實現算法,一般還要求以Ti的權值Wi的升序排列。)

二、選取左右子樹

在F中選取兩棵根結點權值最小的樹作為新構造的二叉樹的左右子樹,新二叉樹的根結點的權值為其左右子樹的根結點的權值之和。

三、刪除左右子樹

從F中刪除這兩棵樹,並把這棵新的二叉樹同樣以升序排列加入到集合F中。

四、重復二和三兩步,

重復二和三兩步,直到集合F中只有一棵二叉樹為止。

舉個例子

有個序列是(7,9,2,6,32,3,21,10)

叫你求哈夫曼樹

步驟一:把這些點都看成是一個只有根結點的樹的集合F

哈夫曼樹的構造 - FlyMosquito - 伴隨著你

步驟二,選2個值最小的樹    

哈夫曼樹的構造 - FlyMosquito - 伴隨著你哈夫曼樹的構造 - FlyMosquito - 伴隨著你

步驟三:在這些樹的集合F中刪除這2棵樹

哈夫曼樹的構造 - FlyMosquito - 伴隨著你

然後把 哈夫曼樹的構造 - FlyMosquito - 伴隨著你構成一顆二叉樹

變成了哈夫曼樹的構造 - FlyMosquito - 伴隨著你(5 = 2 + 3)

然後把這個樹加入到集合F

哈夫曼樹的構造 - FlyMosquito - 伴隨著你

哈夫曼樹的構造 - FlyMosquito - 伴隨著你

5代表這棵樹的權值

然後繼續上述步驟

肯定是選 5 和 6

把這2個構成二叉樹

哈夫曼樹的構造 - FlyMosquito - 伴隨著你

在F中刪除5 6 加入11這棵樹

變成了

哈夫曼樹的構造 - FlyMosquito - 伴隨著你

哈夫曼樹的構造 - FlyMosquito - 伴隨著你

繼續上述步驟

選7 和 9

哈夫曼樹的構造 - FlyMosquito - 伴隨著你

在F中刪除7 和9

加入16這棵樹

變成了

哈夫曼樹的構造 - FlyMosquito - 伴隨著你

哈夫曼樹的構造 - FlyMosquito - 伴隨著你

繼續上述步驟

選 10 和11

哈夫曼樹的構造 - FlyMosquito - 伴隨著你

在F中刪除10 和11 加入21這棵樹

哈夫曼樹的構造 - FlyMosquito - 伴隨著你

哈夫曼樹的構造 - FlyMosquito - 伴隨著你

哈夫曼樹的構造 - FlyMosquito - 伴隨著你

繼續上述步驟

選16和21 (有2個21,隨便選哪個)

我選那個只有一個根結點的21好了

16和21構成二叉樹

哈夫曼樹的構造 - FlyMosquito - 伴隨著你

在F中刪除這16和21這兩棵樹

加入37這棵樹

哈夫曼樹的構造 - FlyMosquito - 伴隨著你

哈夫曼樹的構造 - FlyMosquito - 伴隨著你

哈夫曼樹的構造 - FlyMosquito - 伴隨著你

繼續上述步驟

選21和32

構成二叉樹

哈夫曼樹的構造 - FlyMosquito - 伴隨著你

在F中刪除21和32這2兩棵樹

加入53這棵樹

哈夫曼樹的構造 - FlyMosquito - 伴隨著你

哈夫曼樹的構造 - FlyMosquito - 伴隨著你

還是繼續上面步驟

把F中的兩棵樹合並成一棵樹

哈夫曼樹的構造 - FlyMosquito - 伴隨著你

完成了!

C語言代碼實現:

/*-------------------------------------------------------------------------
 * Name:   哈夫曼編碼源代碼。
 * Date:   2011.04.16
 * Author: Jeffrey Hill+Jezze(解碼部分)
 * 在 Win-TC 下測試通過
 * 實現過程:著先通過 HuffmanTree() 函數構造哈夫曼樹,然後在主函數 main()中
 *           自底向上開始(也就是從數組序號為零的結點開始)向上層層判斷,若在
 *           父結點左側,則置碼為 0,若在右側,則置碼為 1。最後輸出生成的編碼。
 *------------------------------------------------------------------------*/
#include <stdio.h>
#include<stdlib.h>
 
#define MAXBIT      100
#define MAXVALUE  10000
#define MAXLEAF     30
#define MAXNODE    MAXLEAF*2 -1
 
typedef struct 
{
    int bit[MAXBIT];
    int start;
} HCodeType;        /* 編碼結構體 */
typedef struct
{
    int weight;
    int parent;
    int lchild;
    int rchild;
    int value;
} HNodeType;        /* 結點結構體 */
 
/* 構造一顆哈夫曼樹 */
void HuffmanTree (HNodeType HuffNode[MAXNODE],  int n)
{ 
    /* i、j: 循環變量,m1、m2:構造哈夫曼樹不同過程中兩個最小權值結點的權值,
        x1、x2:構造哈夫曼樹不同過程中兩個最小權值結點在數組中的序號。*/
    int i, j, m1, m2, x1, x2;
    /* 初始化存放哈夫曼樹數組 HuffNode[] 中的結點 */
    for (i=0; i<2*n-1; i++)
    {
        HuffNode[i].weight = 0;//權值 
        HuffNode[i].parent =-1;
        HuffNode[i].lchild =-1;
        HuffNode[i].rchild =-1;
        HuffNode[i].value=i; //實際值,可根據情況替換為字母  
    } /* end for */
 
    /* 輸入 n 個葉子結點的權值 */
    for (i=0; i<n; i++)
    {
        printf ("Please input weight of leaf node %d: \n", i);
        scanf ("%d", &HuffNode[i].weight);
    } /* end for */
 
    /* 循環構造 Huffman 樹 */
    for (i=0; i<n-1; i++)
    {
        m1=m2=MAXVALUE;     /* m1、m2中存放兩個無父結點且結點權值最小的兩個結點 */
        x1=x2=0;
        /* 找出所有結點中權值最小、無父結點的兩個結點,並合並之為一顆二叉樹 */
        for (j=0; j<n+i; j++)
        {
            if (HuffNode[j].weight < m1 && HuffNode[j].parent==-1)
            {
                m2=m1; 
                x2=x1; 
                m1=HuffNode[j].weight;
                x1=j;
            }
            else if (HuffNode[j].weight < m2 && HuffNode[j].parent==-1)
            {
                m2=HuffNode[j].weight;
                x2=j;
            }
        } /* end for */
            /* 設置找到的兩個子結點 x1、x2 的父結點信息 */
        HuffNode[x1].parent  = n+i;
        HuffNode[x2].parent  = n+i;
        HuffNode[n+i].weight = HuffNode[x1].weight + HuffNode[x2].weight;
        HuffNode[n+i].lchild = x1;
        HuffNode[n+i].rchild = x2;
 
        printf ("x1.weight and x2.weight in round %d: %d, %d\n", i+1, HuffNode[x1].weight, HuffNode[x2].weight);  /* 用於測試 */
        printf ("\n");
    } /* end for */
  /*  for(i=0;i<n+2;i++)
    {
        printf(" Parents:%d,lchild:%d,rchild:%d,value:%d,weight:%d\n",HuffNode[i].parent,HuffNode[i].lchild,HuffNode[i].rchild,HuffNode[i].value,HuffNode[i].weight);
                  }*///測試 
} /* end HuffmanTree */
 
//解碼 
void decodeing(char string[],HNodeType Buf[],int Num)
{
  int i,tmp=0,code[1024];
  int m=2*Num-1;
  char *nump;
  char num[1024];
  for(i=0;i<strlen(string);i++)
  {
   if(string[i]=='0')
  num[i]=0;        
  else
  num[i]=1;                    
  } 
  i=0;
  nump=&num[0];
  
 while(nump<(&num[strlen(string)]))
 {tmp=m-1;
  while((Buf[tmp].lchild!=-1)&&(Buf[tmp].rchild!=-1))
  {
  
   if(*nump==0)
   {
     tmp=Buf[tmp].lchild ;          
   } 
   else tmp=Buf[tmp].rchild;
   nump++;
        
  } 
  
  printf("%d",Buf[tmp].value);                                  
 }
 
  
}
 
 
int main(void)
{
    
    HNodeType HuffNode[MAXNODE];            /* 定義一個結點結構體數組 */
    HCodeType HuffCode[MAXLEAF],  cd;       /* 定義一個編碼結構體數組, 同時定義一個臨時變量來存放求解編碼時的信息 */
    int i, j, c, p, n;
    char pp[100];
    printf ("Please input n:\n");
    scanf ("%d", &n);
    HuffmanTree (HuffNode, n);
   
    
    for (i=0; i < n; i++)
    {
        cd.start = n-1;
        c = i;
        p = HuffNode[c].parent;
        while (p != -1)   /* 父結點存在 */
        {
            if (HuffNode[p].lchild == c)
                cd.bit[cd.start] = 0;
            else
                cd.bit[cd.start] = 1;
            cd.start--;        /* 求編碼的低一位 */
            c=p;                    
            p=HuffNode[c].parent;    /* 設置下一循環條件 */
        } /* end while */
        
        /* 保存求出的每個葉結點的哈夫曼編碼和編碼的起始位 */
        for (j=cd.start+1; j<n; j++)
        { HuffCode[i].bit[j] = cd.bit[j];}
        HuffCode[i].start = cd.start;
    } /* end for */
    
    /* 輸出已保存好的所有存在編碼的哈夫曼編碼 */
    for (i=0; i<n; i++)
    {
        printf ("%d 's Huffman code is: ", i);
        for (j=HuffCode[i].start+1; j < n; j++)
        {
            printf ("%d", HuffCode[i].bit[j]);
        }
        printf(" start:%d",HuffCode[i].start);
       
        printf ("\n");
        
    }
/*    for(i=0;i<n;i++){
    for(j=0;j<n;j++)
        {
             printf ("%d", HuffCode[i].bit[j]);           
        }
        printf("\n");
        }*/
    printf("Decoding?Please Enter code:\n");
    scanf("%s",&pp);
decodeing(pp,HuffNode,n);
    getch();
    return 0;
}

哈夫曼樹的原理證明

哈夫曼樹 在一般的數據結構的書中,樹的那章後面,著者一般都會介紹一下哈夫曼(HUFFMAN)樹和哈夫曼編碼。哈夫曼編碼是哈夫曼樹的一個應用。哈夫曼編碼應用廣泛,如JPEG中就應用了哈夫曼編碼。
首先介紹什麼是哈夫曼樹。哈夫曼樹又稱最優二叉樹,是一種帶權路徑長度最短的二叉樹。所謂樹的帶權路徑長度,就是樹中所有的葉結點的權值乘上其到根結點的路徑長度(若根結點為0層,葉結點到根結點的路徑長度為葉結點的層數)。樹的帶權路徑長度記為WPL=(W1*L1+W2*L2+W3*L3+...+Wn*Ln),N個權值Wi(i=1,2,...n)構成一棵有N個葉結點的二叉樹,相應的葉結點的路徑長度為Li(i=1,2,...n)。可以證明哈夫曼樹的WPL是最小的。
哈夫曼在上世紀五十年代初就提出這種編碼時,根據字符出現的概率來構造平均長度最短的編碼。它是一種變長的編碼。在編碼中,若各碼字長度嚴格按照碼字所對應符號出現概率的大小的逆序排列,則編碼的平均長度是最小的。(注:碼字即為符號經哈夫曼編碼後得到的編碼,其長度是因符號出現的概率而不同,所以說哈夫曼編碼是變長的編碼。)
然而怎樣構造一棵哈夫曼樹呢?最具有一般規律的構造方法就是哈夫曼算法。一般的數據結構的書中都可以找到其描述:
一、對給定的n個權值{W1,W2,W3,...,Wi,...,Wn}構成n棵二叉樹的初始集合F={T1,T2,T3,...,Ti,...,Tn},其中每棵二叉樹Ti中只有一個權值為Wi的根結點,它的左右子樹均為空。(為方便在計算機上實現算法,一般還要求以Ti的權值Wi的升序排列。)
二、在F中選取兩棵根結點權值最小的樹作為新構造的二叉樹的左右子樹,新二叉樹的根結點的權值為其左右子樹的根結點的權值之和。
三、從F中刪除這兩棵樹,並把這棵新的二叉樹同樣以升序排列加入到集合F中。
四、重復二和三兩步,直到集合F中只有一棵二叉樹為止。
用C語言實現上述算法,可用靜態的二叉樹或動態的二叉樹。若用動態的二叉樹可用以下數據結構: struct tree{
float weight; /*權值*/
union{
char leaf; /*葉結點信息字符*/
struct tree *left; /*樹的左結點*/
};
struct tree *right; /*樹的右結點*/
};
struct forest{ /*F集合,以鏈表形式表示*/
struct tree *ti; /* F中的樹*/
struct forest *next; /* 下一個結點*/
};
例:若字母A,B,Z,C出現的概率為:0.75,0.54,0.28,0.43;則相應的權值為:75,54,28,43。
構造好哈夫曼樹後,就可根據哈夫曼樹進行編碼。例如:上面的字符根據其出現的概率作為權值構造一棵哈夫曼樹後,經哈夫曼編碼得到的對應的碼值。只要使用同一棵哈夫曼樹,就可把編碼還原成原來那組字符。顯然哈夫曼編碼是前綴編碼,即任一個字符的編碼都不是另一個字符的編碼的前綴,否則,編碼就不能進行翻譯。例如:a,b,c,d的編碼為:0,10,101,11,對於編碼串:1010就可翻譯為bb或ca,因為b的編碼是c的編碼的前綴。剛才進行哈夫曼編碼的規則是從根結點到葉結點(包含原信息)的路徑,向左孩子前進編碼為0,向右孩子前進編碼為1,當然你也可以反過來......余下全文>>
 

哈夫曼樹的構建過程

哈夫曼樹:
給定n個權值作為n個葉子結點,構造一棵二叉樹,若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。
哈夫曼樹的構造:
假設給定的權值如下:3,5,7,8,10,15;
首先取集合中最小的兩個數:3+5=8,再刪除集合中3和5的值,把8放入原集合,
原集合變成:7,8,8,10,15;
8
/ \
3 5
再從7,8,8,10,15中再取2個最小的數構成一個樹
15
/ \
8 7
/ \
3 5
再從8,10,15,15中再取2個最小的數構成一個樹:
18
/ \
8 10
再從15,15,18中取兩個最小數:15,15,構成樹:
30
/ \
15 15
/ \
8 7
/ \
3 5
最後把18,30構成樹(此時集合中已經沒元素了,就形成了哈夫曼樹):
48
/ \
30 18
/ \ / \
15 15 8 10
/ \
8 7
/ \
3 5
希望你能看懂!!
 

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