【赫夫曼编码】实现文件中数据的加解密与压缩

其他 2020-05-17 10:31:16 阅读次数: 0

目录

（一）第一步就是思路整理

（二）函数模块

（三）主要数据类型与变量

1、定义哈夫曼树的结构

2、动态分配数组存储赫夫曼编码表

3、存储数据扫描统计结果

4、主要变量

（四）代码测试

1、方案

建三个文件

2、运行结果

压缩文件

解压文件

输出文件

比较文件

（五）源码部分

背景知识：二叉树的应用、赫夫曼树。

目的要求：掌握赫夫曼树和赫夫曼编码的基本思想和算法的程序实现。

实验内容：实现文件中数据的加解密与压缩：将硬盘上的一个文本文件进行加密，比较加密文件和原始文件的大小差别；对加密文件进行解密，比较原始文件和解码文件的内容是否一致。

实验说明：

1．输入和输出：

（1）输入：硬盘上给定的原始文件及文件路径。

（2）输出：

  • 硬盘上的加密文件及文件路径；
  • 硬盘上的解码文件及文件路径；
  • 原始文件和解码文件的比对结果。

2．实验要求：

  • 提取原始文件中的数据（包括中文、英文或其他字符），根据数据出现的频率为权重，构建Huffman编码表；
  • 根据Huffman编码表对原始文件进行加密，得到加密文件并保存到硬盘上；
  • 将加密文件进行解密，得到解码文件并保存点硬盘上；
  • 比对原始文件和解码文件的一致性，得出是否一致的结论。

3．参考类型定义   //双亲孩子表示法      

        typedef struct {

            unsigned int  weight;

            unsigned int  parent, lchild, rchild;

        } HTNode, *HuffmanTree;      //动态分配数组存储赫夫曼树

  • typedef char * * HuffmanCode;  //动态分配数组存储赫夫曼编码表

    (*≧︶≦))(￣▽￣* )ゞ小唠叨

这是我们的数据结构实验二，作为拖延症患者的我ddl从来都是第一生产力，于是，熬了两个晚上终于把思路给理出来了。8过代码还是借鉴啦大佬的博客

https://blog.csdn.net/qq_43492703/article/details/99769317?utm_medium=distribute.pc_relevant.none-task-blog-OPENSEARCH-4&depth_1-utm_source=distribute.pc_relevant.none-task-blog-OPENSEARCH-4

（一）第一步就是思路整理

这个实验难在它对我来说有一些抽象，一开始对文件的压缩和解压的概念很模糊，后来找到了B站上的一个视频（https://www.bilibili.com/video/BV1Yt411Y76w?from=search&seid=11711631498115172127），把这个本来对我来说比较抽象的概念具体化了：假设文件中的内容是“abcdabccccca”12个字符，一个ascii码对应一个字节，那么就是12个字节。但是如果用少于1个字节的几个位来表示各个字符，列如a：10，c：11，b:01,c：00，那么算下来只需要不到12个字节（5-6个字节）就可以搞定。而每个字符的编码可以由哈夫曼编码得到，每个字符的权值就是它出现的频率。

实验中比较重要的两个步骤就是压缩和解压缩：

①压缩：先打开要压缩的文件，分析每个字符的总次数，然后将次数传给哈夫曼树，构建一颗哈夫曼树，然后获取到每个字符的哈夫曼编码，将编码写入文件

②解压缩：打开要解压缩的文件，读出储存的哈夫曼字典（结构体），然后根据字典逐个的翻译编码得到字符，写入文件。

哈夫曼编码的思路（来自上述链接中大佬的博客）：

1、读取文件并存储到vector容器中

2、将vector容器中的数据按照以下TNode结构存储

typedef struct {/*存储数据扫描统计结果*/

    char* data;/*表示文件中的字符*/

    int* cou;/*同一个字符在文件中出现的次数*/

    int length;/*文件的字符总长度*/

}TNode;

3、使用TNode将哈夫曼树的叶节点初始化

4、构造哈夫曼树 得到哈夫曼编码

（二）函数模块

void table();/*欢迎界面*/

void ReadFile(vector<char>& f);/*读取文件到vector容器中*/

void InitList(TNode& N);/*初始化TNode结构*/

int Find(TNode N, char ch);/*查看TNode中是否有ch；有：返回true；无：返回false*/

void WriteTNode(vector<char> v, TNode& N);/*核心：将vector中的数据存入TNode结构体中*/

void Select(HuffmanTree& HT, int n, int& min1, int& min2);/*查找HT中未被使用的权值最小的两个点的下标*/

void HuffmanCoding(HuffmanTree& HT, HuffmanCode& HC, TNode N);/*建树函数，附带完成每一个字符对应的编码*/

void ZipFile(HuffmanCode HC, vector<char> v, TNode N);/*压缩文件*/

void RZipFile(HuffmanCode HC, TNode N);/*解压文件*/

void OutPutFile(vector<char>& f);/*输出文件到屏幕*/

void CompareFile(vector<char>& f, vector<char>& v);/*对比两个文件*/

（三）主要数据类型与变量

1、定义哈夫曼树的结构

typedef struct

{

    unsigned int weight;/*权值*/

    unsigned int parent, lchild, rchild;/*父节点 左节点 右节点*/

}HTNode, * HuffmanTree;/*动态分配数组存储赫夫曼树*/

2、动态分配数组存储赫夫曼编码表

typedef char** HuffmanCode;

3、存储数据扫描统计结果

typedef struct {

    char* data;/*表示文件中的字符（相当于哈夫曼树的结点）*/

    int* cou;/*同一个字符在文件中出现的次数*/

    int length;/*文件的字符总长度*/

}TNode;

4、主要变量

//HT：哈夫曼树；

//HC：哈夫曼编码

vector<char> V;/*vector声明*/

（四）代码测试

1、方案

  • 建三个文件

路径分别是：

  • E:\\Amusement\\Test.txt 原始文件 填写好内容
  • E:\\Amusement\\ZipFile.txt 压缩后的文件 初始为空
  • E:\\Amusement\\RZipFile.txt 解压后的文件 初始为空

  • 测试文件Test 包含文字和字母以及符号

2、运行结果

  • 压缩文件

  • ZipFile中储存压缩后的内容

  • 解压文件

  • 输出文件

  • 比较文件

（五）源码部分

好啦废话不多说啦直接上源码

#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <algorithm>
#include <vector>
#include <fstream>
#include <Windows.h>

using namespace std;

/*-----主要数据类型与变量------*/
typedef struct/*定义哈夫曼树的结构*/
{
    unsigned int weight;/*权值*/
    unsigned int parent, lchild, rchild;/*父节点 左节点 右节点*/
}HTNode, * HuffmanTree;/*动态分配数组存储赫夫曼树*/

typedef char** HuffmanCode;/*动态分配数组存储赫夫曼编码表*/

typedef struct {/*存储数据扫描统计结果*/
    char* data;/*表示文件中的字符（相当于哈夫曼树的结点）*/
    int* cou;/*同一个字符在文件中出现的次数*/
    int length;/*文件的字符总长度*/
}TNode;

void table() {
    cout << "1、压缩文件" << endl;
    cout << "2、解压文件" << endl;
    cout << "3、输出文件" << endl;
    cout << "4、比较文件" << endl;
    cout << "5、  退出  " << endl;
}

void ReadFile(vector<char>& f) {/*读取文件*/
    char path[500];/*文件路径*/
    char ch;
    cout << "请输入您文件的路径：" << endl;
    cin >> path;/*从键盘输入路径*/

    /*定义一个来自于文件path的输入copy流,
    用ios::in方式 打开,in方式表示要读取文件,
    文件不存在的话,不建立文件,而是得到一个空的ifstream对像*/
    ifstream infile(path, ios::in);
    if (!infile) {/*文件不存在*/
        cout << "wrong open!!" << endl;
        exit(1);/*退出当前运行的程序，并将参数1返回给主调进程*/
    }
    while (infile.peek() != EOF) {/*读操作，返回下一个字符但是不读取它*/
        infile.get(ch);/*读取字符赋值给ch*/
        f.push_back(ch);/*把字符ch推入vector*/
    }
    infile.close();/*关闭文件*/
    cout << "完成read" << endl;
    system("pause");
}

void InitList(TNode& N) {/*初始化TNode定义的结点*/
    N.data = new char[256];
    N.cou = new int[256];
    if (!N.data || !N.cou) exit(1);
    N.length = 0;
}

int Find(TNode N, char ch) {/*查看TNode中是否有ch；有：返回true；无：返回false*/
    for (int i = 0; i < N.length; i++)
        if (ch == N.data[i]) return true;/*ch在TNode存在*/
    return false;/*ch在TNode中不存在*/
}

/*核心：将vector中的数据存入TNode结构体中*/
void WriteTNode(vector<char> v, TNode& N) {
    char ch;/*存储临时字符*/
    int len = v.size(), j = 0;
    for (int i = 0; i < len; i++) {/*遍历vector容器 寻找相同的字符*/
        ch = v[i];/*相同的字符暂时存入v这个容器中*/
        if (!Find(N, ch)) {
            /*如果大vector中不再有没有读入v的相同的字符
            那么就将v中当前字符ch的数据存入TNode N中*/
            N.data[j] = ch;/*当前字符*/
            N.cou[j] = count(v.begin(), v.end(), ch);/*此字符出现了多少次*/
            j++;
            N.length++;
        }
    }
    cout << "完成write" << endl;
    system("pause");
}

/*查找HT中未被使用的权值最小的两个点的下标*/
void Select(HuffmanTree& HT, int n, int& min1, int& min2) {
    /*min1, min2最小值和次小值对应的下标*/
    min1 = min2 = 0;/*初始化*/
    for (int i = 1; i < n; i++) {
        if (HT[i].parent != 0) continue;/*略过已经加入的结点*/
        if (min1 == 0) min1 = min2 = i;/*赋初值*/
        else if (HT[i].weight <= HT[min1].weight) {/*min1是最小值*/
            min2 = min1; min1 = i;
        }
        else if (HT[i].weight < HT[min2].weight) {/*min2是次小值*/
            min2 = i;
        }
        else if (HT[i].weight > HT[min2].weight) {/*防止两个值相等*/
            if (min1 == min2) min2 = i;
        }
    }
}

/*建树函数，附带完成每一个字符对应的编码*/
void HuffmanCoding(HuffmanTree& HT, HuffmanCode& HC, TNode N) {
    int m, start, n = N.length;
    char* cd;
    unsigned int c, f;
    if (n <= 1) return;
    m = 2 * n - 1;/*实际需要的存储空间为m*/
    HT = (HuffmanTree)malloc((m + 1) * sizeof(HTNode));/*0号单元未用 从1开始*/
    for (int i = 1; i <= n; i++) {/*利用TNode将叶节点初始化*/
        HT[i].parent = 0;
        HT[i].lchild = HT[i].rchild = 0;
        HT[i].weight = N.cou[i - 1];/*TNode从0开始存储 HT从1开始存储*/
    }
    for (int i = n + 1; i <= m; i++) {/*初始化非叶节点*/
        HT[i].parent = HT[i].weight = 0;
        HT[i].lchild = HT[i].rchild = 0;
    }
    for (int i = n + 1; i <= m; i++) {/*构建赫夫曼树*/
        int min1, min2;/*选出最小的两个结点合并*/
        Select(HT, i, min1, min2);
        HT[i].weight = HT[min1].weight + HT[min2].weight;
        HT[i].lchild = min1;
        HT[i].rchild = min2;
        HT[min1].parent = HT[min2].parent = i;
    }
    /*从叶子到根逆向求每个字符的赫夫曼编码*/
    HC = (HuffmanCode)malloc((n + 1) * sizeof(char*));/*分配n个字符编码的头指针向量*/
    cd = (char*)malloc(n * sizeof(char));/*分配求编码的工作空间*/
    cd[n - 1] = '\0';/*编码结束符*/
    for (int i = 1; i <= n; i++) {/*逐个字符求赫夫曼编码*/
        start = n - 1;/*编码结束符位置*/
        for (c = i, f = HT[i].parent; f != 0; c = f, f = HT[f].parent) {/*从叶子到根逆向求编码*/
            if (HT[f].lchild == c)
                cd[--start] = '0';
            else
                cd[--start] = '1';
        }
        HC[i] = (char*)malloc((n - start) * sizeof(char));/*为第i个字符编码分配空间*/
        strcpy(HC[i], &cd[start]);/*从cd复制编码（串）到HC*/
    }
    free(cd);/*释放工作空间*/
    cout << "完成Huffman" << endl;
    system("pause");
}

void ZipFile(HuffmanCode HC, vector<char> v, TNode N) {/*压缩文件*/
    int i = 0, j = 0, k = 0;
    ofstream outfile("E:\\Amusement\\ZipFile.txt", ios::out);/*文件以输出方百式打开*/
    if (!outfile) {/*文件为空*/
        cerr << "wrong open!!" << endl;
        exit(1);/*出现错误，返回值1*/
    }
    for (i = 0; i < v.size(); i++) {/*遍历vector容器*/
        for (j = 0; j < N.length; j++)
            if (N.data[j] == v[i]) break;
        for (k = 0; HC[j + 1][k] != '\0'; k++)/*借助哈夫曼编码将数据压缩*/
            outfile << HC[j + 1][k];
    }
    outfile.close();/*关闭文件*/
    cout << "Zipping..."; Sleep(200); cout << "..."; Sleep(200); cout << "...";/*让用户等得一些时间*/
    cout << "Finished! You can find your new file at E:\\Amusement\\ZipFile.txt" << endl;/*提示完成压缩*/
    system("pause");
}

void RZipFile(HuffmanCode HC, TNode N) {/*解压文件*/
    int flag, flag2 = 0, m = 0, i, j;
    char ch;
    char ch2[55];
    ofstream outfile("E:\\Amusement\\RZipFile.txt", ios::out);/*文件以输百出方式打开;如果没有文件，那么生成空文件*/
    ifstream infile("E:\\Amusement\\ZipFile.txt", ios::in);/*如果没有文件，打开失败;不能写文件*/
    if (!outfile) {/*文件打开失败*/
        cerr << "wrong open!!" << endl;
        exit(1);/*运行错误，返回值1*/
    }
    if (!infile) {
        cerr << "wrong open!!" << endl;
        exit(1);/*运行错误，返回值1*/
    }
    while (infile.peek() != EOF) {
        flag = 0;
        char* cd = new char[N.length];
        for (i = 0;; i++) {
            infile >> ch;
            cd[i] = ch;
            cd[i + 1] = '\0';
            for (int j = 1; j <= N.length; j++) {
                if (strcmp(HC[j], cd) == 0) {
                    if (flag2 == 1) {
                        ch2[m] = N.data[j - 1];
                        flag = 1;
                        m++;
                        delete cd;
                        break;
                    }
                    if (flag2 == 0) {
                        outfile << N.data[j - 1];
                        flag = 1;
                        delete cd;
                        break;
                    }
                }
            }
            if (flag == 1)
                break;
        }
    }
    cout << "RZipping..."; Sleep(200); cout << "..."; Sleep(200); cout << "...";/*让用户等得一些时间*/
    cout << "Finished! You can find your new file at E:\\Amusement\\RZipFile.txt" << endl;/*提示完成解压缩*/
}

void OutPutFile(vector<char>& f) {
    char path[200];/*文件路径*/
    char ch;
    cout << "请输入您所要查询的文件路径" << endl;
    cin >> path;/*从键盘输入路径*/

    ifstream infile(path, ios::in);
    if (!infile) {/*文件不存在*/
        cout << "wrong open!!" << endl;
        exit(1);/*退出当前运行的程序，并将参数1返回给主调进程*/
    }
    while (infile.peek() != EOF) {/*读操作，返回下一个字符但是不读取它*/
        infile.get(ch);/*读取字符赋值给ch*/
        f.push_back(ch);/*把字符ch推入vector*/
    }
    infile.close();/*关闭文件*/
    cout << "路径：" << path << "的文件如下" << endl;
    for (int i = 0; i < f.size(); i++)
        cout << f.at(i);
    cout << endl;
    f.clear();
    system("pause");
}

void CompareFile(vector<char>& f, vector<char>& v) {
    cout << ">>请依次输入您的两个待比较文件" << endl;
    ReadFile(f);
    ReadFile(v);
    //if (f.size() != v.size()) {
    //    cout << "您所比较的两个文件不相同" << endl;
    //    return;
    //}
    /*一直在想如何逐一比较vector里面的数据，后来查了博客才知道可以直接比较*/
    if (f == v)
        cout << "您所比较的两个文件相等" << endl;
    else
        cout << "您所比较的两个文件不相等" << endl;
    return;
}

int main() {
    int choose;
    vector<char> V, Vf, Vs, Vr;
    HuffmanTree HT;
    HuffmanCode HC;
    TNode N;
    InitList(N);
    while (1) {
        system("cls");
        table();
        cout << "请输入您的操作:" << endl;
        cin >> choose;
        switch (choose) {
        case 1:
            cout << "-----将为您进行压缩文件操作-----" << endl;
            ReadFile(V);/*打开指定文件 读取数据 存入vector容器*/
            WriteTNode(V, N);/*将vector中的数据存储到NTode结构中*/
            HuffmanCoding(HT, HC, N);/*将TNode中的数据存到哈夫曼树中并生成哈夫曼编码*/
            ZipFile(HC, V, N);/*压缩文件*/

            break;
        case 2:
            cout << "-----将为您进行解压缩文件操作-----" << endl;
            RZipFile(HC, N);/*对文件内容进行解码*/
            system("pause");
            break;
        case 3:
            cout << "-----将为您进行输出文件操作-----" << endl;
            OutPutFile(Vr);/*将文件内容借助vector输出到终端*/
            break;
        case 4:
            cout << "-----将为您进行解比较文件操作-----" << endl;
            CompareFile(Vf, Vs);
            system("pause");
            //cout << ">>请依次输入您的两个待比较文件" << endl;
            //OutPutFile(Vf);
            //OutPutFile(Vs);
            /*直接将两个待比较的文件输出 肉眼进行比较*/
            break;
        case 5:
            return 0;
        default:
            cout << "请输入规范的序号";
            system("pause");
            break;
        }
    }
    return 0;
}

朱帅Esther
原创文章 3 获赞 9 访问量 895
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转载自blog.csdn.net/weixin_43232564/article/details/106126875
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