河北工业大学数据结构实验报告基于哈夫曼编码的通信系统的设计与实现.docx

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河北工业大学数据结构实验报告基于哈夫曼编码的通信系统的设计与实现

基于哈夫曼编码的通信系统的设计与实现

1、实验目的

（1）掌握二叉树的存储结构及其相关操作。

（2）掌握构造哈夫曼树的基本思想，及其编码/译码过程。

2、实验内容

利用哈夫曼编码进行通信可以大大提高信道利用率，缩短信息传输时间，降低传输成本。

但是，这要求在发送端通过一个编码系统对待传输数据预先编码，在接收端将传来的数据进行译码。

对于双工信道，每端都需要一个完整的编/译码系统。

试为这样的信息收发站设计一个基于哈夫曼编码的通信系统。

一个完整的系统应具有以下功能

1）初始化处理：

建立通信系统

（1）建立有100句中文的信息集合，每个句子称为一条信息。

（2）输入编码参数：

①从终端输入编码字符集大小n，字符编码长度m（设n为4，m为8）；

②从终端输入编码字符（设为A,B,C,D）;

（3）生成每条信息的字符编码，构造字符编码集合；

（4）计算每个字符编码集合中出现的概率；

（5）根据字符概率构造哈夫曼树，求出每个字符的二进制编码。

2）发送端信息编码

（1）用户从信息集合中选择一条信息，找到该信息对应的字符编码；

（2）根据该信息的字符编码，哈夫曼树求出的每个字符的二进制编码，构造出该信息的二进制编码，记录二进制比编码。

3）接受端信息译码

（1）根据得到的信息的二进制编码，利用哈夫曼树求出每个字符的二进制编码还原出信息的字符编码；

（2）根据信息的字符编码，找到对应的信息。

3、源程序代码

#include

#include

#include

char*codechar;

intncodechar,lcodechar;

int*arraychar[100];

char*temp;

float*proba;

charpass[50];

intpassl;

structnode

{

floatpro;

intnum;

structnode*p;

structnode*lc;

structnode*rc;

char*res;

intlength;

}*hc;

charmessage[100][20]={

{"人之初"},{"性本善"},{"性相近"},{"习相远"},{"苟不教"},{"性乃迁"},

{"教之道"},{"贵以专"},{"昔孟母"},{"择邻处"},{"子不学"},{"断机杼"},

{"窦燕山"},{"有义方"},{"教五子"},{"名俱扬"},{"养不教"},{"父之过"},

{"教不严"},{"师之惰"},{"子不学"},{"非所宜"},{"幼不学"},{"老何为"},

{"玉不琢"},{"不成器"},{"人不学"},{"不知义"},{"为人子"},{"方少时"},

{"亲师友"},{"习礼仪"},{"香九龄"},{"能温席"},{"孝于亲"},{"所当执"},

{"融四岁"},{"能让梨"},{"弟于长"},{"宜先知"},{"首孝弟"},{"次见闻"},

{"知某数"},{"识某文"},{"一而十"},{"十而百"},{"百而千"},{"千而万"},

{"三才者"},{"天地人"},{"三光者"},{"日月星"},{"三纲者"},{"君臣义"},

{"父子亲"},{"夫妇顺"},{"曰春夏"},{"曰秋冬"},{"此四时"},{"运不穷"},

{"曰南北"},{"曰西东"},{"此四方"},{"应乎中"},{"曰水火"},{"木金土"},

{"此五行"},{"本乎数"},{"曰仁义"},{"礼智信"},{"此五常"},{"不容紊"},

{"稻粱菽"},{"麦黍稷"},{"此六谷"},{"人所食"},{"马牛羊"},{"鸡犬豕"},

{"此六畜"},{"人所饲"},{"曰喜怒"},{"曰哀惧"},{"爱恶欲"},{"七情具"},

{"匏土革"},{"木石金"},{"丝与竹"},{"乃八音"},{"高曾祖"},{"父而身"},

{"身而子"},{"子而孙"},{"自子孙"},{"至玄曾"},{"乃九族"},{"人之伦"},

{"父子恩"},{"夫妇从"},{"兄则友"},{"弟则恭"}};

intzifushengcheng（）;

intprobability（）;

inthuffman（）;

intExchange（structnode*a,structnode*b）;

intExchangenum（int*a,int*b）;

intExchangepoint（structnode**a,structnode**b）;

intproduce（structnode*a,int*b）;

intsent（）;

intreceive（）;

intmain（）

{

inti;

chart;

printf（"初始化通讯系统:

\n请输入编码字符集大小n,字符编码长度m（以nm格式来输入）:

\n"）;

scanf（"%d%d",&ncodechar,&lcodechar）;

codechar=（char*）malloc（sizeof（char）*ncodechar）;

proba=（float*）malloc（sizeof（float）*ncodechar）;

for（i=0;i

{

proba[i]=0;

}

for（i=0;i<100;i++）

{

arraychar[i]=（int*）malloc（sizeof（int）*lcodechar）;

}

hc=（structnode*）malloc（sizeof（structnode）*（ncodechar*2-1））;

temp=（char*）malloc（sizeof（char）*（ncodechar））;

printf（"请输入编码字符（以ABCD的格式来输入）:

\n"）;

for（i=0;i

{

scanf（"%c",&t）;

if（t=='\n'||t==''）

{

i--;

continue;

}

codechar[i]=t;

}

zifushengcheng（）;

probability（）;

huffman（）;

sent（）;

receive（）;

return1;

}

intsent（）

{

inti,j,k,x;

printf（"\n--------------------------------发送方------------------------------------\n"）;

for（i=0;i<100;i++）

{

printf（"%d:

",i+1）;

for（j=0;j<20;j++）

{

printf（"%c",message[i][j]）;

}

printf（"相应的字符编码:

"）;

for（k=0;k

{

printf（"%c",codechar[arraychar[i][k]]）;

}

printf（"\n"）;

}

printf（"请从以上100条信息中选择发送的信息，输入你的信息号:

"）;

scanf（"%d",&x）;

printf（"你选择发送的信息是:

"）;

for（j=0;j<20;j++）

{

printf（"%c",message[x-1][j]）;

}

printf（"\n相应的字符编码是:

"）;

for（i=0;i

{

printf（"%c",codechar[arraychar[x-1][i]]）;

}

printf（"\n根据哈夫曼树得到的哈夫曼编码是:

"）;

for（i=0;i

{

for（j=0;j

{

if（arraychar[x-1][i]==hc[j].num）

{

for（k=0;k

{

printf（"%c",hc[j].res[k]）;

pass[passl]=hc[j].res[k];

passl++;

}

}

}

}

return1;

}

intreceive（）

{

inti,j,k=0,m;

int*get=（int*）malloc（sizeof（int）*lcodechar）;

printf（"\n--------------------------------接收方------------------------------------\n接收到的哈夫曼编码是:

"）;

for（i=0;i

{

printf（"%c",pass[i]）;

}

i=0;

while（i!

=lcodechar）

{

for（j=0;（j

{

for（m=0;m

{

if（hc[j].res[m]!

=pass[k]）

{

break;

}

}

if（m==hc[j].length）

{

get[i]=hc[j].num;

i++;

break;

}

k=k-m;

}

}

printf（"\n根据哈夫曼树转换出的字符编码为:

\n"）;

for（i=0;i

{

printf（"%c",codechar[get[i]]）;

}

for（i=0;i<100;i++）

{

for（j=0;j

{

if（get[j]!

=arraychar[i][j]）

break;

}

if（j==lcodechar）

{

printf（"\n字符编码转换后得到的信息是:

\n"）;

for（k=0;k<20;k++）

{

printf（"%c",message[i][k]）;

}

break;

}

}

printf（"\n接收结束，谢谢使用!

"）;

return1;

}

intzifushengcheng（）

{

inti,j=0,k=0,yushu,x;

int*b[100];

for（i=0;i<100;i++）

{

b[i]=（int*）malloc（sizeof（int）*lcodechar）;

for（j=0;j

{

b[i][j]=0;

}

}

for（i=0;i<100;i++）

{

x=i;

do{

yushu=x%ncodechar;

x=（int）（x/ncodechar）;

b[i][j]=yushu;

j++;

}while（x!

=0）;

for（j=ncodechar-1;j>=0;j--,k++）

{

arraychar[i][k]=b[i][j];

}

j=0;

k=0;

}

for（i=0;i<100;i++）

{

for（j=ncodechar;j

{

arraychar[i][j]=rand（）%ncodechar;

}

}

/*for（i=0;i<100;i++）

{

for（j=0;j

{

printf（"%d",arraychar[i][j]）;

}

printf（""）;

for（j=0;j

{

printf（"%c",codechar[arraychar[i][j]]）;

}

printf（"\n"）;

}*/

return1;

}

intprobability（）

{

inti,j,k;

for（i=0;i<100;i++）

{

for（j=0;j

{

for（k=0;k

{

if（arraychar[i][j]==k）

{

proba[k]++;

}

}

}

}

printf（"随机生成的字符编码概率:

\n"）;

for（i=0;i

{

proba[i]=proba[i]/（100*lcodechar）;

printf（"%c:

%f",codechar[i],proba[i]）;

}

return1;

}

inthuffman（）

{

inti,j,k,l=0;

for（i=0;i<（ncodechar*2-1）;i++）

{

hc[i].lc=NULL;

hc[i].rc=NULL;

hc[i].p=NULL;

hc[i].num=i;

if（i

{

hc[i].pro=proba[i];

continue;

}

hc[i].pro=0;

}

for（i=0;i

{

for（j=i*2;j<（ncodechar+i）;j++）

{

for（k=j+1;k<（ncodechar+i）;k++）

{

if（hc[k].pro

=0）

{

Exchange（&hc[k],&hc[j]）;

}

}

}

hc[i+ncodechar].pro=hc[i*2].pro+hc[i*2+1].pro;

hc[i+ncodechar].lc=&hc[i*2];

hc[i+ncodechar].rc=&hc[i*2+1];

hc[i*2].p=&hc[i+ncodechar];

hc[i*2+1].p=&hc[i+ncodechar];

}

printf（"\n构造的哈夫曼树:

"）;

for（i=0;i

{

printf（"\nchar:

%cnum:

%dpro:

%f",codechar[hc[i].num],hc[i].num,hc[i].pro）;

printf（"lc:

"）;

if（hc[i].lc==NULL）

{

printf（""）;

}

else

{

printf（"%d,",hc[i].lc->num）;

}

printf（"rc:

"）;

if（hc[i].rc==NULL）

{

printf（""）;

}

else

{

printf（"%d,",hc[i].rc->num）;

}

printf（"p:

"）;

if（hc[i].p==NULL）

{

printf（""）;

}

else

{

printf（"%d,",hc[i].p->num）;

}

}

produce（&hc[ncodechar*2-2],&l）;

printf（"\n生成的哈夫曼编码是:

"）;

for（i=0;i

{

printf（"\nchar:

%cnum:

%dlength:

%dcode:

",codechar[hc[i].num],hc[i].num,hc[i].length）;

for（j=0;j

{

printf（"%c",hc[i].res[j]）;

}

}

return1;

}

intproduce（structnode*a,int*b）

{

inti;

a->length=（*b）;

a->res=（char*）malloc（sizeof（char）*（*b））;

for（i=0;i<（*b）;i++）

{

a->res[i]=temp[i];

}

if（a->lc!

=NULL&&a->rc!

=NULL）

{

temp[（*b）]='0';

（*b）++;

produce（（a->lc）,b）;

temp[（*b）]='1';

（*b）++;

produce（（a->rc）,b）;

}

（*b）--;

return1;

}

intExchange（structnode*a,structnode*b）

{

floatt;

t=a->pro;

a->pro=b->pro;

b->pro=t;

Exchangenum（&a->num,&b->num）;

Exchangepoint（&a->p,&b->p）;

Exchangepoint（&a->lc,&b->lc）;

Exchangepoint（&a->rc,&b->rc）;

return1;

}

intExchangepoint（structnode**a,structnode**b）

{

structnode*t;

t=*a;

*a=*b;

*b=t;

return1;

}

intExchangenum（int*a,int*b）

{

intt;

t=*a;

*a=*b;

*b=t;

return1;

}

参考至《XX文库》

4、结果分析

本次实验是学习编程以来接触的最大程序，参考了较多相关源文件，对c语的函数引用有了更深刻的了解，初步掌握了二叉树的存储结构及其相关操作。