哈夫曼编码(Huffman Coding)，又称霍夫曼编码，是一种编码方式，哈夫曼编码是可变字长编码(VLC)的一种。Huffman于1952年提出一种编码方法，该方法完全依据字符出现概率来构造异字头的平均长度最短的码字，有时称之为最佳编码，一般就叫做Huffman编码（有时也称为霍夫曼编码）。
相关概念
- 路径：在一棵树中，一个结点到另一个结点之间的通道，称为路径。上图中，从根结点到a之间的通路就是一条路径。
- 路径长度：在一条路径上，每经过一个结点，路径的长度就要加1。在一棵树中，规定根结点所在层数为1层，那么根结点到第i层结点的路径长度为i-1。
- 结点的权：给每一个结点赋予一个新的数值，称为结点的权。例如上图中a结点的权为7。
- 结点的带权路径长度：指的是从根结点到每一个结点的路径长度和该结点权值的乘积。上图中c结点的带权路径长度为2*3=6。
-
树的带权路径长度为树中所有叶子结点的带权路径长度之和。记做WPL。下图中这棵树的带权路径长度为：
哈夫曼树
WPL = 7 * 1 + 5 * 2 + 2 * 3 + 4 * 3 = 30
什么是哈夫曼树
当用n个结点(都做叶子结点并且各有各自的权值)试图构建一棵树时，如果构建的这棵树的带权路径长度最小，称这棵树为最优二叉树，有时也称为赫夫曼树或者哈夫曼树。
构建哈夫曼树
对于给定的有各自权值的n个结点，构建哈夫曼树的方法如下：
在n个权值中选出两个最小的值，对应的两个结点组成一个新的二叉树，则新二叉树的根结点的权值为左右两孩子权值之和。
在原有的n个结点中删除权值最小的两个结点，将新的权值加入到n-2个结点中去
重复步骤1，2，直到所有所有的结点组成一棵二叉树为止。
定义结点结构
const int MaxValue = 10000;//初始设定的权值最大值
const int MaxBit = 4;//初始设定的最大编码位数
const int MaxN = 10;//初始设定的最大结点个数
typedef struct HaffNode{
int weight;
int flag;
int parent;
int leftChild;
int rightChild;
}HaffNode;
typedef struct Code//存放哈夫曼编码的数据元素结构
{
int bit[MaxBit];//数组
int start; //编码的起始下标
int weight;//字符的权值
}Code;
构建哈夫曼树
//1.
//根据权重值,构建哈夫曼树;
//{2,4,5,7}
//n = 4;
void Haffman(int weight[],int n,HaffNode *haffTree){
int j,m1,m2,x1,x2;
//1.哈夫曼树初始化
//n个叶子结点. 2n-1
for(int i = 0; i < 2*n-1;i++){
if(i<n)
haffTree[i].weight = weight[i];
else
haffTree[i].weight = 0;
haffTree[i].parent = 0;
haffTree[i].flag = 0;
haffTree[i].leftChild = -1;
haffTree[i].rightChild = -1;
}
//2.构造哈夫曼树haffTree的n-1个非叶结点
for (int i = 0; i< n - 1; i++){
m1 = m2 = MaxValue;
x1 = x2 = 0;
//2,4,5,7
for (j = 0; j< n + i; j++)//循环找出所有权重中，最小的二个值--morgan
{
if (haffTree[j].weight < m1 && haffTree[j].flag == 0)
{
m2 = m1;
x2 = x1;
m1 = haffTree[j].weight;
x1 = j;
} else if(haffTree[j].weight<m2 && haffTree[j].flag == 0)
{
m2 = haffTree[j].weight;
x2 = j;
}
}
//3.将找出的两棵权值最小的子树合并为一棵子树
haffTree[x1].parent = n + i;
haffTree[x2].parent = n + i;
//将2个结点的flag 标记为1,表示已经加入到哈夫曼树中
haffTree[x1].flag = 1;
haffTree[x2].flag = 1;
//修改n+i结点的权值
haffTree[n + i].weight = haffTree[x1].weight + haffTree[x2].weight;
//修改n+i的左右孩子的值
haffTree[n + i].leftChild = x1;
haffTree[n + i].rightChild = x2;
}
}
哈夫曼编码
/*
9.2 哈夫曼编码
由n个结点的哈夫曼树haffTree构造哈夫曼编码haffCode
//{2,4,5,7}
*/
void HaffmanCode(HaffNode haffTree[], int n, Code haffCode[])
{
//1.创建一个结点cd
Code *cd = (Code * )malloc(sizeof(Code));
int child, parent;
//2.求n个叶结点的哈夫曼编码
for (int i = 0; i<n; i++)
{
//从0开始计数
cd->start = 0;
//取得编码对应权值的字符
cd->weight = haffTree[i].weight;
//当叶子结点i 为孩子结点.
child = i;
//找到child 的双亲结点;
parent = haffTree[child].parent;
//由叶结点向上直到根结点
while (parent != 0)
{
if (haffTree[parent].leftChild == child)
cd->bit[cd->start] = 0;//左孩子结点编码0
else
cd->bit[cd->start] = 1;//右孩子结点编码1
//编码自增
cd->start++;
//当前双亲结点成为孩子结点
child = parent;
//找到双亲结点
parent = haffTree[child].parent;
}
int temp = 0;
for (int j = cd->start - 1; j >= 0; j--){
temp = cd->start-j-1;
haffCode[i].bit[temp] = cd->bit[j];
}
//把cd中的数据赋值到haffCode[i]中.
//保存好haffCode 的起始位以及权值;
haffCode[i].start = cd->start;
//保存编码对应的权值
haffCode[i].weight = cd->weight;
}
}
验证：
int main(int argc, const char * argv[]) {
// insert code here...
printf("Hello, 哈夫曼编码!\n");
int i, j, n = 4, m = 0;
//权值
int weight[] = {2,4,5,7};
//初始化哈夫曼树, 哈夫曼编码
HaffNode *myHaffTree = malloc(sizeof(HaffNode)*2*n-1);
Code *myHaffCode = malloc(sizeof(Code)*n);
//当前n > MaxN,表示超界. 无法处理.
if (n>MaxN)
{
printf("定义的n越界，修改MaxN!");
exit(0);
}
//1. 构建哈夫曼树
Haffman(weight, n, myHaffTree);
//2.根据哈夫曼树得到哈夫曼编码
HaffmanCode(myHaffTree, n, myHaffCode);
//3.
for (i = 0; i<n; i++)
{
printf("Weight = %d\n",myHaffCode[i].weight);
for (j = 0; j<myHaffCode[i].start; j++)
printf("%d",myHaffCode[i].bit[j]);
m = m + myHaffCode[i].weight*myHaffCode[i].start;
printf("\n");
}
printf("Huffman's WPS is:%d\n",m);
return 0;
}
Hello, 哈夫曼编码!
Weight = 2
110
Weight = 4
111
Weight = 5
10
Weight = 7
0
Huffman's WPS is:35
Program ended with exit code: 0
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