算法筆記——貪心算法哈夫曼編碼問題

1、0023算法筆記【貪心算法】哈夫曼編碼問題   1、問題描述      哈夫曼編碼是廣泛地用于數(shù)據(jù)文件壓縮的十分有效的編碼方法。其壓縮率通常在20%90%之間。哈夫曼編碼算法用字符在文件中出現(xiàn)的頻率表來建立一個用0，1串表示各字符的最優(yōu)表示方式。一個包含100,000個字符的文件，各字符出現(xiàn)頻率不同，如下表所示。    有多種方式表示文件中的信息，若用0,1碼表示字符的方法，即每個字符用唯一的一個0,1串表示。若采用定長編碼表示，則需要3位表示一個字符，整個文件編碼需要300,000位；若采用變長編碼表示

2、，給頻率高的字符較短的編碼；頻率低的字符較長的編碼，達(dá)到整體編碼減少的目的，則整個文件編碼需要（45×1+13×3+12×3+16×3+9×4+5×4）×1000=224,000位，由此可見，變長碼比定長碼方案好，總碼長減小約25%。     前綴碼：對每一個字符規(guī)定一個0,1串作為其代碼，并要求任一字符的代碼都不是其他字符代碼的前綴。這種編碼稱為前綴碼。編碼的前綴性質(zhì)可以使譯碼方法非常簡單；例如001011101可以唯一的分解為0,0,101,1101，因而其譯碼為aabe。  &#

3、160;  譯碼過程需要方便的取出編碼的前綴，因此需要表示前綴碼的合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。為此，可以用二叉樹作為前綴碼的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：樹葉表示給定字符；從樹根到樹葉的路徑當(dāng)作該字符的前綴碼；代碼中每一位的0或1分別作為指示某節(jié)點到左兒子或右兒子的“路標(biāo)”。     從上圖可以看出，表示最優(yōu)前綴碼的二叉樹總是一棵完全二叉樹，即樹中任意節(jié)點都有2個兒子。圖a表示定長編碼方案不是最優(yōu)的，其編碼的二叉樹不是一棵完全二叉樹。在一般情況下，若C是編碼字符集，表示其最優(yōu)前綴碼的二叉樹中恰有|C|個葉子。每個葉子對應(yīng)于字符集中的一個字符，該二叉樹有|C|-1個內(nèi)部節(jié)點。 

4、    給定編碼字符集C及頻率分布f,即C中任一字符c以頻率f(c)在數(shù)據(jù)文件中出現(xiàn)。C的一個前綴碼編碼方案對應(yīng)于一棵二叉樹T。字符c在樹T中的深度記為dT(c)。dT(c)也是字符c的前綴碼長。則平均碼長定義為：使平均碼長達(dá)到最小的前綴碼編碼方案稱為C的最優(yōu)前綴碼。          2、構(gòu)造哈弗曼編碼     哈夫曼提出構(gòu)造最優(yōu)前綴碼的貪心算法，由此產(chǎn)生的編碼方案稱為哈夫曼編碼。其構(gòu)造步驟如下：     (1)哈夫曼算法以自底向上的方式構(gòu)造表

5、示最優(yōu)前綴碼的二叉樹T。     (2)算法以|C|個葉結(jié)點開始，執(zhí)行|C|1次的“合并”運算后產(chǎn)生最終所要求的樹T。     (3)假設(shè)編碼字符集中每一字符c的頻率是f(c)。以f為鍵值的優(yōu)先隊列Q用在貪心選擇時有效地確定算法當(dāng)前要合并的2棵具有最小頻率的樹。一旦2棵具有最小頻率的樹合并后，產(chǎn)生一棵新的樹，其頻率為合并的2棵樹的頻率之和，并將新樹插入優(yōu)先隊列Q。經(jīng)過n1次的合并后，優(yōu)先隊列中只剩下一棵樹，即所要求的樹T。      構(gòu)造過程如圖所示：     具體代碼實現(xiàn)如

6、下：     (1)4d4.cpp，程序主文件cpp view plain copy1. /4d4 貪心算法 哈夫曼算法  2. #include "stdafx.h"  3. #include "BinaryTree.h"  4. #include "MinHeap.h"  5. #include <iostream> &#

7、160; 6. using namespace std;   7.   8. const int N = 6;  9.   10. template<class Type> class Huffman;  11.   12. template<class Type>   13. BinaryTree<

8、;int> HuffmanTree(Type f,int n);  14.   15. template<class Type>   16. class Huffman  17.   18.     friend BinaryTree<int> HuffmanTree(Type,int);  19.   &#

9、160; public:  20.         operator Type() const   21.           22.             return weight;  

10、;23.           24.     /private:  25.         BinaryTree<int> tree;  26.         Type weight;  27. ;

11、0; 28.   29. int main()  30.   31.     char c = '0','a','b','c','d','e','f'  32.     int f = 0,45,13,12,16,9,5;/下標(biāo)從1開始 

12、 33.     BinaryTree<int> t = HuffmanTree(f,N);  34.   35.     cout<<"各字符出現(xiàn)的對應(yīng)頻率分別為："<<endl;  36.     for(int i=1; i<=N; i+)  37.  

13、;     38.         cout<<ci<<":"<<fi<<" "  39.       40.     cout<<endl;  41.   42.    

14、; cout<<"生成二叉樹的前序遍歷結(jié)果為："<<endl;  43.     t.Pre_Order();  44.     cout<<endl;  45.   46.     cout<<"生成二叉樹的中序遍歷結(jié)果為："<<endl;  47.  &#

15、160;  t.In_Order();  48.     cout<<endl;  49.   50.     t.DestroyTree();  51.     return 0;  52.   53.   54. template<class Type> 

16、60;55. BinaryTree<int> HuffmanTree(Type f,int n)  56.   57.     /生成單節(jié)點樹  58.     Huffman<Type> *w = new Huffman<Type>n+1;  59.     BinaryTree<in

17、t> z,zero;  60.   61.     for(int i=1; i<=n; i+)  62.       63.         z.MakeTree(i,zero,zero);  64.        

18、 wi.weight = fi;  65.         wi.tree = z;  66.       67.   68.     /建優(yōu)先隊列  69.     MinHeap<Huffman<Type>> Q

19、(n);  70.     for(int i=1; i<=n; i+) Q.Insert(wi);  71.   72.     /反復(fù)合并最小頻率樹  73.     Huffman<Type> x,y;  74.     for(int i=1; 

20、;i<n; i+)  75.       76.         x = Q.RemoveMin();  77.         y = Q.RemoveMin();  78.        &

21、#160;z.MakeTree(0,x.tree,y.tree);  79.         x.weight += y.weight;  80.         x.tree = z;  81.         Q.Insert(x);  

22、;82.       83.   84.     x = Q.RemoveMin();  85.   86.     delete w;  87.   88.     return x.tree;  89.      

23、 (2)BinaryTree.h 二叉樹實現(xiàn)cpp view plain copy1. #include<iostream>  2. using namespace std;  3.   4. template<class T>  5. struct BTNode  6.   7.     T data;  8.

24、    BTNode<T> *lChild,*rChild;  9.   10.     BTNode()  11.       12.         lChild=rChild=NULL;  13.       1

25、4.   15.     BTNode(const T &val,BTNode<T> *Childl=NULL,BTNode<T> *Childr=NULL)  16.       17.         data=val;  18.     &#

26、160;   lChild=Childl;  19.         rChild=Childr;  20.       21.   22.     BTNode<T>* CopyTree()  23.       24. &#

27、160;       BTNode<T> *nl,*nr,*nn;  25.   26.         if(&data=NULL)  27.         return NULL;  28.   29.  

28、0;      nl=lChild->CopyTree();  30.         nr=rChild->CopyTree();  31.   32.         nn=new BTNode<T>(data,nl,nr);  33.   

29、      return nn;  34.       35. ;  36.   37.   38. template<class T>  39. class BinaryTree  40.   41.     public:  42.

30、        BTNode<T> *root;  43.         BinaryTree();  44.         BinaryTree();  45.   46.       

31、60; void Pre_Order();  47.         void In_Order();  48.         void Post_Order();  49.   50.         int TreeHeig

32、ht()const;  51.         int TreeNodeCount()const;  52.   53.         void DestroyTree();  54.         void MakeTree(T pD

33、ata,BinaryTree<T> leftTree,BinaryTree<T> rightTree);  55.         void Change(BTNode<T> *r);  56.   57.     private:  58.       

34、0; void Destroy(BTNode<T> *&r);  59.         void PreOrder(BTNode<T> *r);  60.         void InOrder(BTNode<T> *r);  61.   &

35、#160;     void PostOrder(BTNode<T> *r);  62.   63.         int Height(const BTNode<T> *r)const;  64.         int NodeCount(

36、const BTNode<T> *r)const;  65. ;  66.   67. template<class T>  68. BinaryTree<T>:BinaryTree()  69.   70.     root=NULL;  71.   72.   73. template<class

37、60;T>  74. BinaryTree<T>:BinaryTree()  75.   76.       77.   78.   79. template<class T>  80. void BinaryTree<T>:Pre_Order()  81.   82.     

38、;PreOrder(root);  83.   84.   85. template<class T>  86. void BinaryTree<T>:In_Order()  87.   88.     InOrder(root);  89.   90.   91. template<class T> 

39、 92. void BinaryTree<T>:Post_Order()  93.   94.     PostOrder(root);  95.   96.   97. template<class T>  98. int BinaryTree<T>:TreeHeight()const  99.   100.  

40、;   return Height(root);  101.   102.   103. template<class T>  104. int BinaryTree<T>:TreeNodeCount()const  105.   106.     return NodeCount(root);  107.  &#

41、160;108.   109. template<class T>  110. void BinaryTree<T>:DestroyTree()  111.   112.     Destroy(root);  113.   114.   115. template<class T>  116. void BinaryTr

42、ee<T>:PreOrder(BTNode<T> *r)  117.   118.     if(r!=NULL)  119.       120.         cout<<r->data<<' '  121.    

43、;     PreOrder(r->lChild);  122.         PreOrder(r->rChild);  123.       124.   125.   126. template<class T>  127. void BinaryTree&

44、lt;T>:InOrder(BTNode<T> *r)  128.   129.     if(r!=NULL)  130.       131.         InOrder(r->lChild);  132.        

45、60;cout<<r->data<<' '  133.         InOrder(r->rChild);  134.       135.   136.   137. template<class T>  138. void BinaryTree<T&g

46、t;:PostOrder(BTNode<T> *r)  139.   140.     if(r!=NULL)  141.       142.         PostOrder(r->lChild);  143.         

47、;PostOrder(r->rChild);  144.         cout<<r->data<<' '  145.       146.   147.   148. template<class T>  149. int BinaryTree<T>

48、;:NodeCount(const BTNode<T> *r)const  150.   151.     if(r=NULL)  152.         return 0;  153.     else  154.       

49、60; return 1+NodeCount(r->lChild)+NodeCount(r->rChild);  155.   156.   157. template<class T>  158. int BinaryTree<T>:Height(const BTNode<T> *r)const  159.   160.     

50、;if(r=NULL)  161.         return 0;  162.     else  163.       164.         int lh,rh;  165.     

51、60;   lh=Height(r->lChild);  166.         rh=Height(r->rChild);  167.         return 1+(lh>rh?lh:rh);  168.       169.   

52、170.   171. template<class T>  172. void BinaryTree<T>:Destroy(BTNode<T> *&r)  173.   174.     if(r!=NULL)  175.       176.       

53、60; Destroy(r->lChild);  177.         Destroy(r->rChild);  178.         delete r;  179.         r=NULL;  180.   &#

54、160;   181.   182.   183. template<class T>  184. void BinaryTree<T>:Change(BTNode<T> *r)/將二叉樹bt所有結(jié)點的左右子樹交換  185.   186.     BTNode<T> *p;  187.   

55、0; if(r)   188.         p=r->lChild;  189.         r->lChild=r->rChild;  190.         r->rChild=p; /左右子女交換  191.

56、        Change(r->lChild);  /交換左子樹上所有結(jié)點的左右子樹  192.         Change(r->rChild);  /交換右子樹上所有結(jié)點的左右子樹  193.       194.   195.   19

57、6. template<class T>  197. void BinaryTree<T>:MakeTree(T pData,BinaryTree<T> leftTree,BinaryTree<T> rightTree)  198.   199.     root = new BTNode<T>();  200.   

58、  root->data = pData;  201.     root->lChild = leftTree.root;  202.     root->rChild = rightTree.root;  203.        (3)MinHeap.h 最小堆實現(xiàn)cpp view plain

59、60;copy1. #include <iostream>  2. using namespace std;  3. template<class T>  4. class MinHeap  5.   6.     private:  7.         T *heap;&

60、#160;/元素數(shù)組，0號位置也儲存元素  8.         int CurrentSize; /目前元素個數(shù)  9.         int MaxSize; /可容納的最多元素個數(shù)  10.   11.         void&#

61、160;FilterDown(const int start,const int end); /自上往下調(diào)整，使關(guān)鍵字小的節(jié)點在上  12.         void FilterUp(int start); /自下往上調(diào)整  13.   14.     public:  15.    &

62、#160;    MinHeap(int n=1000);  16.         MinHeap();  17.         bool Insert(const T &x); /插入元素  18.   19.    

63、0;    T RemoveMin(); /刪除最小元素  20.         T GetMin(); /取最小元素  21.   22.         bool IsEmpty() const;  23.     

64、;    bool IsFull() const;  24.         void Clear();  25. ;  26.   27. template<class T>  28. MinHeap<T>:MinHeap(int n)  29.   30. &#

65、160;   MaxSize=n;  31.     heap=new TMaxSize;  32.     CurrentSize=0;  33.   34.   35. template<class T>  36. MinHeap<T>:MinHeap()  37.   38. &

66、#160;   delete heap;  39.   40.   41. template<class T>  42. void MinHeap<T>:FilterUp(int start) /自下往上調(diào)整  43.   44.     int j=start,i=(j-1)/2; /i指向j的雙親節(jié)點 

67、; 45.     T temp=heapj;  46.   47.     while(j>0)  48.       49.         if(heapi<=temp)  50.       

68、0;     break;  51.         else  52.           53.             heapj=heapi;  54.   &#

69、160;         j=i;  55.             i=(i-1)/2;  56.           57.       58.    &#

70、160;heapj=temp;  59.   60.   61. template<class T>  62. void MinHeap<T>:FilterDown(const int start,const int end) /自上往下調(diào)整，使關(guān)鍵字小的節(jié)點在上  63.   64.     int i=start,j=2*i+1;

71、  65.     T temp=heapi;  66.     while(j<=end)  67.       68.         if( (j<end) && (heapj>heapj+1) )  69.

72、            j+;  70.         if(temp<=heapj)  71.             break;  72.      

73、60;  else  73.           74.             heapi=heapj;  75.             i=j;  76.  

74、60;          j=2*j+1;  77.           78.       79.     heapi=temp;  80.   81.   82. template<class T>  83. bool MinHeap<T>:Insert(const T &x)  84.   85.     if(CurrentSize=MaxSize)  8