【数据结构】实验十:哈夫曼编码

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实验十 哈夫曼编码

一、实验目的与要求

1)掌握树、森林与二叉树的转换;

2)掌握哈夫曼树和哈夫曼编码算法的实现;

二、 实验内容

1. 请编程实现如图所示的树转化为二叉树。

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2. 编程实现一个哈夫曼编码系统,系统功能包括:

(1) 字符信息统计:读取待编码的源文件SourceFile.txt,统计出现的字符及其频率。

  附:SourceFile.txt文件内容为

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(2) 建立哈夫曼树:根据统计结果建立哈夫曼树。

(3) 建立哈夫曼码表:利用得到的哈夫曼树,将各字符对应的编码表保存在文件Code.txt中。

(4) 对源文件进行编码:根据哈夫曼码表,将SourceFile.txt中的字符转换成相应的编码文件ResultFile.txt。

实现提示:

(1) 字符信息统计:假设源文件SourceFile.txt中的字符只有大小写英文字母(同一个字母的大小写看作一个字符),则字符统计算法的实现过程可以归纳为:先定义一个含有26个元素的整形数组,用来存储各个字母出现的次数,最后还要排除其中出现次数为0的数组元素。

(2) 建立哈夫曼树:可参考教材算法。

(3) 建立哈夫曼码表:可参考教材算法。

(4) 对源文件进行编码:依次读入文件SourceFile.txt中的字符 c,在编码表 HC 中找到此字符,将字符c转换为编码表中存放的编码串,写入编码文件ResultFile.txt中,直到所有的字符处理完毕为止。

三、实验结果

1)请将调试通过的运行结果截图粘贴在下面,并说明测试用例和运行过程。

2)请将源代码cpp文件压缩上传。


题目1:

测试用例及运行结果:

测试用例输入的树为:

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树通过孩子兄弟表示法转化的二叉树为:

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测试用例实验结果为:

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根据最后三行输出(即二叉树的先序遍历和中序遍历,以及树的层序遍历)可知,输入的树可以转化为二叉树,且存储效果均良好。

运行过程:

首先通过主函数调用的函数顺序可知,运行过程为初始化树->通过输入创建树->preorder输出树->midorder输出树->floororder输出树->销毁树。

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初始化树时,不需要做额外操作。

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通过输入创建树时,主要使用队列实现。首先初始化每个结点的左孩子和右兄弟均为空,然后把当前结点加入队列。如果当前结点为根结点,则树从当前结点开始。否则,获取队列的队首结点,依次存储其左孩子和右兄弟。

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preorder输出树时,通过if条件判断当前结点是否为空,然后采用根结点——左孩子——右兄弟的方法递归输出。

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midorder输出树时,通过if条件判断当前结点是否为空,然后采用左孩子——根结点——右兄弟的方法递归输出。

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floororder输出树时,主要通过队列输出。通过if条件判断当前结点是否为空,输出当前根结点的值,然后进行根结点排队。当队列非空时,先输出根结点e的左孩子p,再输出p的右兄弟,此时容易知道p和p的右兄弟在同一层。

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销毁树时,通过if条件判断当前结点是否为空,然后采用左孩子——右兄弟——根结点的方法递归销毁,并依次将结点置为空。

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实验代码:文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-614190.html

//孩子兄弟表示法存储 
#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <malloc.h>
using namespace std;
typedef int ElemType;

typedef struct CSNode{
	ElemType data;
	struct CSNode *firstchild,*rightsib;
}CSNode,*CSTree;

#define OK 1
#define ERROR 0
#define TRUE 1
#define FALSE 0

typedef struct QNode{
	CSTree data;
	struct QNode *next; 
}QNode;

typedef struct LinkQueue{
	QNode *front,*rear;
}LinkQueue;

//构造空队列 
void InitQueue_Sq(LinkQueue &Q){
	Q.front = Q.rear = NULL;
}

//判断是否为空 
int QueueEmpty(const LinkQueue &Q){
	return (Q.rear == NULL && Q.front == NULL); 
}

//插入元素进队尾
void EnQueue_Sq(LinkQueue &Q,CSTree &e){
	QNode *p=(QNode*)malloc(sizeof(QNode));
	if(!p){
		exit(0);
	}
	p->data =e;
	p->next =NULL;
	if (QueueEmpty(Q)){
		Q.front =Q.rear =p;
	}
	else{
		Q.rear->next =p;
		Q.rear=p;
	}
} 


//删除元素从队头
CSTree DeQueue_Sq(LinkQueue &Q,CSTree &s){
	if(QueueEmpty(Q)){
		return ERROR;
	}
	QNode *p=Q.front ;
	s=p->data;//队头存的数据 
	if(Q.front==Q.rear){
		Q.front=Q.rear=NULL;
	}
	else{
		Q.front =p->next;
	}
	free(p);
	return s;
} 

//取队头元素
void GetHead_Sq(LinkQueue Q,CSTree &p){
	if(QueueEmpty(Q)){
		exit(0);
	}
	p=Q.front->data ;
} 

//初始化树
void InitTree_CST(CSTree &T){
	
} 

//构造树 
void CreateTree_CST(CSTree &T){
	T=NULL;
	LinkQueue Q;
	InitQueue_Sq(Q);
	ElemType parent,child;
	CSTree p,q,r=new CSNode;
	for(cin>>parent>>child;child!=0;cin>>parent>>child){
		p=(CSTree)malloc(sizeof(CSNode));
		p->data=child;
		p->firstchild =p->rightsib =NULL;
		EnQueue_Sq(Q,p);//append p to Q
		if(parent==-1){
			T=p;//root node
		}
		else{
			GetHead_Sq(Q,q);
			while(q->data != parent){
				DeQueue_Sq(Q,q);
				GetHead_Sq(Q,q);
			}
			if(!(q->firstchild )){
				q->firstchild =p;
				r=p;
			}
			else{
				r->rightsib =p;
				r=p;
			}
		}
	} 
}

//pre-order output
void PreOrderTraverse_CST(CSTree &T){
	if(T){
		cout<<T->data<<" ";
		PreOrderTraverse_CST(T->firstchild );
		PreOrderTraverse_CST(T->rightsib );
	}
}

//mid-order output
void MidOrderTraverse_CST(CSTree &T){
	if(T){
		MidOrderTraverse_CST(T->firstchild );
		cout<<T->data<<" ";
		MidOrderTraverse_CST(T->rightsib );
	}
}

//layer-order output
void FloorTraverse_CST(CSTree &T){
	LinkQueue Q;
	InitQueue_Sq(Q);
	if(T){
		cout<<T->data <<" ";
		EnQueue_Sq(Q,T);//根结点排队
		while(!QueueEmpty(Q)){
			CSTree e,p;
			e=(CSTree)malloc(sizeof(CSNode));
			p=(CSTree)malloc(sizeof(CSNode));
			DeQueue_Sq(Q,e);
			p=e->firstchild ;
			while(p){
				cout<<p->data<<" ";
				EnQueue_Sq(Q,p);
				p=p->rightsib ;
			}
		} 
	}
}

//销毁CST
void DestroyTree_CST(CSTree &T){
	if(T){
		DestroyTree_CST(T->firstchild );
		DestroyTree_CST(T->rightsib );
		free(T);
		T=NULL;
	}
} 

//主函数 
int main(){
	CSTree T;
	InitTree_CST(T);
	cout<<"Input tree:"<<endl;
	CreateTree_CST(T);
	cout<<endl<<"Preordered sequence: ";
	PreOrderTraverse_CST(T);
	cout<<endl<<"Midordered sequence: ";
	MidOrderTraverse_CST(T);
	cout<<"Floorordered sequence: ";
	FloorTraverse_CST(T);
	cout<<endl;
	DestroyTree_CST(T);
	return 0;
}

题目2

测试用例及运行结果:

测试用例1:AAABBC

运行结果截图:

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 SourceFile.txt内容:

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 Code.txt内容:

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ResultFile.txt内容:

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测试用例2:U ARE THE BEST IN MY HEART

运行结果截图:

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SourceFile.txt内容:

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Code.txt内容:

 【数据结构】实验十:哈夫曼编码,数据结构,数据结构,算法

 ResultFile.txt内容:

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运行过程:

读取SourceFile.txt文件->统计各个字符出现的频数->基于频数构建Huffman树->基于Huffman树建立Huffman表,即Code.txt文件->基于Huffman表对SourceFile.txt文件进行编码,结果为ResultFile.txt文件。

主要通过终端提示的字母信息进行相应操作。

实验代码:

#include<stdio.h>
#include <malloc.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#define    TRUE    1
#define    FALSE    0
#define    OK        1
#define    ERROR    0
#define    INFEASIBLE    -1
#define    OVERFLOW    -2
typedef int Status;

typedef struct HTNode
{
	char  leaf;
	unsigned int weight;
	unsigned int parent, lchild, rchild;
}HTNode, *HuffmanTree;

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

typedef struct Node
{
	char leaf;
	unsigned  int weight;
	struct Node * next;
}LeafNode, *LeafLink;

typedef struct
{
	LeafLink  head;
	unsigned  len;
}LeafLinkList;

int min1(HuffmanTree t, int i)
{ /* 函数void select()调用 */
	int j, flag;
	unsigned int k = UINT_MAX; /* 取k为不小于可能的值 */
	for (j = 1; j <= i; j++)
		if (t[j].weight<k&&t[j].parent == 0)
			k = t[j].weight, flag = j;
	t[flag].parent = 1;
	return flag;
}

void select(HuffmanTree t, int i, int *s1, int *s2)
{ /* s1为最小的两个值中序号小的那个 */
	int j;
	*s1 = min1(t, i);
	*s2 = min1(t, i);
	if (*s1>*s2)
	{
		j = *s1;
		*s1 = *s2;
		*s2 = j;
	}
}

void HuffmanCoding(HuffmanTree &HT, HuffmanCode &HC, LeafLinkList L)
{ /* w存放n个字符的权值(权值均需大于0),构造哈夫曼树HT,并求出n个字符的哈夫曼编码HC*/
	int m, i, s1, s2, start;
	int n = L.len;
	unsigned c, f;
	LeafLink ptr;
	HuffmanTree p;
	char *cd;
	if (n <= 1)
		return;
	m = 2 * n - 1;
	printf("表长为%d\t哈夫曼树含节点数为%d\n", n, m);
	HT = (HuffmanTree)malloc((m + 1)*sizeof(HTNode)); /* 0号单元未用 */
	ptr = L.head->next;
	for (p = HT + 1, i = 1; i <= n; ++i, ++p, ptr = ptr->next)
	{
		(*p).leaf = ptr->leaf;
		printf("%d\t", (*p).leaf);
		(*p).weight = ptr->weight;
		printf("%d\n", (*p).weight);
		(*p).parent = 0;
		(*p).lchild = 0;
		(*p).rchild = 0;
	}
	for (; i <= m; ++i, ++p)
	{
		(*p).parent = 0;
		(*p).leaf = 0;
	}
	for (i = n + 1; i <= m; ++i) /* 建哈夫曼树 */
	{ /* 在HT[1~i-1]中选择parent为0且weight最小的两个结点,其序号分别为s1和s2 */
		select(HT, i - 1, &s1, &s2);
		HT[s1].parent = HT[s2].parent = i;
		HT[i].lchild = s1;
		HT[i].rchild = s2;
		HT[i].weight = HT[s1].weight + HT[s2].weight;
	}
	/* 从叶子到根逆向求每个字符的哈夫曼编码 */
	HC = (HuffmanCode)malloc((n + 1)*sizeof(char*));
	/* 分配n个字符编码的头指针向量([0]不用) */
	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 (i = 1; i <= n; i++)
	{ /* 逐个字符求哈夫曼编码 */
		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 */
	for (i = 1; i <= n; i++)
	{
		printf("%c编码为%s:\n", HT[i].leaf, HC[i]);
	}
}

void InitLeafList(LeafLinkList &L)
{
	L.head = (LeafLink)malloc(sizeof(LeafLink));
	L.head->next = NULL;
	L.len = 0;
}

void PrintList(LeafLinkList  L)
{
	LeafLink  p;
	p = L.head->next;
	printf("打印链表\n");
	printf("表长为%d\n", L.len);
	while (p != NULL)
	{
		printf("%c or %d,%u\t", p->leaf, p->leaf, p->weight);
		printf("打印一个节点\n");
		p = p->next;
	}
	printf("打印结束\n");
	printf("\n");
}

void EnLeafList(LeafLinkList &L, char ch)
{
	LeafLink  p, pre, temp;
	int flag = 0;
	pre = p = L.head;
	printf("%d即为%c******\n\n", ch, ch);
	if (p->next == NULL)    //p->next=NULL则为第一次插入操作
	{
		printf("第一次插入\n");
		temp = (LeafLink)malloc(sizeof(LeafNode));
		temp->leaf = ch;
		temp->weight = 1;
		temp->next = NULL;
		p->next = temp;
		L.len++;
	}
	else
	{
		p = p->next;
		while (p != NULL)
		{
			if (ch == p->leaf)
			{
				p->weight++;
				printf("加权\n");
				p = NULL;
				flag = 1;
			}                                 //权重加一
			else if (ch<p->leaf)               //插入
			{
				printf("插入A\n");
				temp = (LeafLink)malloc(sizeof(LeafNode));
				temp->leaf = ch;
				temp->weight = 1;
				temp->next = p;
				pre->next = temp;
				L.len++;
				flag = 1;
				p = NULL;
			}
			else                          //继续寻找插入点
			{
				pre = p;
				p = p->next;
			}
		}

		if (p == NULL&&flag != 1)  //若p=NULL则插到链尾
		{
			printf("插入B\n");
			temp = (LeafLink)malloc(sizeof(LeafNode));
			temp->leaf = ch;
			temp->weight = 1;
			temp->next = NULL;
			pre->next = temp;
			L.len++;
		}
	}

}

void  EnCoding()
{
	FILE  *fp, *fr, *fc;
	HuffmanTree HT;
	HuffmanCode HC;
	int i, n;
	LeafLinkList   L;
	InitLeafList(L);
	char filename[15];
	char ch;
	printf("请输入文件名:\n ");
	scanf("%s", filename);
	if (!(fp = fopen(filename, "r")))
	{
		printf("打开文件失败,请输入正确的文件名!! ");
		exit(0);
	}
	ch = getchar();             //接收执行scanf语句时最后输入的回车符
	printf("文件已经打开\n");
	while (!feof(fp))
	{

		ch = fgetc(fp);
		if (ch == -1)
		{
			printf("结束统计\n");
		}
		else
		{
			EnLeafList(L, ch);
		}
	}
	PrintList(L);
	HuffmanCoding(HT, HC, L);
	n = L.len;
	for (i = 1; i <= n; i++)
	{
		puts(HC[i]);
	}
	char TreeName[15];
	printf("把哈夫曼树存入文件,请输入文件名:\n ");
	scanf("%s", TreeName);
	if (!(fr = fopen(TreeName, "wb")))
	{
		printf("打开文件失败,请输入正确的文件名!! ");
		exit(0);
	}
	ch = getchar();     //接收执行scanf语句时最后输入的回车符
	printf("文件已经打开\n");
	//把哈夫曼树存入文件
	printf("%d\n", n);
	printf("把树的长度先存入\n");
	_putw(n, fr);      //把树的长度先存入
	for (i = 1; i <= 2 * n - 1; i++)
		if (fwrite(&HT[i], sizeof(struct HTNode), 1, fr) != 1)
			printf("文件写入出错\n");
	fclose(fr);

	printf("打印原来的树\n");
	for (i = 1; i <= 2 * n - 1; i++)
		printf("%c %u  %u  %u %u\n", HT[i].leaf, HT[i].weight, HT[i].parent, HT[i].lchild, HT[i].rchild);
	fclose(fr);

	printf("把编码结果存入文件,请输入文件名:\n ");
	char CodeFileName[15];
	scanf("%s", CodeFileName);
	if (!(fc = fopen(CodeFileName, "wb")))
	{
		printf("打开文件失败,请输入正确的文件名!! ");
		exit(0);
	}
	ch = getchar();        //接收执行scanf语句时最后输入的回车符

	printf("待编码的文件位置指针重新指向开始位置\n");
	printf("对待编码文件进行编码,编码同步显示,并将结果存入指定的文件\n");
	rewind(fp);
	while (!feof(fp))
	{

		ch = fgetc(fp);
		printf("%c\n", ch);
		if (ch == -1)
		{
			printf("结束编码\n");
		}
		else
		{
			for (int tap = 0, i = 1; tap == 0 && i <= n;)        //查找,该叶子对应的编码串
			{
				if (ch == HT[i].leaf)                   //找到,打印出对应的编码,并存入文件
				{
					printf("%s\n", HC[i]);
					fputs(HC[i], fc);                   //将编码字符串存入文件

					tap = 1;
				}
				else
				{
					i++;
				}
			}
		}
	}
	fclose(fp);    //关闭文件
	fclose(fc);    //关闭文件
}

int decode(FILE *fc, HuffmanTree HT, int n)
{
	while (!feof(fc))
	{
		char ch = fgetc(fc);
		if (ch == '0')
		{
			n = HT[n].lchild;
			if (HT[n].leaf != 0)
			{
				printf("%c", HT[n].leaf);
				return OK;
			}
			else
			{
				decode(fc, HT, n);
				return OK;
			}
		}
		else if (ch == '1')
		{
			n = HT[n].rchild;
			if (HT[n].leaf != 0)
			{
				printf("%c", HT[n].leaf);
				return OK;
			}
			else
			{
				decode(fc, HT, n);
				return OK;
			}
		}
		else return OK;
	}
	return ERROR;
}

//解码文件
void Decoding()                             
{
	FILE *fc, *fr;
	char CodeFileName[15], ch, TreeName[15];
	int i;
	printf("解码文件,请输入文件名(如*.dat):\n ");
	scanf("%s", CodeFileName);
	if (!(fc = fopen(CodeFileName, "r")))
	{
		printf("打开文件失败,请输入正确的文件名!! ");
		exit(0);
	}
	ch = getchar();     //接收执行scanf语句时最后输入的回车符
	printf("存放编码结果文件已经打开\n");

	//读入哈夫曼树
	HuffmanTree HT;
	printf("取出对应的哈夫曼树文件,请输入文件名,\n");
	scanf("%s", TreeName);
	if (!(fr = fopen(TreeName, "rb")))         //打开存放哈夫曼树的文件
	{
		printf("打开文件失败,请输入正确的文件名!! ");
		exit(0);
	}
	int  n = _getw(fr);                  //将叶子数目取出
	printf("叶子数目%d\n", n);
	HT = (HuffmanTree)malloc((2 * n)*sizeof(HTNode));           /* 然后分配空间,0号单元未用 */

	for (i = 1; i <= 2 * n - 1; i++)
		if (fread(&HT[i], sizeof(struct HTNode), 1, fr) != 1)
			printf("文件读出出错\n");
	int length = 2 * n - 1;     //总长度
	printf("总结点数目为:%d\n", n);
	printf("该文件译码后得到的源文件为:\n");
	printf("**************************************\n");
	while (!feof(fc))
	{
		decode(fc, HT, length);
	}
	printf("**************************************\n");
	printf("\n\n");
}

int PreOrderPrint(HuffmanTree HT, int n, int count)
{
	if (HT[n].lchild)
	{
		for (int i = 0; i<count; i++)
			printf("   ");
		printf("%u\n", HT[n].weight);
		if (PreOrderPrint(HT, HT[n].lchild, ++count))
			if (PreOrderPrint(HT, HT[n].rchild, ++count))
				return OK;
		return ERROR;
	}
	else return OK;
}

void PrintTree()
{
	//读入哈夫曼树
	FILE *fr;
	char TreeName[15];
	HuffmanTree HT;
	printf("取出对应的哈夫曼树文件(如*.dat),请输入文件名,\n");
	scanf("%s", TreeName);
	if (!(fr = fopen(TreeName, "rb")))         //打开存放哈夫曼树的文件
	{
		printf("打开文件失败,请输入正确的文件名!! ");
		exit(0);
	}
	int  n = _getw(fr);                  //将叶子数目取出
	printf("含叶子数%d\n", n);
	HT = (HuffmanTree)malloc((2 * n)*sizeof(HTNode));           /* 然后分配空间,0号单元未用 */
	for (int i = 1; i <= 2 * n - 1; i++)
		if (fread(&HT[i], sizeof(struct HTNode), 1, fr) != 1)
			printf("文件读出出错\n");
	int	count = 0;
	n = 2 * n - 1;
	printf("总结点数目为;%d\n", n);
	printf("哈夫曼树的存储形式为:\n");
	for (int i = 1; i <= n; i++)
	{
		printf("%c,%u,%u,%u,%u\n", HT[i].leaf, HT[i].weight, HT[i].parent, HT[i].lchild, HT[i].rchild);
	}
	printf("哈夫曼树的凹入表形式为:\n");
	PreOrderPrint(HT, n, count);
}

void PrintCodeFile()
{
	FILE *fc;
	printf("打印编码后的文件,请输入文件名(如*.dat):\n ");
	char CodeFileName[15];
	scanf("%s", CodeFileName);
	if (!(fc = fopen(CodeFileName, "r")))
	{
		printf("打开文件失败,请输入正确的文件名!! ");
		exit(0);
	}
	char ch = getchar();     //接收执行scanf语句时最后输入的回车符
	printf("打印编码后的文件,打印方法一\n");
	int flag = 1;
	while (!feof(fc))
	{
		ch = fgetc(fc);
		if (ch == -1)
		{
			printf("结束打印\n");
		}
		else
		{
			printf("%c", ch);
			if (flag <= 49)
				flag++;
			else
			{
				flag = 1;
				printf("\n");
			}
		}
	}
	printf("打印编码后的文件,打印方法二\n");
	rewind(fc);
	char str[50];
	while (!feof(fc))
	{
		fgets(str, 51, fc);
		puts(str);
	}
	fclose(fc);        //关闭文件
}

//系统初始化
void Initialization()                    
{
	printf("**************************************\n");
	printf("*编码文件请输入e\n*译码文件请输入d\n*打印编码后的文件请输入p\n*打印哈夫曼树请输入t\n*结束请输入q \n");
	printf("**************************************\n");
	printf("\n\n\t\t字符:\n\n\n");
	printf("**************************************\n");
	printf("* 输入一个字符:e,d,p,t or q *\n");
	printf("**************************************\n");
}

int read(char cmd)
{
	int i, flag = 0;
	char choice[10] = { 'e', 'E', 'd', 'D', 'p', 'P', 'T', 't', 'Q', 'q' };
	for (i = 0; i<10; i++){
		if (cmd == choice[i])  flag++;
	}
	if (flag == 1)     return FALSE;
	else return TRUE;
}

// 读入操作命令符
void ReadCommand(char &cmd)                   
{
	do{
		cmd = getchar();
	} while (read(cmd));
}

//解释执行操作命令
void Interpret(char cmd)                    
{
	switch (cmd)
	{
	case 'e':
	case'E':
		EnCoding();
		Initialization();
		break;
	case 'd':
	case'D':
		Decoding();
		Initialization();
		break;
	case 'p':
	case'P':
		PrintCodeFile();
		Initialization();
		break;
	case't':
	case'T':
		PrintTree();            
		Initialization();
		break;
	case 'q':
	case'Q':
		exit(0);
		break;
	default:
		printf("Error\n");
		break;
	}
}

//主程序
int main()         
{
	char cmd;
	Initialization();   //初始化
	do{
		ReadCommand(cmd);     //读入一个操作命令符
		Interpret(cmd);       //解释执行操作命令符
	}while(cmd != 'q'&&cmd != 'Q');
	EnCoding();
	Decoding();
	return 0; 
}

到了这里,关于【数据结构】实验十:哈夫曼编码的文章就介绍完了。如果您还想了解更多内容,请在右上角搜索TOY模板网以前的文章或继续浏览下面的相关文章,希望大家以后多多支持TOY模板网!

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