上篇博客学习了哈夫曼树,也自己动手建立了一棵哈树。接下來,我们将在原本的基础上更进一步。通过哈弗曼编码来实现对文件的压缩与解压缩。----------- 下面进入正题。
要实现的目标 :利用哈夫曼编码思想,设计对一个文本文件(.txt)中的字符进行哈夫曼编码,生成编码压缩文件,并且还可将一个压缩后的文件进行解码还原为原始文本文件(.txt)。
对问题的分析:本程序我们只针对纯文本文件(.txt)的压缩。为了使文件尽可能的缩短,可以对文件中每个字符出现的次数进行统计。设法让出现次数多的字符的二进制码短些,而让那些很少出现的字符的二进制码长一些。若对字符集进行不等长编码,则要求字符集中任一字符的编码都不是其它字符编码的前缀。为了确保哈夫曼编码的唯一性,我们可以对它的左右子树的大小给予比较限定,如:左子树的权值小于右子树的权值。哈夫曼树中的左右分支各代表‘0’和‘1’,则从根节点到叶子节点所经历的路径分支的‘0’和‘1’组成的字符串,为该节点对应字符的哈夫曼编码。
那么,我们解决问题(压缩)的步骤大致分为如下几步:
1.读取源文件内容,统计各个字符所出现的次数。PS:这里可以采用HashMap来进行存储,当然,你也可以采用其他的数据结构进行存储。
2.统计完成后,接下来就是我们熟悉的构建哈夫曼树啦(上篇博客有写)。我们根据字符所出现的次数的多少进行构建。 构建完成后,我们会发现,出行频率多的处于比较靠上的层次,频率低的则集中在下层。 这是为什么呢? 呵呵,继续往下看你或许就会明白了。
3.哈树生成后,我们就该为他编码了。在整个哈树中,每个叶子节点的key值都是源文件中出现的,而他的value值则为频次。那么,我们定哈夫曼树中的左右分支各代表‘0’和‘1’,则从根节点到叶子节点所经历的路径分支的‘0’和‘1’组成的字符串,为该节点对应字符的哈夫曼编码。
什么意思?我们还是看个图吧》》》》》
假设对这段文字进行编码:abbcccdddd a:1次 b:2次 c:3次 d:4次
编码后我们会发现,这些字符都能用其哈弗曼编码来进行替代了,如:
a:000
b: 001
c: 01
d: 1
你是不是发现,出现频次越多的字符,其编码的长度越短呀!!!! 每次,我们在还原的时候,就能尽可能的将出现频率多的字符用相对短的编码来表示,出现频次少的用较长的编码表示,这样的话,我们的编码的总长度就能控制的相对较少。
通过这一步的操作,我们将获取一份可贵的码表呀(解压时也将用到它)!
4.对照码表,将文件的内容,用哈弗曼编码替换,形成一个编码串。
如:abbcccdddd —> 0000010010101011111
5.将编码串按每8位一组,转换成一个byte值,写入byte数组。
在分组的过程中要注意:我们在截取字串的时候,如果遇到不足八位的情况,就在其前面补零,并用byte的最后一个元素表示其补零的个数。
6.将码表和byte数组写入文件,压缩就此完成!~!~
例外: 解压缩正好是压缩的逆过程...
下面附上我的代码:
ps:楼主代码仅供参考,我想表达的主要是自己解决这个问题的思路,代码也未经过多优化。且解决问题的方法多种多样,有好有坏,有效率高的也有效率低的。你有更好的方法,欢迎提出来,欢迎吐槽,大家一起学习,一起进步!
import java.io.File; import java.io.FileInputStream; import java.io.FileNotFoundException; import java.io.FileOutputStream; import java.io.IOException; import java.io.InputStreamReader; import java.io.ObjectInputStream; import java.io.ObjectOutputStream; import java.math.BigInteger; import java.util.ArrayList; import java.util.Comparator; import java.util.HashMap; import java.util.Iterator; import java.util.List; import java.util.Map; import java.util.PriorityQueue; import java.util.Random; /** * 哈弗曼压缩 * * @author 吴泽鑫 2013.5.14 * */ public class HuffmanCompress { // 保存从文件中读取的内容 private static StringBuffer str = new StringBuffer(); // 编码的字串 private static StringBuffer code_string; // 对编码字串进行八位一组解析后,所生成byte数组 private static byte[] code_bytes; /** * * @param path * 目标文件的路径 * @return 将文件中的内容读入到StringBuffer中,并返回 */ public StringBuffer readfile(String path) { File file = new File(path); int temp; char c; // 创建文件输入流 try { // 创建文件如数流 FileInputStream fin = new FileInputStream(file); // 封装InputStreamReader InputStreamReader iread = new InputStreamReader(fin); // 创建文件输出流 FileOutputStream fou = new FileOutputStream(new File( "src\\新建 Microsoft Word 文档2.doc")); // 利用循环读取文件里面的内容 将内容保存至str中 while ((temp = iread.read()) != -1) { str.append((char) temp); } } catch (FileNotFoundException e) { // TODO Auto-generated catch block e.printStackTrace(); } catch (IOException e) { // TODO Auto-generated catch block e.printStackTrace(); } return null; } public StringBuffer getStr() { return str; } public static void main(String[] args) { HuffmanCompress huffmancompress = new HuffmanCompress(); // 讀取文件內容,存入StringBuffered中 huffmancompress.readfile("src\\新建 文本文档.txt"); System.out.print(str + "长度:" + str.length()); // 新建一个HashMap String:统计的字符 Integer:出现的频次 Map<String, Integer> map = new HashMap<String, Integer>(); // 统计字符个数 map = huffmancompress.countchar(str, map); // 根据map,生成一课哈树 HuffmanNode root = huffmancompress.CreatHTree(map); // System.out.println("【map的大小】-> " + map.size()); // 创建一个码表 List<HuffmanNode> coad_list = new ArrayList<HuffmanNode>(); // 给哈树进行编码 coad_list = huffmancompress.SetCode(root, coad_list); // System.out.println("【coad_list的长度】-> " + coad_list.size()); // System.out.println("【叶子节点" + "个数】-> " + coad_list.size() // + "【数据内容如下:(key,count,coad)】"); for (int i = 0; i < coad_list.size(); i++) { // 小处理: 消除第一个根节点的0,这个0无用。 coad_list.get(i).setCode( coad_list.get(i).getCode() .substring(1, coad_list.get(i).getCode().length())); System.out.println(coad_list.get(i).getKey() + " " + coad_list.get(i).getValue() + " " + coad_list.get(i).getCode()); } // 将文件内容转换成编码字串 code_string = huffmancompress.ToCode(str, coad_list); // System.out.println("\n编码字串为:" + code_string); // 将编码字串按八位一组转换成byte,存入byte数组中区 code_bytes = HuffmanCompress.SaveToBytes(code_string, coad_list); // 压缩 HuffmanCompress.CompressFile("新建 文本文档2.txt", coad_list); // 解压缩 HuffmanCompress.UnZip("新建 文本文档2.txt", "src\\新建 文本文档3.txt"); // 打印所生成的哈树 // huffmancompress.printhuffman(root); } /** * 解压缩过程 * * @param path_source * 需要进行解压缩的文件的路径 * @param path_object * 转换后所形成的新的文件的路径 */ private static void UnZip(String path_source, String path_object) { try { // 创建文件输入流 ObjectInputStream ofin = new ObjectInputStream(new FileInputStream( path_source)); // 创建文件输出流 FileOutputStream ofout = new FileOutputStream(path_object); try { // 读取文件的码表——>需修改 本例测试 List<HuffmanNode> coad_list = new ArrayList<HuffmanNode>(); coad_list = (List<HuffmanNode>) ofin.readObject(); System.out.println("测试---获取码表的长度" + coad_list.size()); System.out.println("测试---获取码表的數字" + coad_list.get(0).getKey() + coad_list.get(0).getValue() + " " + coad_list.get(0).getCode()); // 读取压缩文件的内容 byte[] bytes = new byte[code_bytes.length]; ofin.read(bytes); System.out.println("测试---获取压缩文件内容的长度" + bytes.length); System.out.println("测试---获取压缩文件内容为:" + bytes[0]); System.out.println("测试---获取压缩文件内容为:" + bytes[1]); // System.out.println("测试---获取压缩文件内容为(补零个数):" + bytes[2]); // 将获取的压缩文件的内容转换成Sring编码二进制字串 賦予str StringBuffer str = new StringBuffer(); for (int i = 0; i < bytes.length; i++) { str.append(changetoString(bytes[i])); } System.out.println("还原字串编码为:" + str); // 根据码表,将二进制编码字串转换成对应的数据 changtoChar(str.toString(), ofout, coad_list); } catch (ClassNotFoundException e) { // TODO Auto-generated catch block e.printStackTrace(); } } catch (FileNotFoundException e) { // TODO Auto-generated catch block e.printStackTrace(); } catch (IOException e) { // TODO Auto-generated catch block e.printStackTrace(); } } /** * * @param str * @param ofout * @param coad_list */ private static void changtoChar(String str, FileOutputStream ofout, List<HuffmanNode> coad_list) { System.out.println("还原字串编码为:" + str); StringBuffer sb = new StringBuffer(); // 保存最后一个8位字串前面补零的个数 默认为0个 int count = 0; // 截取最后8为数据 最后八位数据表示补零的个数 String t = str.substring(str.length() - 8); count = changetobyte(t); System.out.println("源码:" + str + "最后8位:" + t + "\n补零个数为:" + changetobyte(t)); str = str.substring(0, str.length() - 8); System.out.println("取出最后8位后:" + str + "\n补零个数为:" + changetobyte(t)); // 根據count记录的补零个数,除去多余的0 String s1 = str.substring(0, str.length() - 8); String s2 = str.substring(str.length() - 8); s2 = s2.substring(count); System.out.print("最后一位" + s2); str = s1 + s2; System.out.print("最后" + str); for (int i = 0; i < str.length(); i++) { // 取出以为字串编码 char c = str.charAt(i); sb.append(c); String s = sb.toString(); int j; // 判断是否能在码表中找到对应的 for (j = 0; j < coad_list.size(); j++) { if (s.equals(coad_list.get(j).getCode())) { System.out.print(coad_list.get(j).getKey()); try { ofout.write(coad_list.get(j).getKey().getBytes()); } catch (IOException e) { // TODO Auto-generated catch block e.printStackTrace(); } sb.setLength(0); break; } } } } private static String changetoString(byte b) { int m = b; if (m < 0) { m *= -1; } // 用于保存转换后形成的二进制 String s = ""; // 用于不足8位是补0 StringBuffer s2 = new StringBuffer(); // 用于补符号位 0 (正数)或 1(负数) StringBuffer s3 = new StringBuffer(); // 补零位数 byte lack = 0; while (m > 0) { s = m % 2 + s; m = m / 2; } if (s.length() < 8) { lack = (byte) (8 - s.length()); for (int i = lack; i > 0; i--) { s2.append('0'); } } if (b < 0) { s2.setCharAt(0, '1'); } s = s2.append(s).toString(); // s += s2; System.out.println(b + " 二进制 " + s + "长度" + s.length()); return s; } /** * 文件压缩方法 * @param path 所产生的压缩文件的路径 * @param coad_list 码表 */ private static void CompressFile(String path, List<HuffmanNode> coad_list) { try { // 創建一個ObjectOutputStream對象輸出流 ObjectOutputStream ofout = new ObjectOutputStream( new FileOutputStream(path)); // 将码表写入文件 ofout.writeObject(coad_list); // 将压缩后的内容写入文件 ofout.write(code_bytes); // 强制写入 ofout.flush(); // 关闭流 ofout.close(); } catch (FileNotFoundException e) { // TODO Auto-generated catch block e.printStackTrace(); } catch (IOException e) { // TODO Auto-generated catch block e.printStackTrace(); } } /** * 将编码字串按八位一组转换成byte,存入byte数组中区 * * @param code_string * 字符编码串 * @param coad_list * 码表 * @return */ private static byte[] SaveToBytes(StringBuffer code_string, List<HuffmanNode> coad_list) { // 获取编码字串的长度 int length = code_string.length(); // 用于保存下表 int index = 0; // 统计补零的个数 默認為0個 byte lack = 0; String code = code_string.toString(); // 判断其长度是否为8(位)的倍数,确定byte数组的长度 if (length % 8 == 0) { code_bytes = new byte[length / 8 + 1]; } else { code_bytes = new byte[(length / 8) + 2]; } // System.out.println("code的长度" + code.length()); while (code.length() > 1) { if (code.length() >= 8) {// 当长度大于等于8时 // 直接截取 8位 装换成byte 存入code_byte数组中去 code_bytes[index] = changetobyte(code.substring(0, 8)); index++; // 将所取出来的8为字串,从字串中出去掉 code = code.substring(8); } else { // 当长度不足8位時 我们需要进行补零,补齐8位 // 算出需要补零的个数 lack = (byte) (8 - code.length()); StringBuffer tempstring = new StringBuffer(); // 开始补零 for (int i = lack; i > 0; i--) { tempstring.append('0'); } // 将补足8位的串补足(前面补零) code = tempstring.append(code).toString(); } } // 将补零的个数也加入到code_bytes数组中 , 为将来解压缩时提供依据 code_bytes[index] = lack; // 返回所生成的byte数组 return code_bytes; } /** * 将二进制字串转换成对应的byte(8位) * * @param s * 带转换成byte的字串 */ private static byte changetobyte(String s) { System.out.println("组装Byte:" + s); // // // /////////////// byte a = (byte) (((byte) s.charAt(1) - 48) * 64 + ((byte) s.charAt(2) - 48) * 32 + ((byte) s.charAt(3) - 48) * 16 + ((byte) s.charAt(4) - 48) * 8 + ((byte) s.charAt(5) - 48) * 4 + ((byte) s.charAt(6) - 48) * 2 + ((byte) s .charAt(7) - 48)); if ((s.charAt(0) - 48) == 1) { a *= -1; } return a; } /** * 将文件内容根据码表转换成编码(0,1)字串 * @param str 文件内容 * @param coad_list 码表 * @return 编码字串 */ private StringBuffer ToCode(StringBuffer str, List<HuffmanNode> coad_list) { // 创建一个缓冲字符串 StringBuffer str2 = new StringBuffer(); // 创建一个字符串 String t = new String(); // 利用循环 每读取一个字符,就对照码表,将其转换成编码,并加入到缓冲字符串str2中 for (int i = 0; i < str.length(); i++) { // 取出字符 char c = str.charAt(i); // 查码表 t = FindCodeTable(c, coad_list); // 存入编码串 str2.append(t); } return str2; } /** * 对照码表 * * @param c * 需要进行对照的字符 * @param coad_list * 码表 * @return */ private String FindCodeTable(char c, List<HuffmanNode> coad_list) { // 从码表中逐个去匹配 找到了就返回他所对应的编码 for (int i = 0; i < coad_list.size(); i++) { if (String.valueOf(c).equals(coad_list.get(i).getKey())) { return coad_list.get(i).getCode(); } } return null; } /** * 给哈树设置编码 * * @param root * 根节点 * @param coad_list * 保存叶子节点的队列(哈希编码有值) * @return coad_list 叶子节点的队列 */ private List<HuffmanNode> SetCode(HuffmanNode root, List<HuffmanNode> coad_list) { if ((root.getLeft_child() == null) && (root.getRight_child() == null)) { // 为叶子节点 coad_list.add(root); } else { // 获取当前节点的哈夫曼编码值 String str = root.getCode(); // 左节点的编码值加上当前节点的编码值 str += root.getLeft_child().getCode(); // 把加后的编码值赋值给左节点 root.getLeft_child().setCode(str); // 递归左节点 SetCode(root.getLeft_child(), coad_list); // 获取当前节点的编码值 String str1 = root.getCode(); // 右节点的编码值加上当前节点的编码值 str1 += root.getRight_child().getCode(); // 把加后的编码值赋值给右节点 root.getRight_child().setCode(str1); // 递归右节点 SetCode(root.getRight_child(), coad_list); } return coad_list; } /** * 打印哈夫曼树 ——> 使用先序遍历(根-左-右) * * @param rootnode * 哈树的根节点 */ private void printhuffman(HuffmanNode rootnode) { // 指定根节点,从根几点开始找 HuffmanNode temp = rootnode; // 打印根节点的值 System.out.println("【" + temp.getKey() + "】" + " " + temp.getValue() + " " + temp.getCode()); if (rootnode.getLeft_child() != null) { temp = rootnode.getLeft_child(); // 递归调用自己,表示只要左节点不为空,就把左节点作为新的根节点继续上边步奏 printhuffman(temp); } if (rootnode.getRight_child() != null) { temp = rootnode.getRight_child(); printhuffman(temp);// 同上 } } /** * 根据Map表中的权值,生成一颗哈树 * * @param map * Map表 * @return 返回哈树的根节点 */ private HuffmanNode CreatHTree(Map<String, Integer> map) { Comparator<HuffmanNode> comparator = new Comparator<HuffmanNode>() { @Override public int compare(HuffmanNode o1, HuffmanNode o2) { int numbera = o1.getValue(); int numberb = o2.getValue(); if (numberb < numbera) { return 1; } else if (numberb > numbera) { return -1; } else { return 0; } } }; PriorityQueue<HuffmanNode> queue = new PriorityQueue<HuffmanNode>( map.size(), comparator); Iterator iter = map.entrySet().iterator(); while (iter.hasNext()) { Map.Entry entry = (Map.Entry) iter.next(); HuffmanNode node = new HuffmanNode((String) entry.getKey(), (int) entry.getValue()); queue.add(node); } while (queue.size() != 1) { // 取得两个最小的节点 HuffmanNode node1 = queue.poll(); HuffmanNode node2 = queue.poll(); // 生成一个新的节点 HuffmanNode node3 = new HuffmanNode(node1.getValue() + node2.getValue(), "0"); node3.setLeft_child(node1); node1.setCode("0"); node3.setRight_child(node2); node2.setCode("1"); queue.add(node3); } // 获取哈树根节点 HuffmanNode root = queue.poll(); return root; } /** * 统计文件类容中,各个字符出现的频率,且用Map保存,并返回一个统计结果(Map值) * * @param str * 文件内容 * @param map * 統計結果 * @return map 即各个字符出现的频率情况 */ private Map<String, Integer> countchar(StringBuffer str, Map<String, Integer> map) { System.out.println(); char c; for (int i = 0; i < str.length(); i++) { c = str.charAt(i); String key = String.valueOf(c); if (map.containsKey(key)) { map.put(key, map.get(key) + 1); } else map.put(key, 1); } // map遍历输出 Iterator iter = map.entrySet().iterator(); while (iter.hasNext()) { Map.Entry entry = (Map.Entry) iter.next(); String s = (String) entry.getKey(); int n = (int) entry.getValue(); System.out.println(s + " " + n); } return map; } }
节点类:
import java.io.Serializable; /** * 哈夫曼树节点的定义 * * @author Administrator * */ public class HuffmanNode implements Serializable { // 成员属性 private HuffmanNode left_child = null; private HuffmanNode right_child = null; private HuffmanNode parend = null; // 权值 private int value; // key值 private String key; // 哈弗曼编码 private String code; public String getCode() { return code; } public void setCode(String code) { this.code = code; } // 构造函数 public HuffmanNode(String key, int value) { this.value = value; this.key = key; } public HuffmanNode(int value, String code) { this.value = value; this.code = code; } public int getValue() { return value; } public void setValue(int value) { this.value = value; } public String getKey() { return key; } public void setKey(String key) { this.key = key; } public HuffmanNode getLeft_child() { return left_child; } public void setLeft_child(HuffmanNode left_child) { this.left_child = left_child; } public HuffmanNode getRight_child() { return right_child; } public void setRight_child(HuffmanNode right_child) { this.right_child = right_child; } public HuffmanNode getParend() { return parend; } public void setParend(HuffmanNode parend) { this.parend = parend; } }
哈弗曼压缩程序写完之后你会发现,当文件内容不是很多的时候,或是重复的频次过于多的时候,压缩后的大小反倒比没压缩的时候大,尤其是重复的频次过多时,解压时反到可能会出错。当然哈弗曼编码的效率也很值得商榷。 以及我的这个程序只能针对TXT类型的文本,对于doc、xls、ppt又或是其他图片文件的压缩也是不支持的,还有多文件、文件夹的整合压缩都还没有实现的诸多问题,在日后的过程中需要慢慢的完善。
作为我们这种还在学校里面混的菜鸟,自信一定是要有的,要敢去想敢去写。大神牛人们花一天能弄好的程序,我们多花点时间,也能做好,不去尝试就永远都不会。也许我们的代码执行的效率没有他们高,程序也没有他们优化的好,程序结构也不明显,可维护性差,bug也很多...但这也是一个过程,哪个牛人不是从小菜鸟走过来的呢~!~
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