Huffman Tree 进行解码 示例图
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我们在之前的文章中 讨论了霍夫曼编码。在这篇文章中,我们将讨论解码。
例子:
输入数据: AAAAAABCCCCCCDDEEEEE
频率: A:6,B:1,C:6,D:2,E:5
编码数据: 00000000000011001010101010111111110101010
哈夫曼树: “#”是用于内部节点的特殊字符,因为
内部节点不需要字符字段。
#(20)
/ \
#(12) #(8)
/ \ / \
A(6) C(6) E(5) #(3)
/ \
B(1) D(2)
‘A’ 的代码是 ‘00’,‘C’ 的代码是 ‘01’,..
解码数据: AAAAAAABCCCCCCDDEEEEE
输入数据: GeeksforGeeks
字符 频率为
e 10, f 1100, g 011, k 00, o 010, r 1101, s 111
编码的哈夫曼数据: 01110100011111000101101011101000111
解码的哈夫曼数据: geeksforgeeks
请按照以下步骤解决问题:
注意:要解码编码数据,我们需要霍夫曼树。我们遍历二进制编码数据。要找到与当前位对应的字符,我们使用以下简单步骤:
1、我们从根开始,依次进行,直到找到叶子。
2、如果当前位为 0,我们就移动到树的左节点。
3、如果该位为 1,我们移动到树的右节点。
4、如果在遍历过程中遇到叶节点,我们会打印该特定叶节点的字符,然后再次从步骤 1 开始继续迭代编码数据。
下面的代码将一个字符串作为输入,对其进行编码,并将其保存在变量编码字符串中。然后对其进行解码并打印原始字符串。
下面是上述方法的实现:
import heapq
from collections import defaultdict
# to map each character its huffman value
codes = {}
# To store the frequency of character of the input data
freq = defaultdict(int)
# A Huffman tree node
class MinHeapNode:
def __init__(self, data, freq):
self.left = None
self.right = None
self.data = data
self.freq = freq
def __lt__(self, other):
return self.freq < other.freq
# utility function to print characters along with
# there huffman value
def printCodes(root, str):
if root is None:
return
if root.data != '$':
print(root.data, ":", str)
printCodes(root.left, str + "0")
printCodes(root.right, str + "1")
# utility function to store characters along with
# there huffman value in a hash table
def storeCodes(root, str):
if root is None:
return
if root.data != '$':
codes[root.data] = str
storeCodes(root.left, str + "0")
storeCodes(root.right, str + "1")
# function to build the Huffman tree and store it
# in minHeap
def HuffmanCodes(size):
global minHeap
for key in freq:
minHeap.append(MinHeapNode(key, freq[key]))
heapq.heapify(minHeap)
while len(minHeap) != 1:
left = heapq.heappop(minHeap)
right = heapq.heappop(minHeap)
top = MinHeapNode('$', left.freq + right.freq)
top.left = left
top.right = right
heapq.heappush(minHeap, top)
storeCodes(minHeap[0], "")
# utility function to store map each character with its
# frequency in input string
def calcFreq(str, n):
for i in range(n):
freq[str[i]] += 1
# function iterates through the encoded string s
# if s[i]=='1' then move to node->right
# if s[i]=='0' then move to node->left
# if leaf node append the node->data to our output string
def decode_file(root, s):
ans = ""
curr = root
n = len(s)
for i in range(n):
if s[i] == '0':
curr = curr.left
else:
curr = curr.right
# reached leaf node
if curr.left is None and curr.right is None:
ans += curr.data
curr = root
return ans + '\0'
# Driver code
if __name__ == "__main__":
minHeap = []
str = "geeksforgeeks"
encodedString, decodedString = "", ""
calcFreq(str, len(str))
HuffmanCodes(len(str))
print("Character With there Frequencies:")
for key in sorted(codes):
print(key, codes[key])
for i in str:
encodedString += codes[i]
print("\nEncoded Huffman data:")
print(encodedString)
# Function call
decodedString = decode_file(minHeap[0], encodedString)
print("\nDecoded Huffman Data:")
print(decodedString)
输出:
具有以下频率的字符:
e 10
f 1100
g 011
k 00
o 010
r 1101
s 111
编码的哈夫曼数据:
01110100011111000101101011101000111
解码的哈夫曼数据:
geeksforgeeks
时间复杂度:
霍夫曼编码算法的时间复杂度为O(n log n),其中n为输入字符串的字符个数。辅助空间复杂度也是O(n),其中n为输入字符串的字符个数。
在给定的 C++ 实现中,时间复杂度主要由使用优先级队列创建 Huffman 树决定,这需要 O(n log n) 时间。空间复杂度主要由用于存储字符频率和代码的映射决定,这需要 O(n) 空间。用于打印代码和存储代码的递归函数也增加了空间复杂度。
比较输入文件大小和输出文件大小:
比较输入文件大小和霍夫曼编码的输出文件。我们可以用一种简单的方法计算输出数据的大小。假设我们的输入是一个字符串“geeksforgeeks”,存储在文件 input.txt 中。
输入文件大小:
输入: “geeksforgeeks”
字符总数即输入长度:13
大小: 13 个字符出现次数 * 8 位 = 104 位或 13 个字节。
输出文件大小:
输入: “geeksforgeeks”
——————————————————
字符 | 频率 | 二进制哈夫曼值 |
——————————————————
e | 4 | 10 |
f | 1 | 1100 |
g | 2 | 011 |
k | 2 | 00 |
o | 1 | 010 |
r | 1 | 1101 |
s | 2 | 111 |
—————————————————
因此要计算输出大小:
e:出现 4 次 * 2 位 = 8 位
f:出现 1 次 * 4 位 = 4 位
g:出现 2 次 * 3 位 = 6 位
k:出现 2 次 * 2 位 = 4 位
o:出现 1 次 * 3 位 = 3 位
r:出现 1 次 * 4 位 = 4 位
s:出现 2 次 * 3 位 = 6 位
总和: 35 位,约 5 字节
由此可见,编码后的数据量是比较大的,上面的方法也可以帮我们确定N的值,也就是编码后数据的长度。