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服務器之家 - 編程語言 - JAVA教程 - 詳解Huffman編碼算法之Java實現

詳解Huffman編碼算法之Java實現

2020-07-14 17:44kimy JAVA教程

Huffman編碼是一種編碼方式,常用于無損壓縮。本文只介紹用Java語言來實現該編碼方式的算法和數據結構。有興趣的可以了解一下。

Huffman編碼介紹

Huffman編碼處理的是字符以及字符對應的二進制的編碼配對問題,分為編碼和解碼,目的是壓縮字符對應的二進制數據長度。我們知道字符存貯和傳輸的時候都是二進制的(計算機只認識0/1),那么就有字符與二進制之間的mapping關系。字符屬于字符集(Charset), 字符需要通過編碼(encode)為二進制進行存貯和傳輸,顯示的時候需要解碼(decode)回字符,字符集與編碼方法是一對多關系(Unicode可以用UTF-8,UTF-16等編碼)。理解了字符集,編碼以及解碼,滿天飛的亂碼問題也就游刃而解了。以英文字母小寫a為例, ASCII編碼中,十進制為97,二進制為01100001。ASCII的每一個字符都用8個Bit(1Byte)編碼,假如有1000個字符要傳輸,那么就要傳輸8000個Bit。問題來了,英文中字母e的使用頻率為12.702%,而z為0.074%,前者是后者的100多倍,但是確使用相同位數的二進制。可以做得更好,方法就是可變長度編碼,指導原則就是頻率高的用較短的位數編碼,頻率低的用較長位數編碼。Huffman編碼算法就是處理這樣的問題。

Huffman編碼Java實現

Huffman編碼算法主要用到的數據結構是完全二叉樹(full binary tree)和優先級隊列。后者用的是Java.util.PriorityQueue,前者自己實現(都為內部類),代碼如下:

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static class Tree {
    private Node root;
 
    public Node getRoot() {
      return root;
    }
 
    public void setRoot(Node root) {
      this.root = root;
    }
  }
 
  static class Node implements Comparable<Node> {
    private String chars = "";
    private int frequence = 0;
    private Node parent;
    private Node leftNode;
    private Node rightNode;
 
    @Override
    public int compareTo(Node n) {
      return frequence - n.frequence;
    }
 
    public boolean isLeaf() {
      return chars.length() == 1;
    }
 
    public boolean isRoot() {
      return parent == null;
    }
 
    public boolean isLeftChild() {
      return parent != null && this == parent.leftNode;
    }
 
    public int getFrequence() {
      return frequence;
    }
 
    public void setFrequence(int frequence) {
      this.frequence = frequence;
    }
 
    public String getChars() {
      return chars;
    }
 
    public void setChars(String chars) {
      this.chars = chars;
    }
 
    public Node getParent() {
      return parent;
    }
 
    public void setParent(Node parent) {
      this.parent = parent;
    }
 
    public Node getLeftNode() {
      return leftNode;
    }
 
    public void setLeftNode(Node leftNode) {
      this.leftNode = leftNode;
    }
 
    public Node getRightNode() {
      return rightNode;
    }
 
    public void setRightNode(Node rightNode) {
      this.rightNode = rightNode;
    }
  }

統計數據

既然要按頻率來安排編碼表,那么首先當然得獲得頻率的統計信息。我實現了一個方法處理這樣的問題。如果已經有統計信息,那么轉為Map<Character,Integer>即可。如果你得到的信息是百分比,乘以100或1000,或10000。總是可以轉為整數。比如12.702%乘以1000為12702,Huffman編碼只關心大小問題。統計方法實現如下:

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public static Map<Character, Integer> statistics(char[] charArray) {
    Map<Character, Integer> map = new HashMap<Character, Integer>();
    for (char c : charArray) {
      Character character = new Character(c);
      if (map.containsKey(character)) {
        map.put(character, map.get(character) + 1);
      } else {
        map.put(character, 1);
      }
    }
 
    return map;
  }

構建樹

構建樹是Huffman編碼算法的核心步驟。思想是把所有的字符掛到一顆完全二叉樹的葉子節點,任何一個非頁子節點的左節點出現頻率不大于右節點。算法為把統計信息轉為Node存放到一個優先級隊列里面,每一次從隊列里面彈出兩個最小頻率的節點,構建一個新的父Node(非葉子節點), 字符內容剛彈出來的兩個節點字符內容之和,頻率也是它們的和,最開始的彈出來的作為左子節點,后面一個作為右子節點,并且把剛構建的父節點放到隊列里面。重復以上的動作N-1次,N為不同字符的個數(每一次隊列里面個數減1)。結束以上步驟,隊列里面剩一個節點,彈出作為樹的根節點。代碼如下:

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private static Tree buildTree(Map<Character, Integer> statistics,
      List<Node> leafs) {
    Character[] keys = statistics.keySet().toArray(new Character[0]);
 
    PriorityQueue<Node> priorityQueue = new PriorityQueue<Node>();
    for (Character character : keys) {
      Node node = new Node();
      node.chars = character.toString();
      node.frequence = statistics.get(character);
      priorityQueue.add(node);
      leafs.add(node);
    }
 
    int size = priorityQueue.size();
    for (int i = 1; i <= size - 1; i++) {
      Node node1 = priorityQueue.poll();
      Node node2 = priorityQueue.poll();
 
      Node sumNode = new Node();
      sumNode.chars = node1.chars + node2.chars;
      sumNode.frequence = node1.frequence + node2.frequence;
 
      sumNode.leftNode = node1;
      sumNode.rightNode = node2;
 
      node1.parent = sumNode;
      node2.parent = sumNode;
 
      priorityQueue.add(sumNode);
    }
 
    Tree tree = new Tree();
    tree.root = priorityQueue.poll();
    return tree;
  }

編碼

某個字符對應的編碼為,從該字符所在的葉子節點向上搜索,如果該字符節點是父節點的左節點,編碼字符之前加0,反之如果是右節點,加1,直到根節點。只要獲取了字符和二進制碼之間的mapping關系,編碼就非常簡單。代碼如下:

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public static String encode(String originalStr,
      Map<Character, Integer> statistics) {
    if (originalStr == null || originalStr.equals("")) {
      return "";
    }
 
    char[] charArray = originalStr.toCharArray();
    List<Node> leafNodes = new ArrayList<Node>();
    buildTree(statistics, leafNodes);
    Map<Character, String> encodInfo = buildEncodingInfo(leafNodes);
 
    StringBuffer buffer = new StringBuffer();
    for (char c : charArray) {
      Character character = new Character(c);
      buffer.append(encodInfo.get(character));
    }
 
    return buffer.toString();
  }
private static Map<Character, String> buildEncodingInfo(List<Node> leafNodes) {
    Map<Character, String> codewords = new HashMap<Character, String>();
    for (Node leafNode : leafNodes) {
      Character character = new Character(leafNode.getChars().charAt(0));
      String codeword = "";
      Node currentNode = leafNode;
 
      do {
        if (currentNode.isLeftChild()) {
          codeword = "0" + codeword;
        } else {
          codeword = "1" + codeword;
        }
 
        currentNode = currentNode.parent;
      } while (currentNode.parent != null);
 
      codewords.put(character, codeword);
    }
 
    return codewords;
  }

解碼

因為Huffman編碼算法能夠保證任何的二進制碼都不會是另外一個碼的前綴,解碼非常簡單,依次取出二進制的每一位,從樹根向下搜索,1向右,0向左,到了葉子節點(命中),退回根節點繼續重復以上動作。代碼如下:

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public static String decode(String binaryStr,
      Map<Character, Integer> statistics) {
    if (binaryStr == null || binaryStr.equals("")) {
      return "";
    }
 
    char[] binaryCharArray = binaryStr.toCharArray();
    LinkedList<Character> binaryList = new LinkedList<Character>();
    int size = binaryCharArray.length;
    for (int i = 0; i < size; i++) {
      binaryList.addLast(new Character(binaryCharArray[i]));
    }
 
    List<Node> leafNodes = new ArrayList<Node>();
    Tree tree = buildTree(statistics, leafNodes);
 
    StringBuffer buffer = new StringBuffer();
 
    while (binaryList.size() > 0) {
      Node node = tree.root;
 
      do {
        Character c = binaryList.removeFirst();
        if (c.charValue() == '0') {
          node = node.leftNode;
        } else {
          node = node.rightNode;
        }
      } while (!node.isLeaf());
 
      buffer.append(node.chars);
    }
 
    return buffer.toString();
  }

測試以及比較

以下測試Huffman編碼的正確性(先編碼,后解碼,包括中文),以及Huffman編碼與常見的字符編碼的二進制字符串比較。代碼如下:

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public static void main(String[] args) {
    String oriStr = "Huffman codes compress data very effectively: savings of 20% to 90% are typical, "
        + "depending on the characteristics of the data being compressed. 中華崛起";
    Map<Character, Integer> statistics = statistics(oriStr.toCharArray());
    String encodedBinariStr = encode(oriStr, statistics);
    String decodedStr = decode(encodedBinariStr, statistics);
 
    System.out.println("Original sstring: " + oriStr);
    System.out.println("Huffman encoed binary string: " + encodedBinariStr);
    System.out.println("decoded string from binariy string: " + decodedStr);
 
    System.out.println("binary string of UTF-8: "
        + getStringOfByte(oriStr, Charset.forName("UTF-8")));
    System.out.println("binary string of UTF-16: "
        + getStringOfByte(oriStr, Charset.forName("UTF-16")));
    System.out.println("binary string of US-ASCII: "
        + getStringOfByte(oriStr, Charset.forName("US-ASCII")));
    System.out.println("binary string of GB2312: "
        + getStringOfByte(oriStr, Charset.forName("GB2312")));
  }
 
  public static String getStringOfByte(String str, Charset charset) {
    if (str == null || str.equals("")) {
      return "";
    }
 
    byte[] byteArray = str.getBytes(charset);
    int size = byteArray.length;
    StringBuffer buffer = new StringBuffer();
    for (int i = 0; i < size; i++) {
      byte temp = byteArray[i];
      buffer.append(getStringOfByte(temp));
    }
 
    return buffer.toString();
  }
 
  public static String getStringOfByte(byte b) {
    StringBuffer buffer = new StringBuffer();
    for (int i = 7; i >= 0; i--) {
      byte temp = (byte) ((b >> i) & 0x1);
      buffer.append(String.valueOf(temp));
    }
 
    return buffer.toString();
  }

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