В этом руководстве вы узнаете, как работает кодирование Хаффмана. Также вы найдете рабочие примеры кодирования Хаффмана на C, C ++, Java и Python.
Кодирование Хаффмана - это метод сжатия данных для уменьшения их размера без потери каких-либо деталей. Впервые он был разработан Дэвидом Хаффманом.
Кодирование Хаффмана обычно полезно для сжатия данных, в которых часто встречаются символы.
Как работает кодирование Хаффмана?
Предположим, что приведенная ниже строка должна быть отправлена по сети.
Начальная строка
Каждый символ занимает 8 бит. В приведенной выше строке всего 15 символов. Таким образом, 8 * 15 = 120для отправки этой строки требуется всего бит.
Используя технику кодирования Хаффмана, мы можем сжать строку до меньшего размера.
Кодирование Хаффмана сначала создает дерево, используя частоты символа, а затем генерирует код для каждого символа.
После того, как данные закодированы, их нужно декодировать. Расшифровка производится с использованием того же дерева.
Кодирование Хаффмана предотвращает любую двусмысленность в процессе декодирования с использованием концепции префиксного кода, т.е. код, связанный с символом, не должен присутствовать в префиксе любого другого кода. Созданное выше дерево помогает поддерживать недвижимость.
Кодирование Хаффмана выполняется с помощью следующих шагов.
- Вычислите частоту каждого символа в строке.
Частота струны - Отсортируйте символы в порядке возрастания частоты. Они хранятся в очереди приоритетов Q.
Символы отсортированы по частоте - Сделайте каждый уникальный символ листовым узлом.
- Создайте пустой узел z. Назначьте минимальную частоту левому дочернему элементу z и назначьте вторую минимальную частоту правому дочернему элементу z. Установите значение z как сумму двух вышеуказанных минимальных частот.
Получение суммы наименьших чисел - Удалите эти две минимальные частоты из Q и добавьте сумму в список частот (* обозначают внутренние узлы на рисунке выше).
- Вставьте узел z в дерево.
- Повторите шаги с 3 по 5 для всех символов.
Повторите шаги с 3 по 5 для всех символов. 
Повторите шаги с 3 по 5 для всех символов. - Для каждого нелистового узла присвойте 0 левому краю и 1 правому краю.
Присвойте 0 левому краю и 1 правому краю
Для отправки указанной выше строки по сети мы должны отправить дерево, а также приведенный выше сжатый код. Общий размер указан в таблице ниже.
| символ | Частота | Код | Размер |
|---|---|---|---|
| А | 5 | 11 | 5 * 2 = 10 |
| B | 1 | 100 | 1 * 3 = 3 |
| C | 6 | 0 | 6 * 1 = 6 |
| D | 3 | 101 | 3 * 3 = 9 |
| 4 * 8 = 32 бита | 15 бит | 28 бит |
Без кодирования общий размер строки составлял 120 бит. После кодирования размер уменьшается до 32 + 15 + 28 = 75.
Расшифровка кода
Для расшифровки кода мы можем взять код и пройтись по дереву, чтобы найти символ.
Пусть 101 нужно декодировать, мы можем пройти от корня, как на рисунке ниже.
Расшифровка
Алгоритм кодирования Хаффмана
создать очередь приоритетов Q, состоящую из каждого уникального символа. затем отсортируйте их в порядке возрастания их частот. для всех уникальных символов: создать newNode, извлечь минимальное значение из Q и присвоить его leftChild из newNode извлечь минимальное значение из Q и назначить его rightChild из newNode, вычислить сумму этих двух минимальных значений и присвоить его значению вставки newNode этот newNode в дереве возвращает rootNode
Примеры Python, Java и C / C ++
Python Java C C ++ # Huffman Coding in python string = 'BCAADDDCCACACAC' # Creating tree nodes class NodeTree(object): def __init__(self, left=None, right=None): self.left = left self.right = right def children(self): return (self.left, self.right) def nodes(self): return (self.left, self.right) def __str__(self): return '%s_%s' % (self.left, self.right) # Main function implementing huffman coding def huffman_code_tree(node, left=True, binString=''): if type(node) is str: return (node: binString) (l, r) = node.children() d = dict() d.update(huffman_code_tree(l, True, binString + '0')) d.update(huffman_code_tree(r, False, binString + '1')) return d # Calculating frequency freq = () for c in string: if c in freq: freq(c) += 1 else: freq(c) = 1 freq = sorted(freq.items(), key=lambda x: x(1), reverse=True) nodes = freq while len(nodes)> 1: (key1, c1) = nodes(-1) (key2, c2) = nodes(-2) nodes = nodes(:-2) node = NodeTree(key1, key2) nodes.append((node, c1 + c2)) nodes = sorted(nodes, key=lambda x: x(1), reverse=True) huffmanCode = huffman_code_tree(nodes(0)(0)) print(' Char | Huffman code ') print('----------------------') for (char, frequency) in freq: print(' %-4r |%12s' % (char, huffmanCode(char)))
// Huffman Coding in Java import java.util.PriorityQueue; import java.util.Comparator; class HuffmanNode ( int item; char c; HuffmanNode left; HuffmanNode right; ) // For comparing the nodes class ImplementComparator implements Comparator ( public int compare(HuffmanNode x, HuffmanNode y) ( return x.item - y.item; ) ) // IMplementing the huffman algorithm public class Huffman ( public static void printCode(HuffmanNode root, String s) ( if (root.left == null && root.right == null && Character.isLetter(root.c)) ( System.out.println(root.c + " | " + s); return; ) printCode(root.left, s + "0"); printCode(root.right, s + "1"); ) public static void main(String() args) ( int n = 4; char() charArray = ( 'A', 'B', 'C', 'D' ); int() charfreq = ( 5, 1, 6, 3 ); PriorityQueue q = new PriorityQueue(n, new ImplementComparator()); for (int i = 0; i 1) ( HuffmanNode x = q.peek(); q.poll(); HuffmanNode y = q.peek(); q.poll(); HuffmanNode f = new HuffmanNode(); f.item = x.item + y.item; f.c = '-'; f.left = x; f.right = y; root = f; q.add(f); ) System.out.println(" Char | Huffman code "); System.out.println("--------------------"); printCode(root, ""); ) )
// Huffman Coding in C #include #include #define MAX_TREE_HT 50 struct MinHNode ( char item; unsigned freq; struct MinHNode *left, *right; ); struct MinHeap ( unsigned size; unsigned capacity; struct MinHNode **array; ); // Create nodes struct MinHNode *newNode(char item, unsigned freq) ( struct MinHNode *temp = (struct MinHNode *)malloc(sizeof(struct MinHNode)); temp->left = temp->right = NULL; temp->item = item; temp->freq = freq; return temp; ) // Create min heap struct MinHeap *createMinH(unsigned capacity) ( struct MinHeap *minHeap = (struct MinHeap *)malloc(sizeof(struct MinHeap)); minHeap->size = 0; minHeap->capacity = capacity; minHeap->array = (struct MinHNode **)malloc(minHeap->capacity * sizeof(struct MinHNode *)); return minHeap; ) // Function to swap void swapMinHNode(struct MinHNode **a, struct MinHNode **b) ( struct MinHNode *t = *a; *a = *b; *b = t; ) // Heapify void minHeapify(struct MinHeap *minHeap, int idx) ( int smallest = idx; int left = 2 * idx + 1; int right = 2 * idx + 2; if (left size && minHeap->array(left)->freq array(smallest)->freq) smallest = left; if (right size && minHeap->array(right)->freq array(smallest)->freq) smallest = right; if (smallest != idx) ( swapMinHNode(&minHeap->array(smallest), &minHeap->array(idx)); minHeapify(minHeap, smallest); ) ) // Check if size if 1 int checkSizeOne(struct MinHeap *minHeap) ( return (minHeap->size == 1); ) // Extract min struct MinHNode *extractMin(struct MinHeap *minHeap) ( struct MinHNode *temp = minHeap->array(0); minHeap->array(0) = minHeap->array(minHeap->size - 1); --minHeap->size; minHeapify(minHeap, 0); return temp; ) // Insertion function void insertMinHeap(struct MinHeap *minHeap, struct MinHNode *minHeapNode) ( ++minHeap->size; int i = minHeap->size - 1; while (i && minHeapNode->freq array((i - 1) / 2)->freq) ( minHeap->array(i) = minHeap->array((i - 1) / 2); i = (i - 1) / 2; ) minHeap->array(i) = minHeapNode; ) void buildMinHeap(struct MinHeap *minHeap) ( int n = minHeap->size - 1; int i; for (i = (n - 1) / 2; i>= 0; --i) minHeapify(minHeap, i); ) int isLeaf(struct MinHNode *root) ( return !(root->left) && !(root->right); ) struct MinHeap *createAndBuildMinHeap(char item(), int freq(), int size) ( struct MinHeap *minHeap = createMinH(size); for (int i = 0; i array(i) = newNode(item(i), freq(i)); minHeap->size = size; buildMinHeap(minHeap); return minHeap; ) struct MinHNode *buildHuffmanTree(char item(), int freq(), int size) ( struct MinHNode *left, *right, *top; struct MinHeap *minHeap = createAndBuildMinHeap(item, freq, size); while (!checkSizeOne(minHeap)) ( left = extractMin(minHeap); right = extractMin(minHeap); top = newNode('$', left->freq + right->freq); top->left = left; top->right = right; insertMinHeap(minHeap, top); ) return extractMin(minHeap); ) void printHCodes(struct MinHNode *root, int arr(), int top) ( if (root->left) ( arr(top) = 0; printHCodes(root->left, arr, top + 1); ) if (root->right) ( arr(top) = 1; printHCodes(root->right, arr, top + 1); ) if (isLeaf(root)) ( printf(" %c | ", root->item); printArray(arr, top); ) ) // Wrapper function void HuffmanCodes(char item(), int freq(), int size) ( struct MinHNode *root = buildHuffmanTree(item, freq, size); int arr(MAX_TREE_HT), top = 0; printHCodes(root, arr, top); ) // Print the array void printArray(int arr(), int n) ( int i; for (i = 0; i < n; ++i) printf("%d", arr(i)); printf(""); ) int main() ( char arr() = ('A', 'B', 'C', 'D'); int freq() = (5, 1, 6, 3); int size = sizeof(arr) / sizeof(arr(0)); printf(" Char | Huffman code "); printf("--------------------"); HuffmanCodes(arr, freq, size); )
// Huffman Coding in C++ #include using namespace std; #define MAX_TREE_HT 50 struct MinHNode ( unsigned freq; char item; struct MinHNode *left, *right; ); struct MinH ( unsigned size; unsigned capacity; struct MinHNode **array; ); // Creating Huffman tree node struct MinHNode *newNode(char item, unsigned freq) ( struct MinHNode *temp = (struct MinHNode *)malloc(sizeof(struct MinHNode)); temp->left = temp->right = NULL; temp->item = item; temp->freq = freq; return temp; ) // Create min heap using given capacity struct MinH *createMinH(unsigned capacity) ( struct MinH *minHeap = (struct MinH *)malloc(sizeof(struct MinH)); minHeap->size = 0; minHeap->capacity = capacity; minHeap->array = (struct MinHNode **)malloc(minHeap->capacity * sizeof(struct MinHNode *)); return minHeap; ) // Swap function void swapMinHNode(struct MinHNode **a, struct MinHNode **b) ( struct MinHNode *t = *a; *a = *b; *b = t; ) // Heapify void minHeapify(struct MinH *minHeap, int idx) ( int smallest = idx; int left = 2 * idx + 1; int right = 2 * idx + 2; if (left size && minHeap->array(left)->freq array(smallest)->freq) smallest = left; if (right size && minHeap->array(right)->freq array(smallest)->freq) smallest = right; if (smallest != idx) ( swapMinHNode(&minHeap->array(smallest), &minHeap->array(idx)); minHeapify(minHeap, smallest); ) ) // Check if size if 1 int checkSizeOne(struct MinH *minHeap) ( return (minHeap->size == 1); ) // Extract the min struct MinHNode *extractMin(struct MinH *minHeap) ( struct MinHNode *temp = minHeap->array(0); minHeap->array(0) = minHeap->array(minHeap->size - 1); --minHeap->size; minHeapify(minHeap, 0); return temp; ) // Insertion void insertMinHeap(struct MinH *minHeap, struct MinHNode *minHeapNode) ( ++minHeap->size; int i = minHeap->size - 1; while (i && minHeapNode->freq array((i - 1) / 2)->freq) ( minHeap->array(i) = minHeap->array((i - 1) / 2); i = (i - 1) / 2; ) minHeap->array(i) = minHeapNode; ) // BUild min heap void buildMinHeap(struct MinH *minHeap) ( int n = minHeap->size - 1; int i; for (i = (n - 1) / 2; i>= 0; --i) minHeapify(minHeap, i); ) int isLeaf(struct MinHNode *root) ( return !(root->left) && !(root->right); ) struct MinH *createAndBuildMinHeap(char item(), int freq(), int size) ( struct MinH *minHeap = createMinH(size); for (int i = 0; i array(i) = newNode(item(i), freq(i)); minHeap->size = size; buildMinHeap(minHeap); return minHeap; ) struct MinHNode *buildHfTree(char item(), int freq(), int size) ( struct MinHNode *left, *right, *top; struct MinH *minHeap = createAndBuildMinHeap(item, freq, size); while (!checkSizeOne(minHeap)) ( left = extractMin(minHeap); right = extractMin(minHeap); top = newNode('$', left->freq + right->freq); top->left = left; top->right = right; insertMinHeap(minHeap, top); ) return extractMin(minHeap); ) void printHCodes(struct MinHNode *root, int arr(), int top) ( if (root->left) ( arr(top) = 0; printHCodes(root->left, arr, top + 1); ) if (root->right) ( arr(top) = 1; printHCodes(root->right, arr, top + 1); ) if (isLeaf(root)) ( cout
Huffman Coding Complexity
The time complexity for encoding each unique character based on its frequency is O(nlog n).
Extracting minimum frequency from the priority queue takes place 2*(n-1) times and its complexity is O(log n). Thus the overall complexity is O(nlog n).
Huffman Coding Applications
- Huffman coding is used in conventional compression formats like GZIP, BZIP2, PKZIP, etc.
- For text and fax transmissions.
