数据结构 [Java版本] 树之应用 哈夫曼编码之数据压缩

最佳实践-数据压缩(创建赫夫曼树)

将给出的一段文本,比如 "i like like like java do you like a java" , 根据前面的讲的赫夫曼编码原理,对其进行数据压缩处理 ,形式如 "1010100110111101111010011011110111101001101111011110100001100001110011001111000011001111000100100100110111101111011100100001100001110
"

步骤1:根据赫夫曼编码压缩数据的原理,需要创建 "i like like like java do you like a java" 对应的赫夫曼树.

思路:前面已经分析过了,而且我们已然讲过了构建赫夫曼树的具体实现。
功能: 根据赫夫曼编码压缩数据的原理,需要创建 "i like like like java do you like a java" 对应的赫夫曼树
思路:
(1) Node { data (存放数据), weight (权值), left 和 right }
(2) 得到 "i like like like java do you like a java" 对应的 byte[] 数组
(3) 编写一个方法,将准备构建赫夫曼树的Node 节点放到 List , 形式 [Node[date=97 ,weight = 5], Node[]date=32,weight = 9]......], 体现 d:1 y:1 u:1 j:2 v:2 o:2 l:4 k:4 e:4 i:5 a:5 :9
(4) 可以通过List 创建对应的赫夫曼树

生成赫夫曼树对应的赫夫曼编码 , 如下表:=01 a=100 d=11000 u=11001 e=1110 v=11011 i=101 y=11010 j=0010 k=1111 l=000 o=0011
使用赫夫曼编码来生成赫夫曼编码数据 ,即按照上面的赫夫曼编码,将"i like like like java do you like a java" 字符串生成对应的编码数据, 形式如下.�1010100010111111110010001011111111001000101111111100100101001101110001110000011011101000111100101000101111111100110001001010011011100

代码实现:

package cn.icanci.datastructure.haffmantree.haffmancode;

import java.util.*;

/**
 * @Author: icanci
 * @ProjectName: AlgorithmAndDataStructure
 * @PackageName: cn.icanci.datastructure.haffmantree.haffmancode
 * @Date: Created in 2020/3/15 21:04
 * @ClassAction: 哈夫曼编码
 */
public class HuffmanCode {
    public static void main(String[] args) {
        String str = "i like like like java do you like a java";
        byte[] bytes = str.getBytes();
        byte[] bytes1 = huffmanZip(bytes);
        System.out.println(Arrays.toString(bytes1));
    }

    /**
     * @param bytes 需要压缩的
     * @return 压缩之后的
     */
    private static byte[] huffmanZip(byte[] bytes) {
        List<Node> nodes = getNodes(bytes);
        Node huffmanTree = createHuffmanTree(nodes);
        preOrder(huffmanTree);
        getCodes(huffmanTree);
        byte[] zip = zip(bytes, huffmanCodes);
        return zip;
    }


    /**
     * 编写一个方法 将字符串对应的Byte数组 通过生成的哈夫曼编码表
     *
     * @param bytes
     * @param huffmanCodes
     * @return 对应的 byte数组
     */
    private static byte[] zip(byte[] bytes, Map<Byte, String> huffmanCodes) {
        //先利用 huffmanCodes 将 bytes 转成 哈夫曼编码对应的字符串
        StringBuilder stringBuilder = new StringBuilder();
        for (byte b : bytes) {
            stringBuilder.append(huffmanCodes.get(b));
        }
        //将字符串转成 byte数组
        //统计返回的 长度
        int len;
        if (stringBuilder.length() % 8 == 0) {
            len = stringBuilder.length() / 8;
        } else {
            len = stringBuilder.length() / 8 + 1;
        }
        //创建存储压缩后的数组
        byte[] by = new byte[len];
        int index = 0;
        for (int i = 0; i < stringBuilder.length(); i += 8) {
            String strByte;
            if (i + 8 > stringBuilder.length()) {
                //不够8位
                strByte = stringBuilder.substring(i);
            } else {
                strByte = stringBuilder.substring(i, i + 8);
            }
            by[index] = (byte) Integer.parseInt(strByte, 2);
            index++;
        }
        return by;
    }


    //生成赫夫曼树的对应的赫夫曼编码
    //思路分析:
    //1.将赫夫曼编码存放着在 Map<Byte,String>
    //2.在生成哈夫曼编码表的时候 需要去拼接路径

    static Map<Byte, String> huffmanCodes = new HashMap<Byte, String>();
    static StringBuilder sb = new StringBuilder();


    private static void getCodes(Node root) {
        if (root == null) {
            System.out.println("空");
        } else {
            getCodes(root, "", sb);
        }
    }


    /**
     * 功能:将传入的node节点的所有叶子节点的赫夫曼编码得到 并放入huffmanCodes集合
     *
     * @param node          传入节点
     * @param code          传入;路径 左 0 右1
     * @param stringbuilder 拼接路径的
     */
    private static void getCodes(Node node, String code, StringBuilder stringbuilder) {
        StringBuilder stringBuilder = new StringBuilder(stringbuilder);
        stringBuilder.append(code);
        if (node != null) {
            //判断当前Node是叶子节点还是非叶子节点
            if (node.data == null) {
                getCodes(node.left, "0", stringBuilder);
                getCodes(node.right, "1", stringBuilder);
            } else {
                //是叶子节点 找到了叶子节点的最后
                huffmanCodes.put(node.data, stringBuilder.toString());
            }
        }
    }


    //前序遍历
    private static void preOrder(Node root) {
        if (root != null) {
            root.preOrder();
        } else {
            System.out.println("空");
        }
    }

    /**
     * 接收字节数组
     *
     * @param bytes 需要转换的字节数组
     * @return 返回
     */
    private static List<Node> getNodes(byte[] bytes) {
        //创建一个ArrayList
        List<Node> nodes = new ArrayList<>();
        //编译bytes 统计
        HashMap<Byte, Integer> hashMap = new HashMap<>();
        for (byte b : bytes) {
            Integer count = hashMap.get(b);
            if (count == null) {
                hashMap.put(b, 1);
            } else {
                hashMap.put(b, count + 1);
            }
        }
        //把每个键值对 转成一个Node对象
        for (Map.Entry<Byte, Integer> entry : hashMap.entrySet()) {
            nodes.add(new Node(entry.getKey(), entry.getValue()));
        }
        return nodes;
    }

    private static Node createHuffmanTree(List<Node> nodes) {
        while (nodes.size() > 1) {
            Collections.sort(nodes);
            Node left = nodes.get(0);
            Node right = nodes.get(1);
            //创建一个新的二叉树 没有根节点 只有权值
            Node parent = new Node(null, left.weight + right.weight);
            parent.left = left;
            parent.right = right;
            nodes.remove(left);
            nodes.remove(right);
            nodes.add(parent);
        }
        return nodes.get(0);
    }
}

//创建Node

class Node implements Comparable<Node> {
    //存放数据本身
    Byte data;
    //权值
    int weight;
    Node left;
    Node right;

    public Node(Byte data, int weight) {
        this.data = data;
        this.weight = weight;
    }

    @Override
    public int compareTo(Node o) {
        //从小到大
        return this.weight - o.weight;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Node{" +
                "data=" + data +
                ", weight=" + weight +
                '}';
    }

    //前序遍历
    public void preOrder() {
        System.out.println(this);
        if (this.left != null) {
            this.left.preOrder();
        }
        if (this.right != null) {
            this.right.preOrder();
        }
    }
}

测试

Node{data=null, weight=40}
Node{data=null, weight=17}
Node{data=null, weight=8}
Node{data=108, weight=4}
Node{data=null, weight=4}
Node{data=106, weight=2}
Node{data=111, weight=2}
Node{data=32, weight=9}
Node{data=null, weight=23}
Node{data=null, weight=10}
Node{data=97, weight=5}
Node{data=105, weight=5}
Node{data=null, weight=13}
Node{data=null, weight=5}
Node{data=null, weight=2}
Node{data=100, weight=1}
Node{data=117, weight=1}
Node{data=null, weight=3}
Node{data=121, weight=1}
Node{data=118, weight=2}
Node{data=null, weight=8}
Node{data=101, weight=4}
Node{data=107, weight=4}
[-88, -65, -56, -65, -56, -65, -55, 77, -57, 6, -24, -14, -117, -4, -60, -90, 28]

最佳实践-数据解压(使用赫夫曼编码解码)
使用赫夫曼编码来解码数据,具体要求是
前面我们得到了赫夫曼编码和对应的编码�byte[] , 即:[-88, -65, -56, -65, -56, -65, -55, 77, -57, 6, -24, -14, -117, -4, -60, -90, 28]
现在要求使用赫夫曼编码, 进行解码,又�重新得到原来的字符串"i like like like java do you like a java"

思路:解码过程,就是编码的一个逆向操作。
代码实现:

package cn.icanci.datastructure.haffmantree.haffmancode;

import org.springframework.context.annotation.Bean;

import java.util.*;

/**
 * @Author: icanci
 * @ProjectName: AlgorithmAndDataStructure
 * @PackageName: cn.icanci.datastructure.haffmantree.haffmancode
 * @Date: Created in 2020/3/15 21:04
 * @ClassAction: 哈夫曼编码
 */
public class HuffmanCode {
    public static void main(String[] args) {
        String str = "i like like like java do you like a java";
        byte[] bytes = str.getBytes();
        byte[] bytes1 = huffmanZip(bytes);
        System.out.println(Arrays.toString(bytes1));
        byte[] decode = decode(huffmanCodes, bytes1);
        for (byte b : decode) {
            System.out.print((char) b);
        }
        System.out.println();
        System.out.println(Arrays.toString(decode));
    }

    /**
     * 数据解码
     *
     * @param huffmanCodes 编码表
     * @param bytes        赫夫曼编码得到的字节数组
     * @return
     */
    private static byte[] decode(Map<Byte, String> huffmanCodes, byte[] bytes) {
        //1.先得到 bytes 对应的二进制字符串
        StringBuilder stringBuilder = new StringBuilder();
        //2.将byte数组
        for (int i = 0; i < bytes.length; i++) {
            boolean flag = (i == bytes.length - 1);
            stringBuilder.append(byteToString(!flag, bytes[i]));
        }

        //把字符串按照指定的赫夫曼编码进行节码
        //把赫夫曼编码进行调换 反响查询
        Map<String, Byte> map = new HashMap<String, Byte>();
        for (Map.Entry<Byte, String> entry : huffmanCodes.entrySet()) {
            map.put(entry.getValue(), entry.getKey());
        }
        //创建一个集合
        ArrayList<Byte> list = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < stringBuilder.length();) {
            int count = 1;
            boolean flag = true;
            Byte b = null;
            while (flag) {
                //取出一个 1 0
                String key = stringBuilder.substring(i, i + count);
                b = map.get(key);
                if (b == null) {
                    count++;
                } else {
                    flag = false;
                }
            }
            list.add(b);
            i += count;
        }
        //把list数组放在 byte数组中
        byte[] by = new byte[list.size()];
        for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
            by[i] = list.get(i);
        }
        return by;
    }

    //数据的解压
    //重新转成字符串  然后在转为 二进制字符串

    private static String byteToString(boolean flag, byte b) {
        int temp = b;
        //如何是证数 需要补位
        //按位与
        if (flag) {
            temp |= 256;
        }
        //返回的是temp 的对应的补码
        String string = Integer.toBinaryString(temp);
        if (flag) {
            return string.substring(string.length() - 8);
        } else {
            return string;
        }
    }


    /**
     * @param bytes 需要压缩的
     * @return 压缩之后的
     */
    private static byte[] huffmanZip(byte[] bytes) {
        List<Node> nodes = getNodes(bytes);
        Node huffmanTree = createHuffmanTree(nodes);
        preOrder(huffmanTree);
        getCodes(huffmanTree);
        byte[] zip = zip(bytes, huffmanCodes);
        return zip;
    }


    /**
     * 编写一个方法 将字符串对应的Byte数组 通过生成的哈夫曼编码表
     *
     * @param bytes
     * @param huffmanCodes
     * @return 对应的 byte数组
     */
    private static byte[] zip(byte[] bytes, Map<Byte, String> huffmanCodes) {
        //先利用 huffmanCodes 将 bytes 转成 哈夫曼编码对应的字符串
        StringBuilder stringBuilder = new StringBuilder();
        for (byte b : bytes) {
            stringBuilder.append(huffmanCodes.get(b));
        }
        //将字符串转成 byte数组
        //统计返回的 长度
        int len;
        if (stringBuilder.length() % 8 == 0) {
            len = stringBuilder.length() / 8;
        } else {
            len = stringBuilder.length() / 8 + 1;
        }
        //创建存储压缩后的数组
        byte[] by = new byte[len];
        int index = 0;
        for (int i = 0; i < stringBuilder.length(); i += 8) {
            String strByte;
            if (i + 8 > stringBuilder.length()) {
                //不够8位
                strByte = stringBuilder.substring(i);
            } else {
                strByte = stringBuilder.substring(i, i + 8);
            }
            by[index] = (byte) Integer.parseInt(strByte, 2);
            index++;
        }
        return by;
    }


    //生成赫夫曼树的对应的赫夫曼编码
    //思路分析:
    //1.将赫夫曼编码存放着在 Map<Byte,String>
    //2.在生成哈夫曼编码表的时候 需要去拼接路径

    static Map<Byte, String> huffmanCodes = new HashMap<Byte, String>();
    static StringBuilder sb = new StringBuilder();


    private static void getCodes(Node root) {
        if (root == null) {
            System.out.println("空");
        } else {
            getCodes(root, "", sb);
        }
    }


    /**
     * 功能:将传入的node节点的所有叶子节点的赫夫曼编码得到 并放入huffmanCodes集合
     *
     * @param node          传入节点
     * @param code          传入;路径 左 0 右1
     * @param stringbuilder 拼接路径的
     */
    private static void getCodes(Node node, String code, StringBuilder stringbuilder) {
        StringBuilder stringBuilder = new StringBuilder(stringbuilder);
        stringBuilder.append(code);
        if (node != null) {
            //判断当前Node是叶子节点还是非叶子节点
            if (node.data == null) {
                getCodes(node.left, "0", stringBuilder);
                getCodes(node.right, "1", stringBuilder);
            } else {
                //是叶子节点 找到了叶子节点的最后
                huffmanCodes.put(node.data, stringBuilder.toString());
            }
        }
    }


    //前序遍历
    private static void preOrder(Node root) {
        if (root != null) {
            root.preOrder();
        } else {
            System.out.println("空");
        }
    }

    /**
     * 接收字节数组
     *
     * @param bytes 需要转换的字节数组
     * @return 返回
     */
    private static List<Node> getNodes(byte[] bytes) {
        //创建一个ArrayList
        List<Node> nodes = new ArrayList<>();
        //编译bytes 统计
        HashMap<Byte, Integer> hashMap = new HashMap<>();
        for (byte b : bytes) {
            Integer count = hashMap.get(b);
            if (count == null) {
                hashMap.put(b, 1);
            } else {
                hashMap.put(b, count + 1);
            }
        }
        //把每个键值对 转成一个Node对象
        for (Map.Entry<Byte, Integer> entry : hashMap.entrySet()) {
            nodes.add(new Node(entry.getKey(), entry.getValue()));
        }
        return nodes;
    }

    private static Node createHuffmanTree(List<Node> nodes) {
        while (nodes.size() > 1) {
            Collections.sort(nodes);
            Node left = nodes.get(0);
            Node right = nodes.get(1);
            //创建一个新的二叉树 没有根节点 只有权值
            Node parent = new Node(null, left.weight + right.weight);
            parent.left = left;
            parent.right = right;
            nodes.remove(left);
            nodes.remove(right);
            nodes.add(parent);
        }
        return nodes.get(0);
    }
}

//创建Node

class Node implements Comparable<Node> {
    //存放数据本身
    Byte data;
    //权值
    int weight;
    Node left;
    Node right;

    public Node(Byte data, int weight) {
        this.data = data;
        this.weight = weight;
    }

    @Override
    public int compareTo(Node o) {
        //从小到大
        return this.weight - o.weight;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Node{" +
                "data=" + data +
                ", weight=" + weight +
                '}';
    }

    //前序遍历
    public void preOrder() {
        System.out.println(this);
        if (this.left != null) {
            this.left.preOrder();
        }
        if (this.right != null) {
            this.right.preOrder();
        }
    }
}

测试

Node{data=null, weight=40}
Node{data=null, weight=17}
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