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怎么利用java语言实现一个哈夫曼压缩功能

发布时间：2020-11-25 16:57:24 作者：Leah
来源：亿速云 阅读：154

本篇文章给大家分享的是有关怎么利用java语言实现一个哈夫曼压缩功能，小编觉得挺实用的，因此分享给大家学习，希望大家阅读完这篇文章后可以有所收获，话不多说，跟着小编一起来看看吧。

哈夫曼压缩的原理：

通过统计文件中每个字节出现的频率,将8位的01串转换为位数较短的哈夫曼编码.

其中哈夫曼编码是根据文件中字节出现的频率构建的,其中出现频率越高的字节,其路径长度越短;

出现频率越低的字节其路径长度越长.从而达到压缩的目的.

如何构造哈夫曼树?

一.  定义字节类 

        我的字节类定义了一下属性   

   public int data;//节点数据 
public int weight;//该节点的权值 
public int point;//该节点所在的左右位置 0-左 1-右 
private NodeData parent;//父节点引用 
private NodeData left;//左节点引用 
private NodeData right;//右节点引用

二.建哈夫曼树

1.定义一个存储字节信息的数组: int array_Bytes[256]; 

  其中数组的下标[0,256)代表字节数值(一个字节8位,其值在[0,256)范围内);数组存储字节出现的次数.

2.遍历要压缩的文件,统计字节出现的次数. 

 InputStream data = new FileInputStream(path); 
 /******** 文件中字符个数 ********/ 
 int number = data.available(); 
 for (int i = 0; i < number; i++) { 
int b = data.read(); 
array_Bytes[b] ++; 
 } 
data.close();

3.将字节类对象存入优先队列

4.运用HashMap 构造码表

哈夫曼压缩代码如下:

1.字节类 

package compressFile; 
/** 
 * 节点数据 
 * 功能：定义数据，及其哈夫曼编码 
 * @author Andrew 
 * 
 */ 
public class NodeData { 
  public NodeData(){ 
     
  } 
  public int data;//节点数据 
  public int weight;//该节点的权值 
  public int point;//该节点所在的左右位置 0-左 1-右 
  private NodeData parent; 
  private NodeData left; 
  private NodeData right; 
   
  public int getData(){ 
    return data; 
  } 
  public NodeData getParent() { 
    return parent; 
  } 
  public void setParent(NodeData parent) { 
    this.parent = parent; 
  } 
  public NodeData getLeft() { 
    return left; 
  } 
  public void setLeft(NodeData left) { 
    this.left = left; 
  } 
  public NodeData getRight() { 
    return right; 
  } 
  public void setRight(NodeData right) { 
    this.right = right; 
  } 
}

2.统计字节的类，并生成码表 

package compressFile; 
 
import java.io.BufferedInputStream; 
import java.io.FileInputStream; 
import java.io.IOException; 
import java.io.InputStream; 
import java.util.ArrayList; 
import java.util.Comparator; 
import java.util.HashMap; 
import java.util.List; 
import java.util.Map; 
import java.util.PriorityQueue; 
 
 
 
/** 
 * 统计指定文件中每个字节数 功能：定义数组，将文件中的字节类型及个数写入数组 
 * 创建优先队列和哈夫曼树 
 * @author Andrew 
 * 
 */ 
public class StatisticBytes { 
 
   
  /** 
   * 第一步： 
   * 统计文件中字节的方法 
   * 
   * @param path 
   *      所统计的文件路径 
   * @return 字节个数数组 
   */ 
  private int[] statistic(String path) { 
    /******储存字节数据的数组--索引值代表字节类型-存储值代表权值******/ 
    int[] array_Bytes = new int[256]; 
    try { 
      InputStream data = new FileInputStream(path); 
      BufferedInputStream buffered = new BufferedInputStream(data); 
      /******** 文件中字符个数 ********/ 
      int number = data.available(); 
      System.out.println("字节个数》》》"+number); 
      for (int i = 0; i < number; i++) { 
        int b = data.read(); 
        array_Bytes[b] ++; 
      } 
       
      data.close(); 
    } catch (IOException e) { 
      e.printStackTrace(); 
    } 
    return array_Bytes; 
  } 
  /** 
   * 第二步： 
   * 根据统计的字节数组创建优先队列 
   * @param array 统计文件字节的数组 
   * @return    优先队列 
   */ 
  private PriorityQueue<NodeData> createQueue(int[] array){ 
    //定义优先队列，根据数据的权值排序从小到大 
    PriorityQueue<NodeData> queue =  
        new PriorityQueue<NodeData>(array.length,new Comparator<NodeData>(){ 
      public int compare(NodeData o1, NodeData o2) { 
        return o1.weight - o2.weight; 
      } 
    }); 
     
    for(int i=0; i<array.length; i++){ 
      if(0 != array[i]){ 
        NodeData node = new NodeData(); 
        node.data = i;//设置该节点的数据 
        node.weight = array[i];//设置该节点的权值 
        queue.add(node); 
      } 
    } 
    return queue; 
  } 
  /** 
   * 第三步： 
   * 根据优先队列创建哈夫曼树 
   * @param queue  优先队列  
   * @return     哈夫曼树根节点 
   */ 
  private NodeData createTree(PriorityQueue<NodeData> queue){ 
    while(queue.size() > 1){ 
       
      NodeData left = queue.poll();//取得左节点 
      NodeData right = queue.poll();//取得右节点 
       
      NodeData root = new NodeData();//创建新节点 
      root.weight = left.weight + right.weight; 
       
      root.setLeft(left); 
      root.setRight(right); 
      left.setParent(root); 
      right.setParent(root); 
       
      left.point = 0; 
      right.point = 1; 
       
      queue.add(root); 
    } 
    NodeData firstNode = queue.poll(); 
    return firstNode; 
  } 
  /** 
   * 第四步： 
   * 寻找叶节点并获得哈夫曼编码 
   * @param root  根节点 
   */ 
  private void achievehfmCode(NodeData root){ 
     
    if(null == root.getLeft() && null == root.getRight()){ 
      array_Str[root.data] = this.achieveLeafCode(root); 
      /** 
       * 
       * 得到将文件转换为哈夫曼编码后的文集长度 
       * 文件长度 = 一种编码的长度 * 该编码出现的次数 
       */ 
      WriteFile.size_File += (array_Str[root.data].length())*(root.weight); 
    } 
    if(null != root.getLeft()){ 
      achievehfmCode(root.getLeft()); 
    } 
    if(null != root.getRight()){ 
      achievehfmCode(root.getRight()); 
    } 
  } 
  /** 
   * 根据某叶节点获得该叶节点的哈夫曼编码 
   * @param leafNode  叶节点对象 
   */ 
  private String achieveLeafCode(NodeData leafNode){ 
    String str = ""; 
    /*****************存储节点 01 编码的队列****************/ 
    List<Integer> list_hfmCode = new ArrayList<Integer>(); 
    list_hfmCode.add(leafNode.point); 
    NodeData parent = leafNode.getParent(); 
     
    while(null != parent){ 
      list_hfmCode.add(parent.point); 
      parent = parent.getParent(); 
    } 
     
    int size = list_hfmCode.size(); 
    for(int i=size-2; i>=0; i--){ 
      str += list_hfmCode.get(i); 
    } 
    System.out.println(leafNode.weight+"的哈夫曼编码为>>>"+str); 
    return str; 
  } 
  /** 
   * 第五步： 
   * 根据获得的哈夫曼表创建 码表 
   * Integer 为字节byte [0~256) 
   * String 为哈夫曼编码 
   * @return 码表 
   */ 
  public Map<Integer,String> createMap(){ 
    int[] hfm_Codes = this.statistic("F:\\JAVA\\压缩前.txt");//获得文件字节信息 
    PriorityQueue<NodeData> queue = this.createQueue(hfm_Codes);//获得优先队列 
    /* 
     * 获得哈夫曼树的根节点， 
     * this.createTree(queue)方法调用之后(含有poll())，queue.size()=0 
     */ 
    NodeData root = this.createTree(queue); 
    this.achievehfmCode(root);//获得哈夫曼编码并将其存入数组中 
     
    Map<Integer,String> map = new HashMap<Integer,String>(); 
    for(int i=0; i<256; i++){ 
      if(null != array_Str[i]){ 
        map.put(i, array_Str[i]); 
      } 
    } 
    return map; 
  } 
  /** 
   * 存储字节哈夫曼编码的数组 
   * 下标：字节数据 
   * 元素：哈夫曼编码 
   */ 
  public String[] array_Str = new String[256]; 
}

3.将码表写入压缩文件并压缩正文 

package compressFile; 
 
import java.io.BufferedInputStream; 
import java.io.BufferedOutputStream; 
import java.io.DataOutputStream; 
import java.io.FileInputStream; 
import java.io.FileOutputStream; 
import java.io.IOException; 
import java.util.Iterator; 
import java.util.Map; 
import java.util.Set; 
 
/** 
 * 将码表和文件写入新的文件中 
 * @author Andrew 
 * 
 */ 
public class WriteFile { 
 
  // 实例化创建码表类对象 
  private StatisticBytes statistic = new StatisticBytes(); 
  private Map<Integer, String> map = statistic.createMap();// 获得码表 
  // 字节接收变量，接收哈夫曼编码连接够8位时转换的字节 
  private int exmpCode; 
  public static int size_File; 
 
  public static void main(String[] args) { 
    WriteFile writeFile = new WriteFile(); 
    writeFile.init(); 
  } 
 
  private void init() { 
 
    String filePath = "F:\\JAVA\\压缩后.txt"; 
    this.writeFile(filePath); 
  } 
 
  /** 
   * 第一步： 向文件中写入码表 
   * 
   * @param dataOut 
   *      基本数据流 
   */ 
  private void writeCodeTable(DataOutputStream dataOut) { 
    Set<Integer> set = map.keySet(); 
    Iterator<Integer> p = set.iterator(); 
 
    try { 
      //向文件中写入码表的长度 
      dataOut.writeInt(map.size()); 
      while (p.hasNext()) { 
        Integer key = p.next(); 
        String hfmCode = map.get(key); 
 
        dataOut.writeInt(key);//写入字节 
        //写入哈夫曼编码的长度 
        dataOut.writeByte(hfmCode.length()); 
        for(int i=0; i<hfmCode.length(); i++){ 
          dataOut.writeChar(hfmCode.charAt(i));//写入哈夫曼编码 
        } 
      } 
    } catch (IOException e) { 
      e.printStackTrace(); 
    } 
  } 
 
  /** 
   * 第二步： 向压缩文件中写入编码 
   * 
   * @param path 
   */ 
  private void writeFile(String path) { 
 
    try { 
      // 输入流 
      FileInputStream in = new FileInputStream("F:\\JAVA\\压缩前.txt"); 
      BufferedInputStream bIn = new BufferedInputStream(in); 
      // 输出流 
      FileOutputStream out = new FileOutputStream(path); 
      DataOutputStream dataOut = new DataOutputStream(out); 
      BufferedOutputStream bOut = new BufferedOutputStream(out); 
      // 向文件中写入码表 
      this.writeCodeTable(dataOut); 
      /********************写入补零个数*********************/ 
      if(0 != size_File % 8){ 
        dataOut.writeByte(8 - (size_File % 8)); 
      } 
       
      String transString = "";//中转字符串,存储字符串直到size大于8 
      String waiteString = "";//转化字符串, 
       
      int size_File = in.available(); 
      for(int i=0; i<size_File; i++){ 
        int j = bIn.read(); 
        System.out.println("]]]]]]]]]]]>>"); 
        waiteString = this.changeStringToByte(transString + statistic.array_Str[j]); 
        if(waiteString != ""){  
          bOut.write(exmpCode); 
          transString = waiteString; 
        }else{ 
          transString += statistic.array_Str[j]; 
        } 
      } 
      if("" != transString){ 
        int num = 8-transString.length()%8; 
        for(int i=0; i<num; i++){ 
          transString += 0; 
        } 
      } 
      transString = this.changeStringToByte(transString); 
      bOut.write(exmpCode); 
       
      bIn.close(); 
      bOut.flush(); 
      bOut.close(); 
      out.close(); 
    } catch (IOException e) { 
      e.printStackTrace(); 
    } 
  } 
 
  /** 
   * 附属第二步： 
   * 将字符串转化为byte 
   * 
   * @param str 
   *      要转化的字符串 
   * @return 如果str的长度大于8返回一个截取前8位后的str 
   *     否则返回"" 
   */ 
  private String changeStringToByte(String str) { 
    if (8 <= str.length()) { 
      exmpCode = ((str.charAt(0) - 48) * 128 
          + (str.charAt(1) - 48) * 64 + (str.charAt(2) - 48) * 32 
          + (str.charAt(3) - 48) * 16 + (str.charAt(4) - 48) * 8 
          + (str.charAt(5) - 48) * 4 + (str.charAt(6) - 48) * 2  
          + (str.charAt(7) - 48)); 
      str = str.substring(8); 
      return str; 
    } 
    return ""; 
  } 
}

二.哈夫曼解压 

   原理:将压缩的逆向，即你是如何压缩的就怎样去解压。相当于你根据自己定义的协议进行压缩与解压缩文件。

代码如下： 

package decompressionFile; 
 
import java.io.DataInputStream; 
import java.io.FileInputStream; 
import java.io.FileOutputStream; 
import java.io.IOException; 
import java.io.InputStream; 
import java.io.OutputStream; 
import java.util.ArrayList; 
import java.util.HashMap; 
import java.util.Iterator; 
import java.util.List; 
import java.util.Map; 
import java.util.Set; 
 
/** 
 * 解压文件 从压缩文件中读入数据解压 
 * 
 * @author Andrew 
 * 
 */ 
public class ReadFile { 
  /** 
   * 码表 Integter: 字节 [0,255) String： 哈夫曼编码 
   */ 
  private Map<Integer, String> code_Map = new HashMap<Integer, String>(); 
 
  public static void main(String[] args) { 
    ReadFile readFile = new ReadFile(); 
    readFile.readFile(); 
  } 
 
  /** 
   * 第一步： 从文件中读出码表 
   * 
   * @param dataInput 
   *      基本数据输入流 
   * 
   */ 
  private void readMap(DataInputStream dataInput) { 
 
    try { 
      // 读出码表的长度 
      int size_Map = dataInput.readInt(); 
      /**************** 读出码表信息 ************************************/ 
      for (int i = 0; i < size_Map; i++) { 
        int data = dataInput.readInt();// 读入字节信息 
        String str = "";// 哈夫曼编码 
        // 哈夫曼编码长度,存储时以字符写入 
        byte codeSize = dataInput.readByte(); 
        for (byte j = 0; j < codeSize; j++) { 
          str += dataInput.readChar(); 
        } 
        System.out.println("&&&&&&&&&&>>>>"+data+"!!!!!!!>>"+str); 
        code_Map.put(data, str); 
      } 
      /***************************************************************/ 
    } catch (IOException e) { 
      e.printStackTrace(); 
    } 
  } 
 
  /** 
   * 第二步： 解压正式文件 
   */ 
  private void readFile() { 
    try { 
      // 文件输入流 
      InputStream input = new FileInputStream("F:\\JAVA\\压缩后.txt"); 
      // BufferedInputStream bIn = new BufferedInputStream(input); 
      DataInputStream dInput = new DataInputStream(input); 
      // 调用读出码表的方法 
      this.readMap(dInput); 
      byte zerofill = dInput.readByte();// 读出文件补零个数 
      System.out.println("补零个数》》》>>>>"+zerofill); 
      // 文件输出流 
      OutputStream out = new FileOutputStream("F:\\JAVA\\解压后.txt"); 
       
      String transString = "";//接收用于匹配码表中哈夫曼编码的字符串 
      String waiteString = "";//接收截取哈夫曼编码后剩余的字符串 
       
      /***********************************不耗内存的方法*****************************************/ 
      int readCode = input.read();//从压缩文件中读出一个数据 
      int size = input.available(); 
      for(int j=0; j<=size; j++){ 
        System.out.println("readCodereadCodereadCode》》>>>>"+readCode); 
        waiteString += this.changeIntToBinaryString(readCode);//将读到的整数转化为01字符串 
        for(int i=0; i<waiteString.length(); i++){ 
          //将从文件中读出的01串一个一个字节的截取添加与码表中的哈夫曼编码比较 
          transString += waiteString.charAt(i); 
          if(this.searchHC(transString, out)){ 
//           waiteString = waiteString.substring( i+1 ); 
            transString = ""; 
          } 
        } 
        waiteString = ""; 
        readCode = input.read(); 
        if(j == size-1){ 
          break; 
        } 
      } 
      /************************************处理最后一个字***************************************/ 
//     int lastByte = input.read(); 
      String lastWord = this.changeIntToBinaryString(readCode); 
      waiteString = transString + lastWord.substring(0, 8-zerofill); 
      transString = ""; 
      for(int i=0; i<waiteString.length(); i++){ 
        //将从文件中读出的01串一个一个字节的截取添加与码表中的哈夫曼编码比较 
        transString += waiteString.charAt(i); 
        if(this.searchHC(transString, out)){ 
//         waiteString = waiteString.substring( i+1 ); 
          transString = ""; 
        } 
      } 
//     this.searchHC(transString, out); 
      /***********************************队列法，耗内存****************************************/ 
//     int readCode = input.read();//从压缩文件中读出一个数据 
//     List<Character> list = new ArrayList<Character>(); 
//     while(-1 != readCode){ 
//       String str = this.changeIntToBinaryString(readCode); 
//       for(int i=0; i<str.length(); i++){ 
//         list.add(str.charAt(i)); 
//       } 
//       readCode = input.read(); 
//     } 
//     for(int j=0; j<list.size()-zerofill; j++){ 
//       transString += list.get(j); 
//       if(this.searchHC(transString, out)){ 
//         transString = ""; 
//       } 
//     } 
      /*****************************************************************************************/ 
      input.close(); 
      out.close(); 
    } catch (IOException e) { 
      e.printStackTrace(); 
    } 
  } 
  /** 
   * 将从文件中读到的01 串与码表中的哈夫曼编码比较 
   * 若在码表中含有与之对应的哈夫曼编码则将码表中对应的 
   * 数据写入解压文件，否则不写入 
   * @param str 从文件中读到的01 字符串 
   * @param out 文件输出流 
   * @return   若写入文件返回true，否则返回false 
   * @throws IOException 写入发生错误时抛出异常 
   */ 
  private boolean searchHC(String str, OutputStream out) throws IOException{ 
    Set<Integer> set = code_Map.keySet(); 
    Iterator<Integer> p = set.iterator(); 
    while (p.hasNext()) { 
      Integer key = p.next();//获得码表中的字节数据 
      String hfmCode = code_Map.get(key);//获得哈夫曼编码 
      if(hfmCode.equals(str)){ 
        out.write(key); 
        return true; 
      } 
    } 
    return false; 
  } 
  /** 
   * 根据 "除2取余，逆序排列"法 
   * 将十进制数字转化为二进制字符串 
   * @param a  要转化的数字 
   * @return  01 字符串 
   */ 
  private String changeIntToBinaryString(int a) { 
    int b = a; 
    int count = 0; //记录 a 可转化为01串的个数，在不够8为时便于补零 
    String str = "";// 逆序二进制字符串 
    String exmpStr = "";// 顺序二进制字符串 
 
    while (a != 0) { 
      b = a/2; 
      if (a % 2 != 0) { 
        str += 1; 
      } else { 
        str += 0; 
      } 
      a = b; 
      count++; 
    } 
    //不够8位的地方补零 
    for (int i = 0; i < 8 - count; i++) { 
      str += 0; 
    } 
    //将转化后的二进制字符串正序 
    for (int j = 7; j >= 0; j--) { 
      System.out.print(str.charAt(j)); 
      exmpStr += str.charAt(j); 
    } 
    System.out.println("转化后的字符串>>>>>>>>>"+exmpStr); 
    return exmpStr; 
  } 
}

以上就是怎么利用java语言实现一个哈夫曼压缩功能，小编相信有部分知识点可能是我们日常工作会见到或用到的。希望你能通过这篇文章学到更多知识。更多详情敬请关注亿速云行业资讯频道。

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java 哈夫曼压缩 ava

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