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重回压缩

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之前用Huffman编码做过一个压缩小程序。当时的Huffman树半自适应的,需要对源文件扫描两遍。这次是完全自适应的,只需要对源文件扫描一次就可以生成压缩文件,并且压缩文件中不会含编码表。具体关于原理的东西实在网上搜的文档(附件中有),C++的源代码网上也有。

以下是我的代码:(代码有错,代码有错,我是按那个文档并且参照C++的源代码做的,杯具杯具,路漫漫……)

package cn.cls.greedy;

import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileNotFoundException;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;

import javax.print.DocFlavor.CHAR_ARRAY;

import cn.cls.bean.HNode;

public class Huffman {

	// 常量--------------------------------------------------------------
	/**
	 * 编码的最大值
	 */
	private final int MAX_VALUE = 255;

	/**
	 * 首次出现数据的代替码
	 */
	private final int CODE_ESCAPE = 256;

	/**
	 * 用于扩展新节点
	 */
	private final int CODE_EXTAND = 257;

	/**
	 * 节点列表的大小
	 */
	private final int LIST_LENGTH = 258;

	/**
	 * 非叶子节点
	 */
	private final int NOT_DATA = -1;

	/**
	 * 字节最低位
	 */
	private final int BOTTOM_BIT = 0;

	/**
	 * 字节最高位
	 */
	private final int TOP_BIT = 7;

	/**
	 * 输出缓存区的大小
	 */
	private final int BUFFER_SIZE = 10240;

	/**
	 * 节点初始count值的左移量(加倍)
	 */
	private final int INIT_RATIO = 2;

	/**
	 * 每次重构树是节点count值右移量(减小)
	 */
	private final int SHRINK_RATIO = 1;

	// 变量--------------------------------------------------------------
	/**
	 * 源文件、目标文件
	 */
	private File src, des;

	/**
	 * 文件输入、输出流
	 */
	private FileInputStream ins;
	private FileOutputStream ous;

	/**
	 * 树的根节点、解压时当前指向的节点
	 */
	private HNode root, current;

	/**
	 * 输出流位指针、缓冲区指针
	 */
	private int bit_pointer, buffer_pointer;

	/**
	 * 输出缓冲区
	 */
	private byte[] outputBuffer;

	/**
	 * 节点列表
	 */
	private HNode[] list;

	// 构造器、初始化-------------------------------------------------------
	public Huffman(File src, File des) {

		this.src = src;
		this.des = des;
	}

	/**
	 * 初始化
	 */
	public int init() {

		// 初始化文件输入、输出流
		try {
			ins = new FileInputStream(src);
			ous = new FileOutputStream(des);
		} catch (FileNotFoundException e) {
			e.printStackTrace();
			return -1;
		}

		// 初始化节点列表
		list = new HNode[LIST_LENGTH];
		for (int i = 0; i < list.length; i++)
			list[i] = null;

		// 初始化树
		HNode tmp, tmp2;
		root = newHNode(NOT_DATA, true, null);
		tmp = newHNode(CODE_ESCAPE, false, root);
		tmp2 = newHNode(CODE_EXTAND, true, root);
		root.lchild = tmp2;
		root.rchild = tmp;
		root.count = tmp.count + tmp2.count;
		current = root;
		
		// 初始化输出缓存区
		outputBuffer = new byte[BUFFER_SIZE];
		outputBuffer[0] = 0;
		buffer_pointer = 0;
		bit_pointer = TOP_BIT;

		return 0;
	}

	// 外部接口-----------------------------------------------------------
	/**
	 * 读取源文件并压缩
	 * 
	 * @return 0:操作成功
	 */
	public int encode() {

		// 初始化
		if (init() == -1) {
			return -1;
		}

		// 初始化输入缓存区
		int[] buffer = new int[BUFFER_SIZE];

		// 循环读取入缓存区
		int available = 0;
		try {
			while ((available = ins.available()) > 0) {
				// 如果剩余字节不足以填满缓存区,则新建最小缓存区
				if (available < BUFFER_SIZE) {
					buffer = new int[available];
				}

				// 读入缓存区
				int tmp;
				for (int i = 0; i < buffer.length; i++) {
					tmp = ins.read();
					buffer[i] = (tmp > 0) ? tmp : (tmp + 256);
				}

				// 对缓存区的数据编码
				int data;
				for (int i = 0; i < buffer.length; i++) {
					data = buffer[i];
					/*
					 * 如果该数据不在树中,则输出CODE_ESCAPE对应的编码(其实就是1),输出数据
					 * 并且在树中新建该字符的节点;如果在数据已存在与树中,则输出其对应的编码,
					 * 而且由于对树节点自底向上count加一,还需要对树进行必要的调整。
					 */
					if (list[data] == null) {
						encodeData(CODE_ESCAPE);
						for (int j = 7; j > 0; j--)
							writeBit(data & (int) Math.pow(2, j));
						enlargeHTree(data);
					} else {
						encodeData(data);
						balanceHTree(list[data].parent);
					}
					/*
					 * 对树进行瘦身,这一步是不要的,可以使你的压缩文件更小
					 * (源文件越大,效果越明显。但如果源文件数据变态,也不一定的哦!)
					 */
					shrinkHTree();
				}
			}
			flush();
		} catch (IOException e) {
			e.printStackTrace();
			return -1;
		}

		return 0;
	}

	/**
	 * 读取压缩文件并压缩
	 * 
	 * @return 0:操作成功
	 */
	public int decode() {

		return 0;
	}

	// 输入输出------------------------------------------------------------
	/**
	 * 输出一位,如果缓存区满了,就输出到文件
	 * 
	 * @param bit
	 *            位数据
	 * @return 0:操作成功
	 */
	private int writeBit(int bit) {

		// 写入一位数据
		if (bit != 0)
			outputBuffer[buffer_pointer] |= (int) Math.pow(2, bit_pointer);

		// 位指针向低位移动
		bit_pointer--;

		// 如果位指针越过字节最低位,则回归最高位,同时将缓冲区指针向后移动
		if (bit_pointer < BOTTOM_BIT) {
			bit_pointer = TOP_BIT;
			buffer_pointer++;

			// 如果缓存区指针越过缓存区,则输出缓存区,指针归零,清零缓存区第一个字节
			if (buffer_pointer == BUFFER_SIZE) {
				try {
					ous.write(outputBuffer);
					ous.flush();
				} catch (IOException e) {
					e.printStackTrace();
					return -1;
				}
				buffer_pointer = 0;
				outputBuffer[0] = 0;
			}

			// 清零缓存区下一字节
			outputBuffer[buffer_pointer] = 0;
		}

		return 0;
	}

	/**
	 * 输出缓存区
	 */
	private void flush() {
		try {
			ous.write(outputBuffer, 0, buffer_pointer);
			ous.flush();
		} catch (IOException e) {
			e.printStackTrace();
		}
	}

	/**
	 * 自底向上遍历树,并将编码输出
	 * 
	 * @param data
	 *            数据
	 * @return 0:操作成功
	 */
	private int encodeData(int data) {

		if (data > CODE_ESCAPE) {
			System.out.println("编码时遇到未知数据!");
			return -1;
		}

		// 自底向上编码,并输出
		HNode tmp = list[data];
		do {
			writeBit((tmp.isleft ? 0 : 1));
			tmp.count++;
		} while ((tmp = tmp.parent) != root);

		return 0;
	}

	// 树操作------------------------------------------------------------
	/**
	 * 新建一个节点,并指定其父节点;同时初始化节点的count,并将节点放入节点列表
	 * 
	 * @param data
	 *            节点数据
	 * @param isleft
	 *            true:左节点
	 * @param parent
	 *            父节点
	 * @return 新建的节点
	 */
	private HNode newHNode(int data, boolean isleft, HNode parent) {

		HNode tmp = new HNode();
		tmp.data = data;
		tmp.isleft = isleft;
		tmp.parent = parent;

		// 对编码数据count赋初始值
		if (data <= MAX_VALUE)
			tmp.count = (int) Math.pow(2, INIT_RATIO) - 1;

		// 加入叶节点列表
		if (data != NOT_DATA)
			list[data] = tmp;

		return tmp;
	}

	/**
	 * 当出现的数据是树中没有的数据时,扩展树
	 * 
	 * @param data
	 *            节点数据
	 * @return 0:操作成功
	 */
	private int enlargeHTree(int data) {

		// 取出扩展节点
		HNode tmp = list[CODE_EXTAND].parent;

		// 生成非叶子节点,以扩展节点的父节点为父节点;将扩展节点接到此节点后
		HNode tmp2 = newHNode(NOT_DATA, true, tmp);
		tmp.lchild = tmp2;
		tmp2.lchild = list[CODE_EXTAND];
		list[CODE_EXTAND].parent = tmp2;

		// 生成数据节点,此节点为扩展节点的兄弟节点
		tmp = newHNode(data, false, tmp2);
		tmp2.rchild = tmp;

		// 自底向上调整count
		tmp2.count = 0;
		int tmp3 = tmp.count;
		do {
			tmp2.count += tmp3;
		} while ((tmp2 = tmp2.parent) != root);

		// 调整树
		balanceHTree(tmp.parent);

		return 0;
	}

	/**
	 * 当计数器由某个根节点的更新到根节点后,需要考虑调整部分树节点
	 * 
	 * @param node
	 *            调整的范围是node的父节点到node的子节点,深度范围为3
	 * @return 0:操作成功
	 */
	private int balanceHTree(HNode node) {

		HNode parent = node.parent;

		// 如果父节点为根节点则不调整
		if (parent == root) {
			return 0;
		}

		// 找出node的兄弟节点
		HNode brother = node.isleft ? parent.rchild : parent.lchild;

		// 找出node下count较大的子节点
		HNode child = node.lchild.count > node.rchild.count ? node.lchild
				: node.rchild;

		// 如果node的兄弟节点的count小于child的count,则交换
		if (child.count > parent.count - brother.count) {
			boolean isleft = child.isleft;
			if (node.isleft) {
				parent.rchild = child;
				child.isleft = false;
			} else {
				parent.lchild = child;
				child.isleft = true;
			}
			if (isleft) {
				node.lchild = brother;
				brother.isleft = true;
			} else {
				node.rchild = brother;
				brother.isleft = false;
			}
		}
		
		// 递归向上调整
		balanceHTree(parent);
		
		return 0;
	}

	/**
	 * 为了是树尽可能的小(编码尽可能的短),对树进行瘦身是必要的,删除出现频率很小的节点
	 * 
	 * @return 0:操作成功
	 */
	private int shrinkHTree() {
		
		HNode tmp, parent, brother;
		// 将所有数据节点count减倍,删除count为零的节点
		for (int i = 0; i <= MAX_VALUE; i++) {
			tmp = list[i];
			if (tmp!=null) {
				tmp.count >>= SHRINK_RATIO;
				if (tmp.count==0) {
					
					parent = tmp.parent;
					
					if (tmp.isleft) {
						brother = parent.rchild;
					} else {
						brother = parent.lchild;
					}

					brother.parent = parent.parent;
					if (parent.isleft) {
						parent.parent.lchild = brother;
						brother.isleft = true;
					} else {
						tmp.parent.rchild = brother;
						brother.isleft = false;
					}
			
					tmp = null;
					parent = null;
					list[i] = null;
				}
			}
		}
		
		return 0;
	}
}

 

Hnode:

package cn.cls.bean;

public class HNode {

		public int data;          //数据
		public int count;         //频率
		public HNode parent;      //父节点
		public HNode lchild;      //左子节点
		public HNode rchild;      //右子节点
		public boolean isleft;    //0为左节点,1为右节点
}

 

最后说明一下,解压的方法还没写,稍等,1h以后在下一篇日志里见。。。

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