### 数据结构设计——哈夫曼编译码系统的设计与实现
#### 一、需求分析
1. **问题描述**
哈夫曼编码是一种基于字符出现频率的压缩编码技术，能够有效提高通信效率，减少数据传输的时间和成本。为了在发送端对原始数据进行编码并在接收端解码，需设计一个完整的哈夫曼编译码系统。
2. **基本要求**
- **初始化（Initialization）**：从文件读取字符及其权值，构建哈夫曼树。
- **编码（Encoding）**：使用构建好的哈夫曼树对文本进行编码，并将编码后的报文写入文件。
- **译码（Decoding）**：利用已构建的哈夫曼树对编码报文进行解码，并将解码结果保存至文件。
- **输出（Output）**：输出字符及其频率（或概率）、编码后的报文以及解码后的原文。
#### 二、概要设计
1. **数据结构**
- 使用结构体`HTNode`表示哈夫曼树节点。
- 使用二维数组`HuffmanCode`存储字符的哈夫曼编码。
2. **程序模块**
- **功能函数模块**：负责实现编码、解码等核心功能。
- **主函数模块**：用于启动程序、调用功能函数等。
3. **系统子程序及功能设计**
- `intmin1`：进行数值比较。
- `select`：寻找权值最小的两个节点。
- `HuffmanCoding`：根据输入的字符权重构造哈夫曼树，并计算哈夫曼编码。
- `Initialization`：初始化哈夫曼树。
- `EnCoding`：对文本进行编码并写入文件。
- `pipei`：查找对应的哈夫曼编码。
- `Decoding`：对编码进行解码并写入文件。
4. **各模块之间的调用关系以及算法设计**
- 主函数依次调用`Initialization`、`EnCoding`和`Decoding`。
- `HuffmanCoding`调用`select`进行树节点的选择。
- `select`内部调用`intmin1`进行数值比较。
- `Initialization`调用`HuffmanCoding`构建哈夫曼树。
- `Decoding`调用`pipei`进行编码匹配。
#### 三、详细设计
1. **数据类型定义**
```c
typedef struct {
unsigned int weight;
unsigned int parent, lchild, rchild;
char ch;
} HTNode, *HuffmanTree;
typedef char** HuffmanCode;
```
2. **系统主要子程序详细设计**
- **构造哈夫曼树HT,并求出n个字符的赫夫曼编码HC**
```c
void HuffmanCoding(HuffmanTree* HT, HuffmanCode* HC, int* w, char* u, int n) {
/* 构造赫夫曼树 */
int m = 2 * n - 1;
*HT = (HuffmanTree)malloc((m + 1) * sizeof(HTNode));
for (int i = 1; i <= n; ++i) {
(*HT)[i].ch = u[i - 1];
(*HT)[i].weight = w[i - 1];
(*HT)[i].parent = (*HT)[i].lchild = (*HT)[i].rchild = 0;
}
for (int i = n + 1; i <= m; ++i) {
int s1, s2;
select(*HT, i - 1, &s1, &s2);
(*HT)[s1].parent = (*HT)[s2].parent = i;
(*HT)[i].lchild = s1;
(*HT)[i].rchild = s2;
(*HT)[i].weight = (*HT)[s1].weight + (*HT)[s2].weight;
}
}
```
该子程序首先创建一个足够大的哈夫曼树空间，然后根据输入的字符及其权重构造哈夫曼树。在此过程中，使用`select`函数来寻找权值最小的两个节点，并将它们作为新节点的左右子节点，重复此过程直至所有节点都被处理完毕，从而完成哈夫曼树的构建。此外，还需实现编码和解码功能的具体细节，包括编码规则的生成与应用、解码过程中的编码匹配等。
- **初始化（Initialization）**
初始化模块主要负责从文件中读取字符及其权值，并构建哈夫曼树。这一过程为后续的编码和解码操作提供必要的数据结构支持。
- **编码（Encoding）**
编码模块根据已构建的哈夫曼树，将原始文本转换为二进制编码形式。编码规则依据每个字符在哈夫曼树中的路径确定，左分支通常被赋予“0”，右分支被赋予“1”。最终形成的编码字符串将被写入指定的文件中。
- **译码（Decoding）**
译码模块则负责将编码字符串重新转换回原始文本。这一过程依赖于之前构建的哈夫曼树，通过对编码字符串进行逐位解析，确定每个字符对应的编码，并据此恢复出原始数据。
#### 结论
哈夫曼编译码系统的构建涉及了数据结构的设计与实现、编码算法的开发等多个方面。通过以上设计与实现，可以有效地完成数据的压缩与解压任务，显著提升数据通信的效率和质量。
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