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哈夫曼树(赫夫曼树、最优树)及C语言实现.docx
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2023-11-10
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哈夫曼树的构建
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哈夫曼树(赫夫曼树、最优树)及 C 语言实现
赫夫曼树,别名“哈夫曼树”、“最优树”以及“最优二叉树”。学习哈夫曼树之前,首
先要了解几个名词。
哈夫曼树相关的几个名词
路径:在一棵树中,一个结点到另一个结点之间的通路,称为路径。图 1 中,从根结点到
结点 a 之间的通路就是一条路径。
路径长度:在一条路径中,每经过一个结点,路径长度都要加 1 。例如在一棵树中,规
定根结点所在层数为 1 层,那么从根结点到第 i 层结点的路径长度为 i - 1 。图 1 中从
根结点到结点 c 的路径长度为 3。
结点的权:给每一个结点赋予一个新的数值,被称为这个结点的权。例如,图 1 中结点
a 的权为 7,结点 b 的权为 5。
结点的带权路径长度:指的是从根结点到该结点之间的路径长度与该结点的权的乘积。例
如,图 1 中结点 b 的带权路径长度为 2 * 5 = 10 。
树的带权路径长度为树中所有叶子结点的带权路径长度之和。通常记作 “WPL” 。例如
图 1 中所示的这颗树的带权路径长度为:
WPL = 7 * 1 + 5 * 2 + 2 * 3 + 4 * 3
图 1 哈夫曼树
什么是哈夫曼树
当用 n 个结点(都做叶子结点且都有各自的权值)试图构建一棵树时,如果构建的这棵
树的带权路径长度最小,称这棵树为“最优二叉树”,有时也叫“赫夫曼树”或者“哈夫
曼树”。
在构建哈弗曼树时,要使树的带权路径长度最小,只需要遵循一个原则,那就是:权重越
大的结点离树根越近。在图 1 中,因为结点 a 的权值最大,所以理应直接作为根结点的
孩子结点。
构建哈夫曼树
对于给定的有各自权值的 n 个结点,构建哈夫曼树有一个行之有效的办法:
1. 在 n 个权值中选出两个最小的权值,对应的两个结点组成一个新的二叉树,且新二叉树
的根结点的权值为左右孩子权值的和;
2. 在原有的 n 个权值中删除那两个最小的权值,同时将新的权值加入到 n–2 个权值的行列
中,以此类推;
3. 重复 1 和 2 ,直到所以的结点构建成了一棵二叉树为止,这棵树就是哈夫曼树。
图 2 哈夫曼树的构建过程
图 2 中,(A)给定了四个结点 a,b,c,d,权值分别为 7,5,2,4;第一步如(B)
所示,找出现有权值中最小的两个,2 和 4 ,相应的结点 c 和 d 构建一个新的二叉
树,树根的权值为 2 + 4 = 6,同时将原有权值中的 2 和 4 删掉,将新的权值 6 加
入;进入(C),重复之前的步骤。直到(D)中,所有的结点构建成了一个全新的二叉
树,这就是哈夫曼树。
哈弗曼树中结点结构
构建哈夫曼树时,首先需要确定树中结点的构成。由于哈夫曼树的构建是从叶子结点开
始,不断地构建新的父结点,直至树根,所以结点中应包含指向父结点的指针。但是在使
用哈夫曼树时是从树根开始,根据需求遍历树中的结点,因此每个结点需要有指向其左孩
子和右孩子的指针。
所以,哈夫曼树中结点构成用代码表示为:
1. //哈夫曼树结点结构
2. typedef struct {
3. int weight;//结点权重
4. int parent, left, right;//父结点、左孩子、右孩子在数组中的位置下标
5. }HTNode, *HuffmanTree;
哈弗曼树中的查找算法
构建哈夫曼树时,需要每次根据各个结点的权重值,筛选出其中值最小的两个结点,然后
构建二叉树。
查找权重值最小的两个结点的思想是:从树组起始位置开始,首先找到两个无父结点的结
点(说明还未使用其构建成树),然后和后续无父结点的结点依次做比较,有两种情况需
要考虑:
� 如果比两个结点中较小的那个还小,就保留这个结点,删除原来较大的结点;
� 如果介于两个结点权重值之间,替换原来较大的结点;
实现代码:
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