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利用C++实现哈夫曼算法2007-04-02 05:29:00

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                  我想每个计算机专业的学生或多或少都接触过哈夫曼编码,数据结构中的老问题了。大体就是给出一些字符,和这些字符的出现频率,让你为这些字符设 计 一个二进制编码,要求频率最高的字符的编码最短。解决的方法是构造一棵哈夫曼树(二叉树),其基本思路是,每次从这些字符中挑出两个频率最低 的, 然后构造一个新的结点,使新结点的左右孩子指针分别指向那两个节点。我想这个大家都很清楚了,我就不多说了。主要讲下这次我用C++实现时遇到 的问 题。首先,我定义了一个哈夫曼树结点: class hNode{ public:  friend bool operator > (hNode n1,hNode n2); //定义了大于符号,供优先队列排列使用  hNode(string d="",int i=0,hNode* l = NULL,hNode* r =NULL):left(l),right(r),data(d),value(i){}   hNode* left;  hNode* right;  string data; //储存的字符串  int value; //字符串出现的次数};bool operator >(hNode n1,hNode n2){ return n1.value > n2.value;}  因为只是算法课的小作业,所以我也不准备为hNode定义完整的二叉树操作,仅 仅只是存放数据的对象,所以只有一个构造函数,并且所有的data member都是公有的。  这此写这个算法会遇到大麻烦,主要因为是用了 std::priority_queue容器。当时考虑到在哈夫曼中要每次挑选两个频率最小(即出现次数最小,我那个hNode里的value是出现的次数),很自然的就想到了 std::priority_queue容器,优先队列每次都会弹出队列中权值最高的元素,这个特性无疑是实现哈夫曼算法的最佳选择。然而因为第一次用 std::priority_queue容器,结果出了不少问题,好在最后都一一解决,也学到了不少东西。  初步的设想是这样的,先把所有的hNode对象都 压入优先队列中去,然后每次弹出两个,组成一个新的结点,再把新的结点压入队列,重复这一步骤,当队列中只有一个元素时,哈夫曼树也就完成了。 像 这样:(是错的,可别学) while(...){ std::priority_queue<hNode> q; ..... hNode h1 = q.top(); q.pop(); hNode h2 = q.top(); q.pop(); hNode r; r.left = h1; r.right = h2; r.value = h1.value + h2.value; q.push(r);}  然而遭遇的第一个问题是,STL的所有容器的的插入都是基于by value语义的,也就是要生成 一 个对象的副本放在容器中。这样的后果就是hNode的left,right指针都指到不知道什么地方去了。大家可以稍微画几个图试一下,就知道出了什么问题了。 考 虑一下后,发现如果队列里存放hNode的指针,就不会出现这个问题了,于是改写成: hNode* makeTree(priority_queue<hNode*> pq){ hNode* p1 = NULL; hNode* p2 = NULL; hNode* r = NULL; while( !pq.empty()) {  p1 = pq.top();  pq.pop();  if (pq.empty())   {   r = p1;   return r;  }  p2 = pq.top();  pq.pop();  r =new hNode;  r->left = p1;  r->right = p2;  r->value = p1->value +p2->value;  pq.push(r); } return NULL;}  然而马上 遭遇了第二个问题。std::priority_queue在判断优先关系的时候,直接比较指针的地址, 而不是指针指向的对象的大小关系。而指针不是类,我没办法重写 指针的比较操作。程序陷入了困境之中。std::priority_queue默认使用Greater<>模板 来生成一个function object来对元素进行比较,我试图为 Greater<>写一个hNode*的特化版本来改变优先队列对hNode*的比较,然而也没有成功。山重 水复疑无路之时,突然想到为什么不直接为优先队列写 一个function object来替代Greater<>不就可以了吗?赶快写下如下代码: struct phNodeComp{ bool operator () (const hNode*& left,const hNode*& right) const {  return left->value > right->value; }};  然后把std::priority_queue的申明变为: priority_queue<hNode*,vector<hNode*>,phNodeComp > pq;  终于把这个问题给解决了。看样 子仅从书本上获得的知识是不牢靠的,一定要自己实践了才会有真正的认识 。

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