C#，哈夫曼编码（Huffman Code）压缩（Compress ）与解压缩（Decompress）算法与源代码

 David A. Huffman

1 哈夫曼编码简史（Huffman code）

1951年，哈夫曼和他在MIT信息论的同学需要选择是完成学期报告还是期末考试。导师Robert M. Fano给他们的学期报告的题目是，寻找最有效的二进制编码。由于无法证明哪个已有编码是最有效的，哈夫曼放弃对已有编码的研究，转向新的探索，最终发现了基于有序频率二叉树编码的想法，并很快证明了这个方法是最有效的。由于这个算法，学生终于青出于蓝，超过了他那曾经和信息论创立者香农共同研究过类似编码的导师。哈夫曼使用自底向上的方法构建二叉树，避免了次优算法Shannon-Fano编码的最大弊端──自顶向下构建树。
1952年，David A. Huffman在麻省理工攻读博士时发表了《一种构建极小多余编码的方法》，一文，它一般就叫做Huffman编码。A Method for the Construction of Minimum-Redundancy Codesicon-default.png?t=N7T8https://www.ias.ac.in/article/fulltext/reso/011/02/0091-0099
Huffman在1952年根据香农（Shannon）在1948年和范若（Fano）在1949年阐述的这种编码思想提出了一种不定长编码的方法，也称霍夫曼（Huffman）编码。霍夫曼编码的基本方法是先对图像数据扫描一遍，计算出各种像素出现的概率，按概率的大小指定不同长度的唯一码字，由此得到一张该图像的霍夫曼码表。编码后的图像数据记录的是每个像素的码字，而码字与实际像素值的对应关系记录在码表中。

2 赫夫曼编码

赫夫曼编码是可变字长编码(VLC)的一种。 Huffman于1952年提出一种编码方法，该方法完全依据字符出现概率来构造异字头的平均长 度最短的码字，有时称之为最佳编码，一般就称Huffman编码。下面引证一个定理，该定理保证了按字符出现概率分配码长，可使平均码长最短。

3 源程序

using System;
using System.IO;
using System.Text;
using System.Linq;
using System.Collections;
using System.Collections.Generic;

namespace Legalsoft.Truffer.Algorithm
{
    /// <summary>
    /// 哈夫曼编码的压缩与解压缩
    /// </summary>
    public class HuffmanCompressor
    {
        private HuffmanNode oRootHuffmanNode { get; set; } = null;
        private List<HuffmanNode> oValueHuffmanNodes { get; set; } = null;

        private List<HuffmanNode> BuildBinaryTree(string Value)
        {
            List<HuffmanNode> oHuffmanNodes = GetInitialNodeList();

            Value.ToList().ForEach(m => oHuffmanNodes[m].Weight++);

            oHuffmanNodes = oHuffmanNodes
                .Where(m => (m.Weight > 0))
                .OrderBy(m => (m.Weight))
                .ThenBy(m => (m.Value))
                .ToList();

            oHuffmanNodes = UpdateNodeParents(oHuffmanNodes);

            oRootHuffmanNode = oHuffmanNodes[0];
            oHuffmanNodes.Clear();

            SortNodes(oRootHuffmanNode, oHuffmanNodes);

            return oHuffmanNodes;
        }

        public void Compress(string FileName)
        {
            FileInfo oFileInfo = new FileInfo(FileName);

            if (oFileInfo.Exists == true)
            {
                string sFileContents = "";

                using (StreamReader oStreamReader = new StreamReader(File.OpenRead(FileName)))
                {
                    sFileContents = oStreamReader.ReadToEnd();
                }

                List<HuffmanNode> oHuffmanNodes = BuildBinaryTree(sFileContents);

                oValueHuffmanNodes = oHuffmanNodes
                    .Where(m => (m.Value.HasValue == true))
                    .OrderBy(m => (m.BinaryWord))
                    .ToList();

                Dictionary<char, string> oCharToBinaryWordDictionary = new Dictionary<char, string>();
                foreach (HuffmanNode oHuffmanNode in oValueHuffmanNodes)
                {
                    oCharToBinaryWordDictionary.Add(oHuffmanNode.Value.Value, oHuffmanNode.BinaryWord);
                }

                StringBuilder oStringBuilder = new StringBuilder();
                List<byte> oByteList = new List<byte>();
                for (int i = 0; i < sFileContents.Length; i++)
                {
                    string sWord = "";

                    oStringBuilder.Append(oCharToBinaryWordDictionary[sFileContents[i]]);

                    while (oStringBuilder.Length >= 8)
                    {
                        sWord = oStringBuilder.ToString().Substring(0, 8);

                        oStringBuilder.Remove(0, sWord.Length);
                    }

                    if (String.IsNullOrEmpty(sWord) == false)
                    {
                        oByteList.Add(Convert.ToByte(sWord, 2));
                    }
                }

                if (oStringBuilder.Length > 0)
                {
                    string sWord = oStringBuilder.ToString();

                    if (String.IsNullOrEmpty(sWord) == false)
                    {
                        oByteList.Add(Convert.ToByte(sWord, 2));
                    }
                }

                string sCompressedFileName = Path.Combine(oFileInfo.Directory.FullName, String.Format("{0}.compressed", oFileInfo.Name.Replace(oFileInfo.Extension, "")));
                if (File.Exists(sCompressedFileName) == true)
                {
                    File.Delete(sCompressedFileName);
                }

                using (FileStream oFileStream = File.OpenWrite(sCompressedFileName))
                {
                    oFileStream.Write(oByteList.ToArray(), 0, oByteList.Count);
                }
            }
        }

        public void Decompress(string FileName)
        {
            FileInfo oFileInfo = new FileInfo(FileName);

            if (oFileInfo.Exists == true)
            {
                string sCompressedFileName = String.Format("{0}.compressed", oFileInfo.FullName.Replace(oFileInfo.Extension, ""));

                byte[] oBuffer = null;
                using (FileStream oFileStream = File.OpenRead(sCompressedFileName))
                {
                    oBuffer = new byte[oFileStream.Length];
                    oFileStream.Read(oBuffer, 0, oBuffer.Length);
                }

                HuffmanNode oZeroHuffmanNode = oRootHuffmanNode;
                while (oZeroHuffmanNode.Left != null)
                {
                    oZeroHuffmanNode = oZeroHuffmanNode.Left;
                }

                HuffmanNode oCurrentHuffmanNode = null;
                StringBuilder oStringBuilder = new StringBuilder();

                for (int i = 0; i < oBuffer.Length; i++)
                {
                    string sBinaryWord = "";
                    byte oByte = oBuffer[i];

                    if (oByte == 0)
                    {
                        sBinaryWord = oZeroHuffmanNode.BinaryWord;
                    }
                    else
                    {
                        sBinaryWord = Convert.ToString(oByte, 2);
                    }

                    if ((sBinaryWord.Length < 8) && (i < (oBuffer.Length - 1)))
                    {
                        StringBuilder oBinaryStringBuilder = new StringBuilder(sBinaryWord);
                        while (oBinaryStringBuilder.Length < 8)
                        {
                            oBinaryStringBuilder.Insert(0, "0");
                        }

                        sBinaryWord = oBinaryStringBuilder.ToString();
                    }

                    for (int j = 0; j < sBinaryWord.Length; j++)
                    {
                        char cValue = sBinaryWord[j];

                        if (oCurrentHuffmanNode == null)
                        {
                            oCurrentHuffmanNode = oRootHuffmanNode;
                        }

                        if (cValue == '0')
                        {
                            oCurrentHuffmanNode = oCurrentHuffmanNode.Left;
                        }
                        else
                        {
                            oCurrentHuffmanNode = oCurrentHuffmanNode.Right;
                        }

                        if ((oCurrentHuffmanNode.Left == null) && (oCurrentHuffmanNode.Right == null))
                        {
                            oStringBuilder.Append(oCurrentHuffmanNode.Value.Value);
                            oCurrentHuffmanNode = null;
                        }
                    }
                }

                string sUncompressedFileName = Path.Combine(oFileInfo.Directory.FullName, String.Format("{0}.uncompressed", oFileInfo.Name.Replace(oFileInfo.Extension, "")));

                if (File.Exists(sUncompressedFileName) == true)
                {
                    File.Delete(sUncompressedFileName);
                }

                using (StreamWriter oStreamWriter = new StreamWriter(File.OpenWrite(sUncompressedFileName)))
                {
                    oStreamWriter.Write(oStringBuilder.ToString());
                }
            }
        }

        private static List<HuffmanNode> GetInitialNodeList()
        {
            List<HuffmanNode> oGetInitialNodeList = new List<HuffmanNode>();

            for (int i = Char.MinValue; i < Char.MaxValue; i++)
            {
                oGetInitialNodeList.Add(new HuffmanNode((char)(i)));
            }

            return oGetInitialNodeList;
        }

        private static void SortNodes(HuffmanNode Node, List<HuffmanNode> Nodes)
        {
            if (Nodes.Contains(Node) == false)
            {
                Nodes.Add(Node);
            }

            if (Node.Left != null)
            {
                SortNodes(Node.Left, Nodes);
            }

            if (Node.Right != null)
            {
                SortNodes(Node.Right, Nodes);
            }
        }

        private static List<HuffmanNode> UpdateNodeParents(List<HuffmanNode> Nodes)
        {
            while (Nodes.Count > 1)
            {
                int iOperations = (Nodes.Count / 2);
                for (int iOperation = 0, i = 0, j = 1; iOperation < iOperations; iOperation++, i += 2, j += 2)
                {
                    if (j < Nodes.Count)
                    {
                        HuffmanNode oParentHuffmanNode = new HuffmanNode(Nodes[i], Nodes[j]);
                        Nodes.Add(oParentHuffmanNode);

                        Nodes[i] = null;
                        Nodes[j] = null;
                    }
                }

                Nodes = Nodes
                    .Where(m => (m != null))
                    .OrderBy(m => (m.Weight))
                    .ToList();
            }

            return Nodes;
        }
    }

    public class HuffmanNode
    {
        private string sBinaryWord { get; set; } = "";
        private bool bIsLeftNode { get; set; } = false;
        private bool bIsRightNode { get; set; } = false;
        private HuffmanNode oLeft { get; set; } = null;
        private HuffmanNode oParent { get; set; } = null;
        private HuffmanNode oRight { get; set; } = null;
        private char? cValue { get; set; } = ' ';
        private int iWeight { get; set; } = 0;

        public HuffmanNode()
        {
        }

        public HuffmanNode(char Value)
        {
            cValue = Value;
        }

        public HuffmanNode(HuffmanNode Left, HuffmanNode Right)
        {
            oLeft = Left;
            oLeft.oParent = this;
            oLeft.bIsLeftNode = true;

            oRight = Right;
            oRight.oParent = this;
            oRight.bIsRightNode = true;

            iWeight = (oLeft.Weight + oRight.Weight);
        }

        public string BinaryWord
        {
            get
            {
                string sReturnValue = "";

                if (String.IsNullOrEmpty(sBinaryWord) == true)
                {
                    StringBuilder oStringBuilder = new StringBuilder();

                    HuffmanNode oHuffmanNode = this;

                    while (oHuffmanNode != null)
                    {
                        if (oHuffmanNode.bIsLeftNode == true)
                        {
                            oStringBuilder.Insert(0, "0");
                        }

                        if (oHuffmanNode.bIsRightNode == true)
                        {
                            oStringBuilder.Insert(0, "1");
                        }

                        oHuffmanNode = oHuffmanNode.oParent;
                    }

                    sReturnValue = oStringBuilder.ToString();
                    sBinaryWord = sReturnValue;
                }
                else
                {
                    sReturnValue = sBinaryWord;
                }

                return sReturnValue;
            }
        }

        public HuffmanNode Left
        {
            get
            {
                return oLeft;
            }
        }

        public HuffmanNode Parent
        {
            get
            {
                return oParent;
            }
        }

        public HuffmanNode Right
        {
            get
            {
                return oRight;
            }
        }

        public char? Value
        {
            get
            {
                return cValue;
            }
        }

        public int Weight
        {
            get
            {
                return iWeight;
            }
            set
            {
                iWeight = value;
            }
        }

        public static int BinaryStringToInt32(string Value)
        {
            int iBinaryStringToInt32 = 0;

            for (int i = (Value.Length - 1), j = 0; i >= 0; i--, j++)
            {
                iBinaryStringToInt32 += ((Value[j] == '0' ? 0 : 1) * (int)(Math.Pow(2, i)));
            }

            return iBinaryStringToInt32;
        }

        public override string ToString()
        {
            StringBuilder sb = new StringBuilder();

            if (cValue.HasValue == true)
            {
                sb.AppendFormat("'{0}' ({1}) - {2} ({3})", cValue.Value, iWeight, BinaryWord, BinaryStringToInt32(BinaryWord));
            }
            else
            {
                if ((oLeft != null) && (oRight != null))
                {
                    if ((oLeft.Value.HasValue == true) && (oRight.Value.HasValue == true))
                    {
                        sb.AppendFormat("{0} + {1} ({2})", oLeft.Value, oRight.Value, iWeight);
                    }
                    else
                    {
                        sb.AppendFormat("{0}, {1} - ({2})", oLeft, oRight, iWeight);
                    }
                }
                else
                {
                    sb.Append(iWeight);
                }
            }

            return sb.ToString();
        }
    }
}
 

4 源代码

using System;
using System.IO;
using System.Text;
using System.Linq;
using System.Collections;
using System.Collections.Generic;namespace Legalsoft.Truffer.Algorithm
{/// <summary>/// 哈夫曼编码的压缩与解压缩/// </summary>public class HuffmanCompressor{private HuffmanNode oRootHuffmanNode { get; set; } = null;private List<HuffmanNode> oValueHuffmanNodes { get; set; } = null;private List<HuffmanNode> BuildBinaryTree(string Value){List<HuffmanNode> oHuffmanNodes = GetInitialNodeList();Value.ToList().ForEach(m => oHuffmanNodes[m].Weight++);oHuffmanNodes = oHuffmanNodes.Where(m => (m.Weight > 0)).OrderBy(m => (m.Weight)).ThenBy(m => (m.Value)).ToList();oHuffmanNodes = UpdateNodeParents(oHuffmanNodes);oRootHuffmanNode = oHuffmanNodes[0];oHuffmanNodes.Clear();SortNodes(oRootHuffmanNode, oHuffmanNodes);return oHuffmanNodes;}public void Compress(string FileName){FileInfo oFileInfo = new FileInfo(FileName);if (oFileInfo.Exists == true){string sFileContents = "";using (StreamReader oStreamReader = new StreamReader(File.OpenRead(FileName))){sFileContents = oStreamReader.ReadToEnd();}List<HuffmanNode> oHuffmanNodes = BuildBinaryTree(sFileContents);oValueHuffmanNodes = oHuffmanNodes.Where(m => (m.Value.HasValue == true)).OrderBy(m => (m.BinaryWord)).ToList();Dictionary<char, string> oCharToBinaryWordDictionary = new Dictionary<char, string>();foreach (HuffmanNode oHuffmanNode in oValueHuffmanNodes){oCharToBinaryWordDictionary.Add(oHuffmanNode.Value.Value, oHuffmanNode.BinaryWord);}StringBuilder oStringBuilder = new StringBuilder();List<byte> oByteList = new List<byte>();for (int i = 0; i < sFileContents.Length; i++){string sWord = "";oStringBuilder.Append(oCharToBinaryWordDictionary[sFileContents[i]]);while (oStringBuilder.Length >= 8){sWord = oStringBuilder.ToString().Substring(0, 8);oStringBuilder.Remove(0, sWord.Length);}if (String.IsNullOrEmpty(sWord) == false){oByteList.Add(Convert.ToByte(sWord, 2));}}if (oStringBuilder.Length > 0){string sWord = oStringBuilder.ToString();if (String.IsNullOrEmpty(sWord) == false){oByteList.Add(Convert.ToByte(sWord, 2));}}string sCompressedFileName = Path.Combine(oFileInfo.Directory.FullName, String.Format("{0}.compressed", oFileInfo.Name.Replace(oFileInfo.Extension, "")));if (File.Exists(sCompressedFileName) == true){File.Delete(sCompressedFileName);}using (FileStream oFileStream = File.OpenWrite(sCompressedFileName)){oFileStream.Write(oByteList.ToArray(), 0, oByteList.Count);}}}public void Decompress(string FileName){FileInfo oFileInfo = new FileInfo(FileName);if (oFileInfo.Exists == true){string sCompressedFileName = String.Format("{0}.compressed", oFileInfo.FullName.Replace(oFileInfo.Extension, ""));byte[] oBuffer = null;using (FileStream oFileStream = File.OpenRead(sCompressedFileName)){oBuffer = new byte[oFileStream.Length];oFileStream.Read(oBuffer, 0, oBuffer.Length);}HuffmanNode oZeroHuffmanNode = oRootHuffmanNode;while (oZeroHuffmanNode.Left != null){oZeroHuffmanNode = oZeroHuffmanNode.Left;}HuffmanNode oCurrentHuffmanNode = null;StringBuilder oStringBuilder = new StringBuilder();for (int i = 0; i < oBuffer.Length; i++){string sBinaryWord = "";byte oByte = oBuffer[i];if (oByte == 0){sBinaryWord = oZeroHuffmanNode.BinaryWord;}else{sBinaryWord = Convert.ToString(oByte, 2);}if ((sBinaryWord.Length < 8) && (i < (oBuffer.Length - 1))){StringBuilder oBinaryStringBuilder = new StringBuilder(sBinaryWord);while (oBinaryStringBuilder.Length < 8){oBinaryStringBuilder.Insert(0, "0");}sBinaryWord = oBinaryStringBuilder.ToString();}for (int j = 0; j < sBinaryWord.Length; j++){char cValue = sBinaryWord[j];if (oCurrentHuffmanNode == null){oCurrentHuffmanNode = oRootHuffmanNode;}if (cValue == '0'){oCurrentHuffmanNode = oCurrentHuffmanNode.Left;}else{oCurrentHuffmanNode = oCurrentHuffmanNode.Right;}if ((oCurrentHuffmanNode.Left == null) && (oCurrentHuffmanNode.Right == null)){oStringBuilder.Append(oCurrentHuffmanNode.Value.Value);oCurrentHuffmanNode = null;}}}string sUncompressedFileName = Path.Combine(oFileInfo.Directory.FullName, String.Format("{0}.uncompressed", oFileInfo.Name.Replace(oFileInfo.Extension, "")));if (File.Exists(sUncompressedFileName) == true){File.Delete(sUncompressedFileName);}using (StreamWriter oStreamWriter = new StreamWriter(File.OpenWrite(sUncompressedFileName))){oStreamWriter.Write(oStringBuilder.ToString());}}}private static List<HuffmanNode> GetInitialNodeList(){List<HuffmanNode> oGetInitialNodeList = new List<HuffmanNode>();for (int i = Char.MinValue; i < Char.MaxValue; i++){oGetInitialNodeList.Add(new HuffmanNode((char)(i)));}return oGetInitialNodeList;}private static void SortNodes(HuffmanNode Node, List<HuffmanNode> Nodes){if (Nodes.Contains(Node) == false){Nodes.Add(Node);}if (Node.Left != null){SortNodes(Node.Left, Nodes);}if (Node.Right != null){SortNodes(Node.Right, Nodes);}}private static List<HuffmanNode> UpdateNodeParents(List<HuffmanNode> Nodes){while (Nodes.Count > 1){int iOperations = (Nodes.Count / 2);for (int iOperation = 0, i = 0, j = 1; iOperation < iOperations; iOperation++, i += 2, j += 2){if (j < Nodes.Count){HuffmanNode oParentHuffmanNode = new HuffmanNode(Nodes[i], Nodes[j]);Nodes.Add(oParentHuffmanNode);Nodes[i] = null;Nodes[j] = null;}}Nodes = Nodes.Where(m => (m != null)).OrderBy(m => (m.Weight)).ToList();}return Nodes;}}public class HuffmanNode{private string sBinaryWord { get; set; } = "";private bool bIsLeftNode { get; set; } = false;private bool bIsRightNode { get; set; } = false;private HuffmanNode oLeft { get; set; } = null;private HuffmanNode oParent { get; set; } = null;private HuffmanNode oRight { get; set; } = null;private char? cValue { get; set; } = ' ';private int iWeight { get; set; } = 0;public HuffmanNode(){}public HuffmanNode(char Value){cValue = Value;}public HuffmanNode(HuffmanNode Left, HuffmanNode Right){oLeft = Left;oLeft.oParent = this;oLeft.bIsLeftNode = true;oRight = Right;oRight.oParent = this;oRight.bIsRightNode = true;iWeight = (oLeft.Weight + oRight.Weight);}public string BinaryWord{get{string sReturnValue = "";if (String.IsNullOrEmpty(sBinaryWord) == true){StringBuilder oStringBuilder = new StringBuilder();HuffmanNode oHuffmanNode = this;while (oHuffmanNode != null){if (oHuffmanNode.bIsLeftNode == true){oStringBuilder.Insert(0, "0");}if (oHuffmanNode.bIsRightNode == true){oStringBuilder.Insert(0, "1");}oHuffmanNode = oHuffmanNode.oParent;}sReturnValue = oStringBuilder.ToString();sBinaryWord = sReturnValue;}else{sReturnValue = sBinaryWord;}return sReturnValue;}}public HuffmanNode Left{get{return oLeft;}}public HuffmanNode Parent{get{return oParent;}}public HuffmanNode Right{get{return oRight;}}public char? Value{get{return cValue;}}public int Weight{get{return iWeight;}set{iWeight = value;}}public static int BinaryStringToInt32(string Value){int iBinaryStringToInt32 = 0;for (int i = (Value.Length - 1), j = 0; i >= 0; i--, j++){iBinaryStringToInt32 += ((Value[j] == '0' ? 0 : 1) * (int)(Math.Pow(2, i)));}return iBinaryStringToInt32;}public override string ToString(){StringBuilder sb = new StringBuilder();if (cValue.HasValue == true){sb.AppendFormat("'{0}' ({1}) - {2} ({3})", cValue.Value, iWeight, BinaryWord, BinaryStringToInt32(BinaryWord));}else{if ((oLeft != null) && (oRight != null)){if ((oLeft.Value.HasValue == true) && (oRight.Value.HasValue == true)){sb.AppendFormat("{0} + {1} ({2})", oLeft.Value, oRight.Value, iWeight);}else{sb.AppendFormat("{0}, {1} - ({2})", oLeft, oRight, iWeight);}}else{sb.Append(iWeight);}}return sb.ToString();}}
}

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