用Java数组实现【哈夫曼树】

一、基本概念

给定N个权值作为N个叶子结点,构造一棵二叉树,若该树的带权路径长度达到最小,称这样的二叉树为最优二叉树,也称为哈夫曼树(Huffman Tree)。哈夫曼树是带权路径长度最短的树,权值较大的结点离根较近。

  1. 路径和路径长度:在一棵树中,从一个结点往下可以达到的孩子或孙子结点之间的通路,称为路径。通路中分支的数目称为路径长度。若规定根结点的层数为1,则从根结点到第L层结点的路径长度为L-1
  2. 结点的权及带权路径长度:若将树中结点赋给一个有着某种含义的数值,则这个数值称为该结点的权。结点的带权路径长度为:从根结点到该结点之间的路径长度与该结点的权的乘积
    在这里插入图片描述
  3. 树的带权路径长度:树的带权路径长度规定为所有叶子结点的带权路径长度之和,记为WPL(weighted path length) ,权值越大的结点离根结点越近的二叉树才是最优二叉树。
  4. WPL最小的就是赫夫曼树
    在这里插入图片描述

二、构成赫夫曼树的步骤

  1. 将数组从小到大进行排序, 将每一个数据,每个数据都是一个节点 , 每个节点可以看成是一颗最简单的二叉树。
  2. 取出根节点权值最小的两颗二叉树 。
  3. 组成一颗新的二叉树, 该新的二叉树的根节点的权值是前面两颗二叉树根节点权值的和。
  4. 再将这颗新的二叉树,以根节点的权值大小 再次排序, 不断重复 1-2-3-4 的步骤,直到数列中,所有的数据都被处理,就得到一颗赫夫曼树。

例:
arrays : {11,15,5,7,2}
1.进行排序 {2,5,7,11,15}
在这里插入图片描述
第一轮过后数组剩余 {7,11,15}
在这里插入图片描述
第二轮过后数组剩余{11,15}
在这里插入图片描述
第三轮过后数组剩余{15}
在这里插入图片描述
第四轮完成,此时的二叉树就是哈夫曼树

三、代码实现

import java.util.ArrayList;
import java.util.Collections;
import java.util.List;

public class HuffmanTree {
    public static void main(String[] args) {
        int arrays[] = {14, 2, 5, 6, 9, 19};
        Node root = createHuffmanTree(arrays);
        preOrder(root);
    }

    public static void preOrder(Node root) {
        if (root != null) {
            root.preOrder();
        } else {
            System.out.println("tree is empty");
        }
    }

    /**
     * @param arr 需要创建成赫夫曼数的数组
     * @return 赫夫曼树的root结点
     */
    public static Node createHuffmanTree(int[] arr) {
        /**
         * 1.遍历arr数组
         * 2.将arr的每个元素构成一个Node
         * 3.将Node放入到ArrayList中
         */
        List<Node> nodeList = new ArrayList<Node>();
        for (int value : arr) {
            nodeList.add(new Node(value));
        }
        //开始创建赫夫曼树
        while (nodeList.size() > 1) {
            //将数组进行排序
            Collections.sort(nodeList);
            //输出结点
//            System.out.println("nodeList=" + nodeList);
            //取出根节点权值最小的两颗二叉树
            // 1. 取出最小的结点
            Node leftNode = nodeList.get(0);
            //2. 取出次小的结点
            Node rightNode = nodeList.get(1);

            //3.构建一个新的二叉树
            Node parent = new Node(leftNode.value + rightNode.value);
            parent.leftNode = leftNode;
            parent.rightNode = rightNode;

            //4. 从ArrayList删除处理过的二叉树
            nodeList.remove(leftNode);
            nodeList.remove(rightNode);
            //5. 将parent结点加入到nodeList中
            nodeList.add(parent);
        }
        //返回哈夫曼树的root结点
        return nodeList.get(0);
    }
}

/**
 * 创建结点类
 * 实现Comparable接口可以让Node对象持续排序
 */
class Node implements Comparable<Node> {
    //结点权值
    int value;
    //指向左子结点
    Node leftNode;
    //指向右子结点
    Node rightNode;

    public Node(int value) {
        this.value = value;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Node{value=" + value + '}';
    }

    @Override
    public int compareTo(Node o) {
        //表示从小到大排序
        return this.value - o.value;
    }

    //前序遍历
    public void preOrder() {
        System.out.println(this);
        if (this.leftNode != null) {
            this.leftNode.preOrder();
        }
        if (this.rightNode != null) {
            this.rightNode.preOrder();
        }
    }
}

哈夫曼树最广泛的应用是哈夫曼编码,用于压缩数据。

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