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哈夫曼编码译码的设计与实现


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软件学院

课程设计报告
设计名称: 选题名称: 姓 名: 数据结构课程设计 哈夫曼编码/译码的设计与实现 学 一 班 软件学院 2014.6.1~2014.6.4 号:

专业班级: 移动 系 (院): 设计时间:

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目 录
一、需求分析----

------------------------------3 二、系统设计----------------------------------3 三、程序流程图-------------------------------10 四、实现代码----------------------------------13 五、总结----------------------------------------23 六 、 参 考 书 目 ----------------------------------23

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一、需求分析
哈夫曼编码是一种应用广泛且非常有效的数据压缩技术,哈夫曼编码是一种编码方式,以哈夫曼树,带权 路径长度最小的二叉树,经常应用于数据压缩。哈夫曼编码使用一张特殊的编码表将源字符进行编码。这 张编码表的特殊在于,它是根据每一个源字符出现的估算概率而建立起来的。哈夫曼编码的应用很广泛, 利用哈夫曼树求得的用于通信的二进制编码成为哈夫曼编码,树中从根到每个叶子都有一条路径,对路径 上的各分支约定:指向左子树的分支表示“0”码,指向右子树的分支表示“1”码,取每条路径上的“0” 或“1”的序列作为和各个叶子对应的字符的编码,这就是哈夫曼编码。哈夫曼译码输入字符串可以把它编 译成二进制代码。输入二进制代码时可以编译成字符串。

二、系统设计 构造哈夫曼树时,使用静态链表作为哈夫曼树的存储。 在构造哈夫曼树时,设计一个结构体数组 HuffNode 保存哈夫曼树中各结点的信息,根据二叉 树的性质可知,具有 n 个叶子结点的哈夫曼树共有 2n-1 个结点,所以数组 HuffNode 的大小设 置为 2n-1, 求哈夫曼编码时使用一维结构数组 HuffCode 作为哈夫曼编码信息的存储。 求哈夫曼编码实际上就是在已建立的哈夫曼树中,从叶子结点开始,沿结点的双亲链域回退到 根结点,每回退一步,就走过了哈夫曼的一个分支,从而得到一位哈夫曼编码值。由于一个字 符的哈夫曼编码就是从根结点到相应叶子结点所经过的路径上各分支所组成的 0、1 序列,因 此先得到的分支代码为所求编码的低位码,后得到的分支代码为所求的高位码

1、初始化功能模块 此功能模块的功能为从键盘接受字符集大小 n,以及 n 个字符和 n 个权值。 2、建立哈夫曼编码的功能模块 此模块功能为使用 1 中得到的数据按照教材中的构造哈弗曼的算法构造哈弗曼树,即将 HuffNode 数组中的各个位置的各个域都填上相关的值,并将这个结构体数组存于文件 nodedata.dat 中。 函数原型为: void Creat_Haffmantree(int &n) { HNodeType *HaffNode=new HNodeType[2*n-1]; int i,j; int m1,m2,x1,x2; for(i=0;i<2*n-1;i++) { HaffNode[i].weight=0; HaffNode[i].parent=-1; HaffNode[i].lchild=-1; HaffNode[i].rchild=-1;

数据结构课程设计报告 HaffNode[i].inf='0';



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} for(i=0;i<n;i++) { cout<<"请输入字符"<<endl; cin>>HaffNode[i].inf; cout<<"请输入该字符的权值"<<endl; cin>>HaffNode[i].weight; } for(i=0;i<n-1;i++)//构造哈夫曼树 { m1=m2=Maxvalue; x1=x2=0; for(j=0;j<n+i;j++)//选取最小和次小 { if(HaffNode[j].parent==-1&&HaffNode[j].weight<m1) { m2=m1; x2=x1; m1=HaffNode[j].weight; x1=j; } else { if(HaffNode[j].parent==-1&&HaffNode[j].weight<m2) { m2=HaffNode[j].weight; x2=j; } } } //将找出的最小和次小合并,创造其父母结点 HaffNode[x1].parent=n+i; HaffNode[x2].parent=n+i; HaffNode[n+i].weight=HaffNode[x1].weight+HaffNode[x2].weight; HaffNode[n+i].lchild=x2; HaffNode[n+i].rchild=x1; HaffNode[n+i].inf=NULL; } cout<<"显示存储的哈弗曼树信息:"<<endl; cout<<"权值左孩子右孩子双亲"<<endl; for(i=0;i<2*n-1;i++) { cout<<HaffNode[i].inf<<" "; cout<<HaffNode[i].weight<<" "; cout<<HaffNode[i].lchild<<" ";

数据结构课程设计报告 cout<<HaffNode[i].rchild<<" "; cout<<HaffNode[i].parent<<endl;



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} //写入文件 fstream outfile1; outfile1.open("E:\\nodedata.dat",ios::out|ios::trunc|ios::binary);//建立进行写入的文件 if(!outfile1) //没有创建成功则显示相应信息 { cout<<"nodedata.dat 文件不能打开"<<endl; abort(); } for(i=0;i<2*n-1;i++) //将内存中从 HaffNode[i]地址开始的 sizeof(HaffNode[i])的内容写入文 件中 outfile1.write((char*)&HaffNode[i],sizeof(HaffNode[i])); outfile1.close ();//关闭文件 delete []HaffNode; }

3、建立哈弗曼编码功的功能模块 此模块功能是从文件 nodedata.dat 中读入相关的字符信息进行哈弗曼编码,然后将结果存入 code.dat 中,同时将字符与 0 和 1 代码串的一一对应关系显示到屏幕上。 函数原型为: void HaffCode(int &n)//哈夫曼编码 { HNodeType *HaffNode=new HNodeType[Maxnode]; HcodeType *HaffCode=new HcodeType[Maxleaf]; HcodeType cd; int i,j,c,p; fstream in("E:\\nodedata.dat",ios::in|ios::binary); in.read((char*)HaffNode,(2*n-1)*sizeof(HNodeType)); in.close(); fstream outfile; outfile.open("E:\\codedata.dat",ios::out|ios::binary);//建立进行写入的文件 for(i=0;i<n;i++) { cd.start=n-1; c=i; p=HaffNode[c].parent; while(p!=-1) { if(HaffNode[p].lchild==c) cd.bit[cd.start]=0;

数据结构课程设计报告 else cd.bit[cd.start]=1; cd.start--; c=p; p=HaffNode[c].parent; } for(j=cd.start+1;j<n;j++) HaffCode[i].bit[j]=cd.bit[j]; HaffCode[i].start=cd.start; } for(i=0;i<n;i++) { outfile<<HaffNode[i].inf; for(j=HaffCode[i].start+1;j<n;j++) outfile<<HaffCode[i].bit[j];



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} cout<<"字符信息--编码信息"<<endl; for(i=0;i<n;i++) { cout<<HaffNode[i].inf<<"---"; for(j=HaffCode[i].start+1;j<n;j++) cout<<HaffCode[i].bit[j]; cout<<endl; } outfile.close (); cout<<"请输入要编码的字符串,基本元素为("; for(i=0;i<n;i++) cout<<HaffNode[i].inf<<","; cout<<")"<<endl; char inf[100]; cin>>inf; int f=strlen(inf); fstream outfile1; outfile1.open("E:\\code.dat",ios::out|ios::binary);//建立进行写入的文件 if(!outfile1) { cout<<"code.dat 文件不能打开!"<<endl; abort(); } else { cout<<endl; cout<<"字符串编码后为:"; for(int x=0;x<f;x++) { for(i=0;i<n;i++)

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if(inf[x]==HaffNode[i].inf) { for(j=HaffCode[i].start+1;j<n;j++) { outfile1.write((char*)&HaffCode[i].bit[j],sizeof(HaffCode[i].bit[j])); cout<<HaffCode[i].bit[j]; } } } } } cout<<endl; cout<<"编译后的代码串已经存入 code.dat 文件中!"<<endl; cout<<endl; outfile1.close(); delete []HaffNode; delete []HaffCode; }

4. 此模块功能为接收需要译码的 0、1 代码串,按照 3 中建立的编码规则将其翻译成字符集中 字符所组成的字符串形式,存入文件 textfile.dat,同时将翻译的结果在屏幕上打印输出。接受 0、1 代码串有两种形式,一种是直接输入,一种是从文件中读取。 函数原型为: void decode( int &n)//解码 { int i; HNodeType *HaffNode=new HNodeType[2*n-1]; fstream infile1; infile1.open("E:\\nodedata.dat",ios::in|ios::binary);//读出哈夫曼树 if(!infile1) { cout<<"nodedata.dat 文件不能打开"<<endl; abort(); } for(i=0;i<2*n-1;i++) infile1.read((char*)&HaffNode[i],sizeof(HNodeType)); infile1.close(); int tempcode[100]; int num=0; for(i=0;i<100;i++) tempcode[i]=-1; HcodeType *Code=new HcodeType[n]; cout<<"请选择要做的操作:"<<endl;

数据结构课程设计报告 第 8 页 共 23 cout<<"输入串解码,请按 4"<<endl; cout<<"从文件中解码,请按 5"<<endl; int q; cin>>q; while(q>5||q<4) { cout<<"输入错误请重新输入"; cin>>q; } switch(q) { case 4: { cout<<"请输入要解码的 0,1 串(按其他键结束输入):"<<endl; i=0; cin>>tempcode[i]; while(tempcode[i]==0||tempcode[i]==1) { i++; num=i; cin>>tempcode[i]; } cout<<"输入的编码为:"; for(i=0;i<num;i++) cout<<tempcode[i]; cout<<endl; int m=2*n-2; i=0; cout<<"译码后为:"<<endl; fstream outfile; outfile.open("E:\\textfile.txt",ios::out); if(!outfile) { cout<<"textfile.txt 文件不能打开!"<<endl; abort(); } while(i<num)// 小于字符串的长度 { while(HaffNode[m].lchild!=-1&&HaffNode[m].rchild!=-1) { if(tempcode[i]==0) { m=HaffNode[m].lchild; i++; } else if(tempcode[i]==1)



数据结构课程设计报告 { m=HaffNode[m].rchild; i++; } } cout<<HaffNode[m].inf; outfile<<HaffNode[m].inf; m=2*n-2; } cout<<endl; outfile.close(); cout<<"译码后的结果已经存入 textfile.txt 中!"<<endl; delete []HaffNode; break; } case 5: {



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fstream infile2;//读编码 infile2.open("E:\\code.dat",ios::in|ios::binary); while(!infile2.eof()) { infile2.read((char*)&tempcode[num],sizeof(tempcode[num])); num++; } infile2.close(); num--; cout<<"从文件中读出的编码为"<<endl; for(i=0;i<num;i++) cout<<tempcode[i]; cout<<endl; int m=2*n-2; i=0; cout<<endl; cout<<"译码后为:"<<endl; fstream outfile; outfile.open("E:\\textfile.txt",ios::out); if(!outfile) { cout<<"textfile.txt 文件不能打开!"<<endl; abort(); } while(i<num)// 小于字符串的长度 { while(HaffNode[m].lchild!=-1&&HaffNode[m].rchild!=-1)

数据结构课程设计报告 { if(tempcode[i]==0) { m=HaffNode[m].lchild; i++; } else if(tempcode[i]==1) { m=HaffNode[m].rchild; i++; } } cout<<HaffNode[m].inf; outfile<<HaffNode[m].inf; m=2*n-2; } cout<<endl; outfile.close(); cout<<"译码后的结果已经存入 textfile.txt 中!"<<endl; delete []HaffNode; break; } } }



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三、程序流程图
1.系统结构图

哈夫曼编码译码器

建树

编码

译码

退出

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2.各部分功能图
建树:
开始

初始化哈夫曼链表且有 2n-1 个 节点

i=1

i<n << p->weight=count[i] p=p->next

for(i=n;i<2*n-1;i++)

结束

编码:
开始

将字符存入哈夫曼编码结构 体数组的字符单元中

if(q==q->Parent ->LChild)

HC[i].code[--HC[i ].start]=’1’

HC[i].code[--HC[i].start]=’0’

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p=p->next

i=n 时 结束

译码:
开始 Root 指向根节点

P!=root

p=p->RChild

code[i]==’0’

p=p->LChild

p->LChild==NULL&& p->RChild==NULL

s[k++]=str[j] p=root

结束

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四、实现代码
//#include "stdafx.h" #include<iostream> #include<fstream> #include<string.h> #include<stdlib.h> using namespace std; #define MaxBit 10 #define Maxvalue 100 #define Maxleaf 100 #define Maxnode Maxleaf*2-1 typedef struct { int weight; int parent; int lchild; int rchild; char inf; }HNodeType; struct HcodeType { int bit[MaxBit]; int start; }; void Creat_Haffmantree(int &n) { HNodeType *HaffNode=new HNodeType[2*n-1]; int i,j; int m1,m2,x1,x2; for(i=0;i<2*n-1;i++) { HaffNode[i].weight=0; HaffNode[i].parent=-1; HaffNode[i].lchild=-1; HaffNode[i].rchild=-1; HaffNode[i].inf='0'; } for(i=0;i<n;i++) { cout<<"请输入字符"<<endl; cin>>HaffNode[i].inf; cout<<"请输入该字符的权值"<<endl; cin>>HaffNode[i].weight;

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} for(i=0;i<n-1;i++)//构造哈夫曼树 { m1=m2=Maxvalue; x1=x2=0; for(j=0;j<n+i;j++) { if(HaffNode[j].parent==-1&&HaffNode[j].weight<m1) { m2=m1; x2=x1; m1=HaffNode[j].weight; x1=j; } else { if(HaffNode[j].parent==-1&&HaffNode[j].weight<m2) { m2=HaffNode[j].weight; x2=j; } } } //创造其父母结点 HaffNode[x1].parent=n+i; HaffNode[x2].parent=n+i; HaffNode[n+i].weight=HaffNode[x1].weight+HaffNode[x2].weight; HaffNode[n+i].lchild=x2; HaffNode[n+i].rchild=x1; HaffNode[n+i].inf=NULL; } cout<<"显示存储的哈弗曼树信息:"<<endl; cout<<"权值左孩子右孩子双亲"<<endl; for(i=0;i<2*n-1;i++) { cout<<HaffNode[i].inf<<" "; cout<<HaffNode[i].weight<<" "; cout<<HaffNode[i].lchild<<" "; cout<<HaffNode[i].rchild<<" "; cout<<HaffNode[i].parent<<endl; } //写入文件 fstream outfile1; outfile1.open("E:\\nodedata.dat",ios::out|ios::trunc|ios::binary);//建立进行写入的文件 if(!outfile1) //没有创建成功则显示相应信息

数据结构课程设计报告 { cout<<"nodedata.dat 文件不能打开"<<endl; abort();



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} for(i=0;i<2*n-1;i++) //将内存中从 HaffNode[i]地址开始的 sizeof(HaffNode[i])的内容写入文 件中 outfile1.write((char*)&HaffNode[i],sizeof(HaffNode[i])); outfile1.close ();//关闭文件 delete []HaffNode; } void HaffCode(int &n)//哈夫曼编码 { HNodeType *HaffNode=new HNodeType[Maxnode]; HcodeType *HaffCode=new HcodeType[Maxleaf]; HcodeType cd; int i,j,c,p; fstream in("E:\\nodedata.dat",ios::in|ios::binary); in.read((char*)HaffNode,(2*n-1)*sizeof(HNodeType)); in.close(); fstream outfile; outfile.open("E:\\codedata.dat",ios::out|ios::binary);//建立进行写入的文件 for(i=0;i<n;i++) { cd.start=n-1; c=i; p=HaffNode[c].parent; while(p!=-1) { if(HaffNode[p].lchild==c) cd.bit[cd.start]=0; else cd.bit[cd.start]=1; cd.start--; c=p; p=HaffNode[c].parent; } for(j=cd.start+1;j<n;j++) HaffCode[i].bit[j]=cd.bit[j]; HaffCode[i].start=cd.start; } for(i=0;i<n;i++) { outfile<<HaffNode[i].inf; for(j=HaffCode[i].start+1;j<n;j++)

数据结构课程设计报告 outfile<<HaffCode[i].bit[j];



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} cout<<"字符信息--编码信息"<<endl; for(i=0;i<n;i++) { cout<<HaffNode[i].inf<<"---"; for(j=HaffCode[i].start+1;j<n;j++) cout<<HaffCode[i].bit[j]; cout<<endl; } outfile.close (); cout<<"请输入要编码的字符串,基本元素为("; for(i=0;i<n;i++) cout<<HaffNode[i].inf<<","; cout<<")"<<endl; char inf[100]; cin>>inf; int f=strlen(inf); fstream outfile1; outfile1.open("E:\\code.dat",ios::out|ios::binary);//建立进行写入的文件 if(!outfile1) { cout<<"code.dat 文件不能打开!"<<endl; abort(); } else { cout<<endl; cout<<"字符串编码后为:"; for(int x=0;x<f;x++) { for(i=0;i<n;i++) { if(inf[x]==HaffNode[i].inf) { for(j=HaffCode[i].start+1;j<n;j++) { outfile1.write((char*)&HaffCode[i].bit[j],sizeof(HaffCode[i].bit[j])); cout<<HaffCode[i].bit[j]; } } } } } cout<<endl; cout<<"编译后的代码串已经存入 code.dat 文件中!"<<endl;

数据结构课程设计报告 cout<<endl; outfile1.close(); delete []HaffNode; delete []HaffCode;



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} void decode( int &n)//解码 { int i; HNodeType *HaffNode=new HNodeType[2*n-1]; fstream infile1; infile1.open("E:\\nodedata.dat",ios::in|ios::binary);//读出哈夫曼树 if(!infile1) { cout<<"nodedata.dat 文件不能打开"<<endl; abort(); } for(i=0;i<2*n-1;i++) infile1.read((char*)&HaffNode[i],sizeof(HNodeType)); infile1.close(); int tempcode[100]; int num=0; for(i=0;i<100;i++) tempcode[i]=-1; HcodeType *Code=new HcodeType[n]; cout<<"请选择要做的操作:"<<endl; cout<<"输入串解码,请按 4"<<endl; cout<<"从文件中解码,请按 5"<<endl; int q; cin>>q; while(q>5||q<4) { cout<<"输入错误请重新输入"; cin>>q; } switch(q) { case 4: { cout<<"请输入要解码的 0,1 串(按其他键结束输入):"<<endl; i=0; cin>>tempcode[i]; while(tempcode[i]==0||tempcode[i]==1) { i++; num=i;

数据结构课程设计报告 cin>>tempcode[i]; } cout<<"输入的编码为:"; for(i=0;i<num;i++) cout<<tempcode[i]; cout<<endl; int m=2*n-2; i=0; cout<<"译码后为:"<<endl; fstream outfile; outfile.open("E:\\textfile.txt",ios::out); if(!outfile) { cout<<"textfile.txt 文件不能打开!"<<endl; abort(); } while(i<num)// 小于字符串的长度 {



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while(HaffNode[m].lchild!=-1&&HaffNode[m].rchild!=-1) { if(tempcode[i]==0) { m=HaffNode[m].lchild; i++; } else if(tempcode[i]==1) { m=HaffNode[m].rchild; i++; } } cout<<HaffNode[m].inf; outfile<<HaffNode[m].inf; m=2*n-2; } cout<<endl; outfile.close(); cout<<"译码后的结果已经存入 textfile.txt 中!"<<endl; delete []HaffNode; break; } case 5: { fstream infile2;//读编码

数据结构课程设计报告 第 19 页 infile2.open("E:\\code.dat",ios::in|ios::binary); while(!infile2.eof()) { infile2.read((char*)&tempcode[num],sizeof(tempcode[num])); num++; } infile2.close(); num--; cout<<"从文件中读出的编码为"<<endl; for(i=0;i<num;i++) cout<<tempcode[i]; cout<<endl; int m=2*n-2; i=0; cout<<endl; cout<<"译码后为:"<<endl; fstream outfile; outfile.open("E:\\textfile.txt",ios::out); if(!outfile) { cout<<"textfile.txt 文件不能打开!"<<endl; abort(); } while(i<num)// 小于字符串的长度 { while(HaffNode[m].lchild!=-1&&HaffNode[m].rchild!=-1) { if(tempcode[i]==0) { m=HaffNode[m].lchild; i++; } else if(tempcode[i]==1) { m=HaffNode[m].rchild; i++; } } cout<<HaffNode[m].inf; outfile<<HaffNode[m].inf; m=2*n-2; } cout<<endl; outfile.close(); cout<<"译码后的结果已经存入 textfile.txt 中!"<<endl;



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数据结构课程设计报告 delete []HaffNode; break; } }



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} int main() { int n; cout<<"************* 欢迎进入编/译码系统!*********************"<<endl; int ch1; do{ cout<<" 1.建树"<<endl; cout<<" 2:编码,并显示字符和对应的编码"<<endl; cout<<" 3:译码"<<endl; cout<<" 0:退出"<<endl; cout<<"********************************************************"<<endl; cout<<"请选择(0~3):"; cin>>ch1; while(!(ch1<=3&&ch1>=0)) //输入不在到之间无效 { cout<<"数据输入错误,请重新选择(0~3):"; cin>>ch1; } switch(ch1) { case 1: { cout<<"\t\t\t 请输入编码个数"<<endl;//叶子结点个数 cin>>n; Creat_Haffmantree(n); break; } case 2: HaffCode(n); break; case 3: decode(n); break; } }while(ch1!=0); return 0; }

各部分运行界面:
登录界面:

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选择建树:

数据结构课程设计报告 选择编码:



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选择译码:

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五、总结
通过本次课程设计,我对哈夫曼树及哈夫曼编码有了更深刻的理解。同时对 C,C++的编 程以及算法的实现产生了比较大的兴趣,还学到了许多在处理程序时的技巧和方法,刚看见 实验题目时我一点头绪都没有,通过看数据结构书知道了编码如何写代码,但是译码还不不 太明白如何进行编写,后来通过网上的资料将自己的思路捋顺了。在译码处,不单实现了从 文件读入,同时也实现了从键盘读入。 另外,我认为调试功能是整个编写程序过程中很重要的 一个环节。通过这次实验我对调试有了更加深刻的理解,懂得怎么样去调试程序,如何发现 错误,如何更高效的改正,通过对上面程序的编写让我积累了一些编程的经验,比如在你编 写代码是首先你应在大脑内先构思好你的程序,并在纸上写下你的思路很实现步骤,而不是 急于动手编写。有些事没想好就急于容易出现一些逻辑上的错误,最后实现不了又必须重 来。其次是数据类型的处理,不能将字符型数据存其他类型的数据,计算机是不识别的,写 程序是要严格规范自己对不同类型数据存储和使用,还有就是当一个数据不再被使用时或下 次你要用它来存放其他数值时要记得提前赋空,以免数据出错。还有就是在程序中如果你要 重复某些步骤时你可以考虑在主程序外建立一个函数来实现这些步骤,这样在主程序中通过 调用这个函数来实现这些步骤,这样可以避免编写同样的代码,并简化你的程序代码。除此 之外就是大括号{}的一定要对其,不然一旦代码长度变长,会出现一堆的括号,你可能看的 眼花缭乱不知道哪个与哪个是一对,最后影响你的代码检查。

六、参考书目
C 语言课程设计(第四版) 谭浩强 清华大学出版社 双语版 C++语言程序设计 苏小红 电子工业出版社 数据结构(C 语言版)


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