KS1_2_Projekt/Komprimierung.java

import java.util.HashMap;
import java.util.*;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.util.Stack;
import java.nio.file.Files;
import java.nio.file.Path;

public class Komprimierung
{
    public static byte[] nullCharBytes = {(byte)0xFF,(byte)0xFF};
    public static void test(String text)
    {
        Map<Character, Integer> zahlen = Zählen.countEachLetter(text);
        Node wurzel = Node.erstellen(zahlen);

        System.out.println();
        System.out.println("Pre-Order Baum:");
        printBaum(wurzel);

        System.out.println();
        System.out.println("Anzahl der Zeichen:");
        Zählen.printZahl(zahlen);

        System.out.println();
        System.out.println("Binärcode der Zeichen:");
        codes(text);

        System.out.println();

        decodierungBaum(codierung(text,wurzel), wurzel);

        System.out.println(binärString_to_character(character_to_binärString(null)));
        System.out.println(binärString_to_character(character_to_binärString('b')));
        System.out.println(binärString_to_character(character_to_binärString('c')));
        System.out.println(binärString_to_character(character_to_binärString('d')));
        System.out.println(binärString_to_character(character_to_binärString('e')));
        System.out.println(binärString_to_character(character_to_binärString('f')));
        System.out.println(binärString_to_character(character_to_binärString('g')));
        System.out.println(binärString_to_character(character_to_binärString('h')));

        binärString_to_baum(baum_to_binärString(wurzel));
        printBaum(wurzel);
    }

    public static void test2()
    {
        Map<Character, Integer> zahlen = Zählen.countEachLetter("aaaabbc");
        Node wurzel = Node.erstellen(zahlen);
        printBaum(wurzel);
        
        HashMap<Character, String> codes = new HashMap<Character, String>();

        if(wurzel.getLeft() == null && wurzel.getRight() == null)
        {
            codes.put(wurzel.getBuchstabe(), "0");
        }
        else
        {
            generieren(codes,wurzel,"");
        }

        for (var entry : codes.entrySet()) 
        {
            System.out.println("->" + entry.getKey() + ", Code: " + entry.getValue());
        }

        printBaum(binärString_to_baum(baum_to_binärString(wurzel)));
    }
    
    public static void test3()
    {
        System.out.println(decodierungInlkBaum(codierungInklBaum("aaaabbc")));
    }
    
    public static void printBaum(Node baum) //gibt den Baum rekurssiv in pre-order aus
    {
        if(baum == null)return;
        System.out.println("Buchstabe: " + baum.getBuchstabe() + ", Anzahl: " + baum.getAnzahl());
        printBaum(baum.getLeft()); //ruft die Methode rekuirsiv auf
        printBaum(baum.getRight());
    }

    public static void codes(String text) //erstellt die codes für jeden einzelnen Buchstaben
    {
        Node wurzel = Node.erstellen(Zählen.countEachLetter(text)); //erstellt den Baum mithilfe der Node Klasse
        HashMap<Character, String> codes = new HashMap<Character, String>(); //erstellt eine leere Hashmap

        if(wurzel.getLeft() == null && wurzel.getRight() == null) //überprüft es ob der Baum mehr als ein zeichen lang ist
        {
            codes.put(wurzel.getBuchstabe(), "0");
        }
        else //nutzt generieren um die codes zu generieren
        {
            generieren(codes,wurzel,"");
        }

        for (var entry : codes.entrySet()) //printet alle codes für das jeweiliege Zeichen
        {
            System.out.println("->" + entry.getKey() + ", Code: " + entry.getValue());
        }
    }

    
    //methode zum generieren der codes für jeden einzelnen Buchstaben  
    public static void generieren(HashMap<Character, String> codes, Node node, String code)
    {
        if(node == null)return; //abbruch Bedienung
        if(node.getLeft() == null && node.getRight() == null) //überprüft ob das Node ein "Blatt" ist
        {
            codes.put(node.getBuchstabe(), code); //wenn ja, gibt es den Buchstaben und den jeweiliegen code zurück

            return;
        }
        generieren(codes, node.getLeft(), code + "0"); //generiert rekursiv den code für die Äste
        generieren(codes, node.getRight(), code + "1");
    }

    //generiert die Huffman-Codierung
    public static String codierung(String text, Node wurzel)
    {
        HashMap<Character, String> codes = new HashMap<Character, String>(); //erstellt eine leere Hashmap

        if(wurzel.getLeft() == null && wurzel.getRight() == null) //überprüft es ob der Baum mehr als ein zeichen lang ist
        {
            codes.put(wurzel.getBuchstabe(), "0");
        }
        else //nutzt generieren um die codes zu generieren
        {
            generieren(codes,wurzel,"");
        }
        String code = ""; //erstellt leere Variable
        
        for (int i=0; i<text.length();i++) //Codiert den "text" komplett, mithilfe der codes Methode
        {
            char b = text.charAt(i);
            String c = codes.get(b);
            code += c;
        }
        return code;
    }
    
    //codiert Buchstaben und speichert den Baum mit
    public static String codierungInklBaum(String text)
    {
        Map<Character, Integer> zahlen = Zählen.countEachLetter(text);
        Node baum = Node.erstellen(zahlen); //erstellt Baum
        
        String codierterBaum = baum_to_binärString(baum); //wandelt den Baum in Daten um, mit dem die Baumstruktur geladen werden kann
        String codierterText = codierung(text,baum); //speichert den codierten Text
        
        int textErstIndex = codierterBaum.length() + 32; //speichert den ersten Index der Text codierung
        String codiertertextErstIndex =  Int_to_binärString(textErstIndex); //wandelt den textErstIndex in Binär um
        
        return codiertertextErstIndex + codierterBaum + codierterText;
    }
    
    //decodiert Buchstaben und speichert den Baum
    public static String decodierungInlkBaum(String code)
    {
        String codierterTextErstIndex =  code.substring(0,32); //holt binärcode vom TextErstIndex
        int textErstIndex = binärString_to_int(codierterTextErstIndex); //wandelt codierterTextErstIndex in eine Integer
        
        String codierterBaum = code.substring(32, textErstIndex);
        Node decodierterBaum = binärString_to_baum(codierterBaum);
        
        String codierterText = code.substring(textErstIndex, code.length());
        String decodierterText = decodierungBaum(codierterText,decodierterBaum); //decodiert den Text mit dem Baum
        
        return decodierterText;
    }

    //decodiert den Baum
    public static String decodierungBaum(String code,Node baum)
    {
        Node current = baum;
        String decoded = "";

        boolean hatNurEinBuchstabenart = current.getRight() == null && current.getLeft() == null;
        if(hatNurEinBuchstabenart) //nimmt den einen Buchstabe und fügt ihn für n mal ein
        {
            for(int i=0;i<code.length();i++)
            {
                decoded += baum.getBuchstabe();
            }
            return decoded;
        }

        for(int i =0;i<code.length();i++) //deocdiert den code einzelnd
        {
            if(code.charAt(i) == '1') //wenn eine 1 im Code steht geht es nach rechts, da 1 für den rechten Ast steht
            {
                current= current.getRight();
            }
            if(code.charAt(i) == '0')
            {
                current = current.getLeft();
            }
            if(current.getRight() == null && current.getLeft() == null) //sind bei einem Blatt angekommen
            {
                decoded += current.getBuchstabe();
                current = baum;
            }
        }
        return decoded;
    }
    
    

    public static Byte binärString_to_Byte (String binärString)
    {
        if(binärString.length() != 8) //überprüft ob es ein byte lang ist
        {
            System.out.println(">8");
            return null;
        }

        byte result = 0;
        for(byte i=0 ;i<8;i++) //geht den binärString durch und wandelt ihn in byte um
        {
            if(binärString.charAt(7-i) == '1')result|=1<<i; //verschiebt die 1 um i binärpositionen nach links
            else if(binärString.charAt(7-i) != '0')
            {
                System.out.println("was flasch");
                return null;
            }
        }

        return result;
    }

    public static String Byte_to_binärString (byte b)
    {
        String result = "";

        for(byte i=0;i<8;i++)
        {
            boolean bit= ((b>>(7-i))&1)==1; //schaut ob der 7-i ste bit 1 ist
            result+= bit?'1': '0'; //falls bit wert 1 hat addiert es 1 zu dem string, wenn nicht dann addiertes es 0
        }

        return result;
    }

    public static String character_to_binärString (Character c)
    {

        byte[] b = nullCharBytes;

        if(c != null) //wandelt character in "byte"
        {
            var byteBuffer = ByteBuffer.allocate(2);
            byteBuffer.putChar(c);
            b = byteBuffer.array();
        }

        String result = "";
        for(int i=0;i<b.length;i++) //wandelt byte zu String und addiert sie
        {
            result += Byte_to_binärString(b[i]);
        }
        return result;
    }

    public static Character binärString_to_character (String binärString)
    {
        byte a = binärString_to_Byte(binärString.substring(0,8));
        byte b = binärString_to_Byte(binärString.substring(8,16));
        byte[] array = new byte[] {a,b};
        if(array[0] == nullCharBytes[0] && array[1] == nullCharBytes[1])return null; 
        var byteBuffer = ByteBuffer.wrap(array);

        return byteBuffer.getChar(0); //erstellt aus den zwei bytes ein char
    }

    public static String baum_to_binärString (Node baum)
    {
        if(baum == null)return "";

        String binärString = character_to_binärString(baum.getBuchstabe());
        binärString += baum_to_binärString(baum.getLeft()); //speichert pre order die Buchstaben als binär ab
        binärString += baum_to_binärString(baum.getRight());
        return binärString;
    }

    public static Node binärString_to_baum (String s)
    {
        Node root = null;
        Stack<Node> äste = new Stack<Node>(); //erstellt ein leeres Stack
        for(int i=0;i<s.length();i+=16)
        {
            String characterString = s.substring(i,i+16); //geht in 16er schritten den binärString durch
            Character c = binärString_to_character(characterString); //wandelt characterString zu character um
            Node node = new Node();
            node.setBuchstabe(c);
            if(i == 0)root = node;

            if(äste.isEmpty() == false) //baut die Nodes zum Baum bis nur noch die wurzel übrig ist
            {
                Node elternAst = äste.peek();

                elternAst.add(node);
                if(elternAst.hatPlatzKinder() == false)
                {
                    äste.pop();
                }
            }

            if(c == null)
            {
                äste.push(node);
            }
        }
        
        return root;
    }
    
    public static Integer binärString_to_int(String binärString)
    {
        if(binärString.length() != 32) 
        {
            System.out.println(">32");
            return null;
        }

        int result = 0;
        for(int i=0 ;i<32;i++) //geht den binärString durch und wandelt ihn int um
        {
            if(binärString.charAt(31-i) == '1')result|=1<<i; //verschiebt die 1 um i binärpositionen nach links
            else if(binärString.charAt(31-i) != '0')
            {
                System.out.println("was flasch");
                return null;
            }
        }

        return result;
    }
    
    public static String Int_to_binärString (int a)
    {
        String result = "";

        for(int i=0;i<32;i++)
        {
            boolean bit= ((a>>(31-i))&1)==1; 
            result+= bit?'1': '0'; //falls bit wert 1 hat addiert es 1 zu dem string, wenn nicht dann addiertes es 0
        }

        return result;
    }

    //komprimiert Datei
    public static void compressFile (String source, String target )
    {
        Path sourcePath = Path.of(source);
        Path targetPath = Path.of(target);
        
        if(Files.exists(sourcePath) == false) //überprüft ob im Dateipfad eine Datei hinterlegt ist
        {
            System.out.println("Datei nicht gefunden");
            return;
        }
        
        String text;
        
        try 
        {
            text = Files.readString(sourcePath);
        }
        catch(Exception error) //gibt error aus falls einer auftrit
        {
            System.out.println(error);
            return;
        }
        
        String compressedText = codierungInklBaum(text);
        
        try
        {
            Files.writeString(targetPath, compressedText);
        }
        catch(Exception error)
        {
            System.out.println(error);
            return;
        }
    }
    
    //liest die Datei
    public static void readFile(String file)
    {
        Path path = Path.of(file);
        
        if(Files.exists(path) == false)
        {
            System.out.println("Datei nicht gefunden");
            return;
        }
        
        String compressedText;
        
        try
        {
            compressedText = Files.readString(path);
        }
        catch(Exception error)
        {
            System.out.println(error);
            return;
        }
        
        String text = decodierungInlkBaum(compressedText);
        
        System.out.println(file+": " + text);
    }
}