3-B-1【データ構造】データ及びデータ構造の基礎

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3-B-1【データ構造】データ及びデータ構造の基礎

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アルゴリズムとプログラミング - データ構造

データ構造は、コンピュータにおけるデータの組織、管理、保存方法を指します。効率的にデータを操作するためには、適切なデータ構造を選択することが重要です。データ構造には、変数やフィールド、配列、レコード、そしてファイルなど、さまざまな種類があります。本記事では、これらの基本的なデータ構造の考え方と、さらに発展的なデータ構造であるリスト、キュー、スタック、木構造などについて詳しく解説します。

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1. データ構造の基本

1.1 変数とフィールド

• 変数は、コンピュータプログラムにおいて、データを格納するための名前付きのメモリ領域です。変数は特定のデータ型を持ち、その型に基づいて格納できるデータの種類が決まります。例えば、整数型（int）や文字列型（string）などがあります。

• フィールドは、データ構造の一部として、レコードやオブジェクトなどに含まれる個々のデータ項目です。例えば、学生の情報を表すレコードには「名前」や「年齢」などのフィールドが含まれます。

1.2 配列

配列は、同じ型のデータを連続して格納するデータ構造です。配列はインデックス（または添字）を使って、各要素にアクセスします。

• 配列の要素は固定サイズで、インデックスにより任意の要素にアクセスできます。

• 例：int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5}という配列では、arr[0]に1、arr[1]に2が格納されています。

1.3 レコード

レコードは、異なる型のデータを1つのユニットとしてまとめたデータ構造です。レコードは、フィールドごとに異なる型のデータを保持できます。

• 例えば、学生の情報を格納するレコードには、名前（文字列型）、年齢（整数型）、住所（文字列型）など、異なる型のデータが含まれます。

1.4 ファイル

ファイルは、データを永続的に保存するためのデータ構造で、ディスク上に保存されます。ファイルは、複数のレコードやデータ項目を順序に従って格納することができます。

• ファイルは、読み書きの操作を行うために、アクセスモード（読み取り専用、書き込み専用、両方）を指定して使用します。

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2. 発展的なデータ構造

2.1 リスト

リストは、順序付きのデータを格納するデータ構造で、各要素がポインタによって前後の要素とつながっています。リストには2種類あります。

• 単方向リスト：各要素は、次の要素を指すポインタを持ちます。リストの最初の要素はヘッドと呼ばれ、最後の要素はテールと呼ばれます。

• 双方向リスト：各要素が、次の要素と前の要素を指すポインタを持ちます。

2.2 キュー

キューは、データの挿入と削除を特定の順序で行うデータ構造で、**先入れ先出し（FIFO：First In, First Out）**の原則に従います。

• データの挿入は**尾（エンド）に、削除は先頭（フロント）**で行われます。

• 例：タスク管理やプリンタのジョブ管理などで使用されます。

2.3 スタック

スタックは、データの挿入と削除を一方向で行うデータ構造で、**後入れ先出し（LIFO：Last In, First Out）**の原則に従います。

• データの挿入と削除は、スタックのトップ（先頭）で行われます。

• 例：関数呼び出しの管理や履歴管理などで使用されます。

2.4 木構造

木構造は、階層的にデータを管理するためのデータ構造で、親ノードと子ノードという関係を持つノードで構成されます。

• 2分木は、各ノードが最大2つの子ノードを持つ木構造で、最も基本的な木の形態です。2分木は、検索やソートに効率的に利用されます。

2分木の特徴