プログラミング実践入門 — データ構造とアルゴリズムをコードで学ぶ

コンピュータの仕組みやデータ構造、アルゴリズムの理論を学んだだけでは、実際のプログラミングには活かせません。知識を実際のコードに落とし込み、試行錯誤しながら学ぶことが重要です。

本記事では、これまで学んできたデータ構造やアルゴリズムを実装することで、理論をより深く理解し、プログラミングの実践力を高めることを目的とします。具体的には、配列、連結リスト、スタック、キュー、ハッシュテーブル、木構造などの基本データ構造をPythonで実装し、それらをどのように活用できるかを解説します。

理論だけではわかりにくかった部分も、コードを書くことで「なるほど！」と納得できる瞬間が増えるでしょう。

解説：データ構造のプログラミング実装
注意点：プログラミング実装時のポイント
結論：プログラミングは実践が大事！

解説：データ構造のプログラミング実装

1. 配列（Array）の実装

配列は、同じ型のデータを連続したメモリ領域に格納するシンプルなデータ構造です。Pythonでは**リスト（list）**として提供されています。

実装例：整数の配列を操作する

# 配列の作成
arr = [1, 2, 3, 4, 5]

# 要素の追加
arr.append(6)

# 要素の削除
arr.remove(3)

# インデックスを指定して取得
print(arr[2])  # 出力: 4

# 配列の要素をすべて表示
print(arr)  # 出力: [1, 2, 4, 5, 6]

ポイント：

append() を使うと末尾に要素を追加できる
remove() を使うと指定した要素を削除できる
インデックスを指定して要素にアクセスできる

2. 連結リスト（Linked List）の実装

連結リストは、各要素（ノード）が次のノードへの参照を持つ構造です。Pythonのリストとは異なり、挿入・削除が高速ですが、任意の要素へのアクセスは遅くなります。

実装例：単方向連結リスト

class Node:
    def __init__(self, data):
        self.data = data
        self.next = None

class LinkedList:
    def __init__(self):
        self.head = None

    def append(self, data):
        new_node = Node(data)
        if not self.head:
            self.head = new_node
            return
        last = self.head
        while last.next:
            last = last.next
        last.next = new_node

    def display(self):
        current = self.head
        while current:
            print(current.data, end=" -> ")
            current = current.next
        print("None")

# 使用例
ll = LinkedList()
ll.append(1)
ll.append(2)
ll.append(3)
ll.display()  # 出力: 1 -> 2 -> 3 -> None

ポイント：

ノード（Node）を作成し、データと次のノードへの参照を保持
append() メソッドでリストの末尾に新しいノードを追加
display() でリストの内容を表示

3. スタック（Stack）の実装

スタックは**「後入れ先出し（LIFO）」**のデータ構造で、関数の呼び出し管理やUndo機能などに使われます。

実装例：スタックの基本操作

class Stack:
    def __init__(self):
        self.stack = []

    def push(self, data):
        self.stack.append(data)

    def pop(self):
        if self.is_empty():
            return None
        return self.stack.pop()

    def peek(self):
        if self.is_empty():
            return None
        return self.stack[-1]

    def is_empty(self):
        return len(self.stack) == 0

# 使用例
s = Stack()
s.push(10)
s.push(20)
s.push(30)
print(s.pop())  # 出力: 30
print(s.peek())  # 出力: 20

ポイント：

push() で要素を追加
pop() で要素を削除（最後に追加されたもの）
peek() で現在のトップ要素を確認

4. キュー（Queue）の実装

キューは**「先入れ先出し（FIFO）」**のデータ構造で、タスクの管理などに使われます。

実装例：キューの基本操作

from collections import deque

class Queue:
    def __init__(self):
        self.queue = deque()

    def enqueue(self, data):
        self.queue.append(data)

    def dequeue(self):
        if self.is_empty():
            return None
        return self.queue.popleft()

    def is_empty(self):
        return len(self.queue) == 0

# 使用例
q = Queue()
q.enqueue(1)
q.enqueue(2)
q.enqueue(3)
print(q.dequeue())  # 出力: 1
print(q.dequeue())  # 出力: 2

ポイント：