C言語のきほん｜アルゴリズムを支えるデータ構造

C言語のきほん｜アルゴリズムを支えるデータ構造

速いアルゴリズムは“入れ物”で決まる！データ構造を知ると、処理の設計が一気に上手くなるよ。

アルゴリズムは「手順書」だけど、手順だけではうまく動きません。
なぜなら、手順が扱う対象であるデータには「並び方」や「取り出し方」が必要だからです。

そこで登場するのが データ構造。
データ構造は、データを効率よく管理するための“入れ物とルール”で、アルゴリズムがきちんと働くための土台になります。

たとえば、並べ替え（ソート）をするとき、カードを一列に並べた状態をそのまま扱えると便利ですよね。C言語ならこの“並び”を表現するのに 配列 がぴったりです。
アルゴリズムとデータ構造はセットで考えると理解が進みやすいので、ここでしっかり整理していきましょう。

アルゴリズムとデータ構造の関係

アルゴリズムが「どう処理するか（手順）」なら、データ構造は「どう持つか（形）」です。

データ構造（入れ物・並び・取り出しルール）
        ↓
アルゴリズム（手順）
        ↓
速さ・読みやすさ・作りやすさが決まる

同じ目的でも、入れ物が違うと手順が変わります。
たとえば「先頭のデータを取り出したい」なら、キューが自然だし、「最後に入れたものを戻したい」ならスタックが自然です。

C言語でまず押さえる基本のデータ構造（3つ）

文書の内容をベースに、C言語で最初に扱いやすい3つを整理します。

配列と構造体はこのあと学ぶ予定でも、今の段階で「どういう役割か」を掴んでおくと、アルゴリズムの話が理解しやすくなります。

変数：最小単位の入れ物

変数は一番基本のデータ構造です。
「1つの値だけ」を持つ箱なので、管理が簡単です。

例：1人の点数

ファイル名：7_2_1.c

#include <stdio.h>

int main(void)
{
    int score = 82;  /* 1人分の点数を入れておく箱 */

    printf("今回の点数は%d点です。\n", score);
    printf("メッセージ: 変数は1つの値をしまう基本の入れ物だよ。\n");
    return 0;
}

配列：同じ種類をまとめて扱う

配列は「同じ型」を並べて持てるので、アルゴリズムと相性が抜群です。
ソート、最大値・最小値探し、合計・平均など、定番処理の多くは配列でやります。

例：5人分の点数（合計と平均）

サンプルを“並べ替え”ではなく、まずは分かりやすい集計に置き換えます。

ファイル名：7_2_2.c

#include <stdio.h>

int main(void)
{
    int scores[] = {72, 88, 91, 64, 79};
    int n = 5;
    int i;
    int sum = 0;
    double avg;

    for (i = 0; i < n; i++) {
        sum += scores[i];
    }

    avg = (double)sum / n;

    printf("合計は%d点です。\n", sum);
    printf("平均は%.1f点です。\n", avg);
    printf("メッセージ: 配列は同じ種類のデータをまとめて扱えるよ。\n");
    return 0;
}

ここで自然に出てくるのが「繰り返し（for）」です。配列はループとセットで覚えると強いです。

構造体：違う種類を1セットにする

構造体は「人1人分の情報」みたいに、異なる型をまとめて扱いたいときに便利です。
点数だけなら int で足りますが、名前や年齢も扱いたくなった瞬間に構造体が必要になります。

今はイメージだけでOKです。

学生 = { 名前, 年齢, 身長, 体重 }

「1人分のデータのまとまり」を表現するのが構造体、という理解がまず大切です。

代表的なデータ構造（配列や構造体で作れる）

C言語には、スタックやキューが最初から用意されているわけではありません。
でも、配列や構造体、ポインタを使うことで実装できます。

ここでは「どういうルールでデータを出し入れするか」を押さえます。

スタック（LIFO：後入れ先出し）

最後に入れたものが最初に出てくる構造です。

• 本を積んで、上から取る
• 皿を重ねて、上から取る

push（入れる）: 上に積む
pop（取り出す）: 上から取る
最後に入れたものが最初に出る

超シンプル例：配列でスタックっぽく

細かい実装は後でもいいので、動きの雰囲気だけ見える例にします。

ファイル名：7_2_3.c

#include <stdio.h>

int main(void)
{
    int stack[3];
    int top = 0;  /* 次に入れる位置 */

    /* push */
    stack[top++] = 10;
    stack[top++] = 20;
    stack[top++] = 30;

    /* pop */
    printf("取り出し1: %d\n", stack[--top]);
    printf("取り出し2: %d\n", stack[--top]);

    printf("メッセージ: スタックは最後に入れたものが先に出るよ。\n");
    return 0;
}

キュー（FIFO：先入れ先出し）

最初に入れたものが最初に出てくる構造です。

• レジの待ち行列
• ATMの順番待ち

enqueue（入れる）: 後ろに並ぶ
dequeue（取り出す）: 前から出る
最初に入れたものが最初に出る

キューは「先頭から取り出す」ので、配列だけでやるとずらしが必要になったりして工夫が増えます。そこがまた面白いところです。

リスト（挿入・削除が得意）

配列は連続して並んでいるので、途中に追加・削除をすると要素をずらす必要があります。
リストは「つながり」で管理するので、途中の挿入・削除が得意になります。

• To-Do リスト
• 再生リスト

というイメージが近いです。

ハッシュ（検索が速い）

ハッシュは「キー → 値」を高速に引ける仕組みです。

• 名前 → 電話番号
• 単語 → 意味

みたいな「探す」が強い構造です。
アルゴリズムとしては、検索や登録が速くなるのが魅力です。

木（ツリー：階層構造）

階層で管理するデータ構造です。

• フォルダ構造
• 組織図

親子関係があるデータを扱うときに強いです。

どれを使えばいい？（入れ物選びの考え方）

迷ったら「何が多い作業か」で選ぶとスッキリします。

この考え方ができるようになると、「アルゴリズムを選ぶ」だけじゃなく「データの持ち方を選ぶ」設計力が育ってきます。