初心者向け！C言語で線型リストを理解し活用する10のステップ

はじめに

本記事では、プログラミング初心者がC言語の線型リストを理解し、活用するための10のステップを詳細に解説します。

線型リストの基本概念から実装例、注意点、使い方まで、手取り足取り教えていきます。

C言語を学び始めた方、データ構造やリスト構造について学びたい方は是非、参考にしてみてください。

●線型リストとは：基本概念の理解

まず始めに、線型リストとは何なのか理解することから始めましょう。

線型リストは、プログラミングにおける基本的なデータ構造の一つで、データを順番に並べて保管するためのものです。

それぞれのデータ（ノードと呼ばれます）は、自分自身のデータと次のデータへの参照（リンクとも呼ばれます）を持っています。

●C言語での線型リストの作り方

それでは、実際にC言語で線型リストを作ってみましょう。

まず、ノードの作成と繋げ方から見ていきます。

○ノードの作成と繋げ方

ノードは、struct（構造体）を用いて作成します。

ノードは自身のデータと次のノードへのリンクを持つので、この２つの要素をメンバに持つ構造体を作ります。

下記のコードでは、int型のデータと次のノードへのリンク（ここではself参照のポインタを使用）を持つ構造体Nodeを定義しています。

typedef struct Node {
    int data;
    struct Node* next;
} Node;

次に、このノードを繋げていきます。

例えば新しく生成したノードを既存のリストの先頭に接続するには、新ノードのnextメンバに既存リストの先頭ノードのアドレスを設定し、その新ノードのアドレスを新たなリストの先頭アドレスとします。

具体的なコードは次のようになります。

Node* addNode(Node* head, int newData) {
    Node* newNode = (Node*)malloc(sizeof(Node));
    newNode->data = newData;
    newNode->next = head;
    return newNode;
}

○線型リストの初期化

線型リストの初期化は、リストの先頭を示すポインタ（通常はheadと呼ばれます）をNULLに設定することで行います。

下記のコードは、新たな線型リストを初期化する例です。

Node* head = NULL;

初期化後のリストにはノードが一つも存在しない状態です。

リストに新たなノードを追加するためには、上記で紹介したaddNode関数などを使ってノードを追加していきます。

●線型リストの操作

線型リストの醍醐味はその操作性にあります。

追加、削除、探索などの操作が可能ですが、そのすべてを一から実装する必要があるため、それが初めての人には難しく感じるかもしれません。

しかし、しっかりとその操作を理解し、自分の手で実装できるようになれば、プログラミング力は大幅に向上します。

それでは、一つ一つ見ていきましょう。

○要素の追加：ノードの挿入

線型リストに新たな要素を追加する操作を考えます。具体的には、ノードを作成し、既存のリストに挿入します。

このコードでは、新たなノードをリストの先頭に挿入する方法を紹介します。

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>

typedef struct node {
  int data;
  struct node *next;
} Node;

Node* add_node(int data, Node* head) {
  Node* new_node = (Node*)malloc(sizeof(Node));
  new_node->data = data;
  new_node->next = head;
  return new_node;
}

int main() {
  Node* head = NULL;
  head = add_node(3, head);
  head = add_node(2, head);
  head = add_node(1, head);

  Node* current_node = head;
  while(current_node != NULL) {
    printf("%d ", current_node->data);
    current_node = current_node->next;
  }

  return 0;
}

この例ではまず、ノードを生成し、そのデータ部にデータを格納します。

そして、生成したノードの次ノードを元々の先頭ノードにし、新たな先頭ノードを生成したノードに更新します。

その結果として、新たなノードがリストの先頭に追加されることになります。

上記のコードを実行すると、出力結果は次のようになります。

1 2 3

これは、1, 2, 3というデータをそれぞれ新たなノードとして生成し、先頭に追加した結果です。

リストの先頭にノードを追加すると、そのノードが最新のノードとなるため、先に追加したノードほど後ろに表示されることに注意してください。

次に、ノードをリストの末尾に追加する方法を見ていきましょう。

こちらは少し複雑な操作となりますが、理解することでリストの動きがより深く理解できます。

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>

typedef struct node {
  int data;
  struct node *next;
} Node;

Node* add_node_to_end(int data, Node* head) {
  Node* new_node = (Node*)malloc(sizeof(Node));
  new_node->data = data;
  new_node->next = NULL;

  if(head == NULL) {
    return new_node;
  }

  Node* current_node = head;
  while(current_node->next != NULL) {
    current_node = current_node->next;
  }
  current_node->next = new_node;
  return head;
}

int main() {
  Node* head = NULL;
  head = add_node_to_end(1, head);
  head = add_node_to_end(2, head);
  head = add_node_to_end(3, head);

  Node* current_node = head;
  while(current_node != NULL) {
    printf("%d ", current_node->data);
    current_node = current_node->next;
  }

  return 0;
}

この例では、新たなノードを生成し、そのデータ部にデータを格納します。

その次に、元々のリストが空（先頭ノードが存在しない）の場合は、生成したノードが先頭ノードとなります。

空でない場合は、リストの末尾（次ノードがNULLのノード）を探し出し、その末尾ノードの次ノードに生成したノードを設定します。

この操作により、新たなノードがリストの末尾に追加されます。

上記のコードを実行すると、出力結果は次のようになります。

1 2 3

この場合は、1, 2, 3というデータをそれぞれ新たなノードとして生成し、末尾に追加しています。

そのため、データは追加した順に表示されます。

○要素の削除：ノードの削除

リストから特定のノードを削除する方法について解説します。

ノードを削除するには、そのノードを指すポインタを切り離し、その後でノード自体をメモリから解放する必要があります。

ノードの削除を行う関数の一例を紹介します。

void deleteNode(struct Node** head_ref, int key)
{
    // スタートノードを保存
    struct Node* temp = *head_ref, *prev;

    // ヘッドノード自体が削除すべきキーを持っている場合
    if (temp != NULL && temp->data == key)
    {
        *head_ref = temp->next; // ヘッドを変更
        free(temp); // 前のヘッドノードを解放
        return;
    }

    // キーが見つかるかリストが終了するまで次のノードを探す
    while (temp != NULL && temp->data != key)
    {
        prev = temp;
        temp = temp->next;
    }

    // リストが終了した場合
    if (temp == NULL) return;

    // ノードをリンクリストから切り離す
    prev->next = temp->next;

    free(temp);  // ノードを解放
}

この関数では、まず削除したいノードのキーと一致するノードを探しています。

もし削除したいノードがリストの先頭にある場合は、ヘッドをその次のノードに変更します。

そして、一致するノードが見つかった場合は、その前のノードが次のノードを指すようにします。

そして最後に、一致したノードをメモリから解放します。

注意点として、この操作はO(n)の時間を必要とします。

なぜなら、最悪の場合リストの全てのノードを検索する必要があるからです。

○要素の探索：リスト内のデータの検索

リストから特定のデータを検索するためのアルゴリズムはシンプルで、リストの先頭から始めて、ノードのデータが検索対象のデータと一致するかどうかを確認します。

一致するデータが見つかるか、リストの最後に達するまで、この操作を繰り返します。

この検索処理を行う関数の一例を紹介します。

bool search(struct Node* head, int x)
{
    struct Node* current = head;  // 現在のノードを初期化
    while (current != NULL)
    {
        if (current->data == x)
            return true;
        current = current->next;
    }
    return false;
}

このコードでは、線型リストの先頭からデータを探し始めています。

各ノードで、検索対象のデータxとノードのデータが一致するかどうかを確認します。

一致すればtrueを返し、一致しなければ次のノードに移動します。

リストの最後まで一致するノードが見つからなければfalseを返します。

この検索処理もまたO(n)の時間を必要とします。

なぜなら、最悪の場合リストの全てのノードを検索する必要があるからです。

●活用例とサンプルコード

ここでは、C言語で実装された線型リストの活用例を2つ、具体的に見ていきましょう。

それぞれのサンプルコードとその詳細な説明を提供します。

○データの並び替え

線型リストの最大の利点の一つは、データの並び替えを非常に容易に行えることです。

下記のコードは、線型リスト内のノードを並び替える例を示しています。

void sortList(struct Node** head) {
    struct Node* current = *head;
    struct Node* index = NULL;
    int temp;

    if (head == NULL) {
        return;
    } else {
        while (current != NULL) {
            // ノードを指すindexを次のノードに移動
            index = current->next;

            while (index != NULL) {
                // 比較して現在のノードのデータが次のノードのデータより大きい場合、それらを交換
                if (current->data > index->data) {
                    temp = current->data;
                    current->data = index->data;
                    index->data = temp;
                }
                index = index->next;
            }
            current = current->next;
        }
    }
}

このコードでは、リスト内の各ノードのデータを順番に比較し、そのデータが次のノードのデータより大きい場合、それらのデータを交換するという処理を行っています。

これにより、リスト内のデータが昇順に並び替えられます。

次に、並び替えられたリストを表示するためのコードを見てみましょう。

void display(struct Node* head) {
    struct Node* temp = head;

    while (temp != NULL) {
        printf("%d ", temp->data);
        temp = temp->next;
    }
    printf("\n");
}

このコードでは、先頭ノードから始めて、各ノードのデータを表示し、次のノードに進むという操作を行っています。

最終的にリストの最後（NULL）に到達した時点で表示を終了します。

○データの分割・結合

線型リストは、ノードの繋がりを切り替えることで容易にデータを分割・結合することが可能です。

線型リストを2つに分割する例を紹介します。

void splitList(struct Node* head, struct Node** frontRef, struct Node** backRef) {
    struct Node* fast;
    struct Node* slow;
    slow = head;
    fast = head->next;

    // fastが最後に到達するまで、slowは1つ進み、fastは2つ進む
    while (fast != NULL) {
        fast = fast->next;
        if (fast != NULL) {
            slow = slow->next;
            fast = fast->next;
        }
    }

    // slowは中間ノードになるので、前半と後半を分割
    *frontRef = head;
    *backRef = slow->next;
    slow->next = NULL;
}

このコードでは、「ハーフステップ」のslowポインタと「フルステップ」のfastポインタを使ってリストを中央で分割します。

fastポインタがリストの終わりに達した時、slowポインタはリストの中央に位置するため、これを基にリストを2つに分割することができます。

●線型リストの利点と注意点

C言語での線型リストの活用について学んできましたが、どんなものにでも利点と注意点があります。

まず、線型リストの利点を見ていきましょう。

①柔軟性

線型リストは、データを格納する領域が非連続でも良いため、動的にデータを追加・削除する際にメモリを効率的に利用できます。

②挿入と削除の効率

リストの中間に新しい要素を挿入したり、既存の要素を削除するのが容易です。

これは、要素がポインタで結ばれているため、ポインタを書き換えるだけで要素の追加や削除が可能だからです。

次に、注意点を見ていきましょう。

①検索時間

配列に比べてデータの検索に時間がかかります。

これは、各要素がメモリ上の非連続な位置に存在するため、特定の要素を探すためにはリストの先頭から順に追っていく必要があるからです。

②管理コスト

ノード間のリンクを管理するための追加的なメモリ（ポインタ）が必要です。

これにより、メモリの使用効率が配列に比べて低下します。

これらの利点と注意点を理解することで、線型リストがどのような場面で適切に使用できるのかを理解することができます。

●エラーとその対処法

プログラミングにおけるエラーは避けて通れない道です。

しかし、適切に対処することで、エラーは貴重な学習の機会に変わります。

線型リストでよく発生するエラーとその対処法について見ていきましょう。

①メモリリーク

ノードを削除する際に、メモリを開放し忘れるとメモリリークが発生します。

これを防ぐためには、ノードを削除する際に必ずメモリを開放するようにしましょう。

void deleteNode(Node** head_ref, int key) 
{ 
    Node* temp = *head_ref, *prev; 

    // ヘッドノードを削除する場合 
    if (temp != NULL && temp->data == key) 
    { 
        *head_ref = temp->next;
        free(temp);
        return; 
    } 

    // キーがヘッドノード以外のところで見つかった場合 
    while (temp != NULL && temp->data != key) 
    { 
        prev = temp; 
        temp = temp->next; 
    } 

    // リスト内にキーが存在しない場合 
    if (temp == NULL) return; 

    prev->next = temp->next; 
    free(temp);
}

このコードでは、ノードを削除するときに、メモリ解放関数であるfreeを使っています。

これにより、削除したノードのメモリが正しく開放され、メモリリークを防ぐことができます。

②ヌルポインタの参照

ポインタがNULLを指している状態でそのポインタを参照しようとすると、エラーが発生します。このエラーを防ぐためには、ポインタを参照する前に必ずNULLでないことを確認しましょう。

③未初期化ポインタの参照

初期化されていないポインタを参照しようとすると、予期せぬエラーが発生します。

ポインタを使用する前に必ず適切に初期化することを忘れないようにしましょう。

これらのエラーはどれも基本的なもので、よく見られます。

このようなエラーに遭遇した時は、混乱せずにエラーメッセージをじっくり読み解くことで、問題の原因を見つけるヒントが得られます。

また、デバッガを使用することで、コードの実行フローを詳しく調べてエラーの原因を特定することができます。

●カスタマイズの方法

線型リストの基本的な機能に習熟したら、次のステップはそれを自分の目的に合わせてカスタマイズすることです。

例えば、ノードにさまざまなデータ型を格納する方法を考えてみましょう。

○線型リストのノードに構造体を格納する

構造体を用いて、ノードに複数の情報を格納することが可能です。

次のサンプルコードは、ノードに整数と文字列の両方を格納する線型リストの例を示しています。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

// 構造体の定義
typedef struct Person {
    int age;
    char name[30];
} Person;

// リストのノードを定義
typedef struct Node {
    Person data; // 構造体を格納する
    struct Node* next;
} Node;

// ノードの作成
Node* create_node(Person data) {
    Node* new_node = (Node*)malloc(sizeof(Node));
    new_node->data = data;
    new_node->next = NULL;
    return new_node;
}

int main() {
    Person person1 = {20, "Taro"};
    Person person2 = {25, "Hanako"};

    Node* node1 = create_node(person1);
    Node* node2 = create_node(person2);
    node1->next = node2; // node1からnode2へのリンクを作成

    // リストの要素を表示
    Node* temp = node1;
    while(temp != NULL) {
        printf("Name: %s, Age: %d\n", temp->data.name, temp->data.age);
        temp = temp->next;
    }

    free(node1);
    free(node2);
    return 0;
}

このコードでは、初めに人物の情報を表すPersonという名前の構造体を定義しています。

この構造体は年齢（整数型）と名前（文字列型）を格納します。

次に、この構造体を格納するノードを定義します。

そして、ノードの作成の際にはPerson型のデータを引数として取り、そのデータを新しく作成したノードに格納します。

この例では、ノードに「Taro」という名前の20歳の人物と「Hanako」という名前の25歳の人物を格納し、その後リストのすべての要素を表示しています。

このように線型リストは柔軟性が高く、ノードに異なる種類のデータを格納することが可能です。

したがって、自身の目的や問題の内容に応じて、線型リストを適切にカスタマイズすることが求められます。

最後に、プログラミングは終わりのない学びの旅であり、線型リストはその一部にすぎません。

今回学んだ知識を活用し、さまざまな問題に対応する力を身につけてください。

まとめ

線型リストはコンピュータサイエンスにおいて重要なデータ構造の一つです。

C言語における線型リストの作成と操作、カスタマイズ方法を学ぶことで、より複雑なデータ構造やアルゴリズムに対する理解が深まるでしょう。

この記事を通して線型リストの基本を学んだ初心者の皆さんは、ぜひこれを機に更なる学習を進めてみてください。