C++でのstd::vectorを使った効率的な配列操作方法

C++の標準ライブラリであるstd::vectorは、動的配列を簡単に扱うための強力なツールです。本記事では、std::vectorの基本的な使い方から、効率的な配列操作のテクニック、応用例までを詳細に解説します。これを読むことで、C++での配列操作をより効果的に行えるようになります。

std::vectorの基本概要

std::vectorは、C++標準ライブラリの一部で、動的配列を実装するためのテンプレートクラスです。配列のサイズを動的に変更でき、メモリ管理を自動化するため、手動でのメモリ管理が不要です。以下にstd::vectorの基本的な特徴と使い方を示します。

std::vectorの特徴

動的にサイズを変更可能
メモリ管理が自動化
ランダムアクセスが可能
さまざまなメソッドが利用可能（例：push_back, pop_back, at, sizeなど）

std::vectorの基本構文

#include <vector>
#include <iostream>

int main() {
    std::vector<int> numbers;  // int型の動的配列を宣言
    numbers.push_back(1);      // 要素を追加
    numbers.push_back(2);
    numbers.push_back(3);

    for (int i = 0; i < numbers.size(); ++i) {
        std::cout << numbers[i] << std::endl;  // 各要素を出力
    }

    return 0;
}

このコードでは、std::vectorの基本的な使い方を示しています。numbersという名前の動的配列を宣言し、push_backメソッドで要素を追加し、sizeメソッドで要素数を取得し、[]演算子で各要素にアクセスしています。

std::vectorの初期化方法

std::vectorの初期化にはさまざまな方法があり、用途や状況に応じて適切な方法を選ぶことが重要です。ここでは、いくつかの初期化方法を紹介します。

デフォルト初期化

デフォルトのコンストラクタを使用して、空のベクトルを作成します。

#include <vector>

std::vector<int> vec;  // 空のベクトルを初期化

指定したサイズで初期化

指定したサイズで初期化し、各要素はデフォルト値で初期化されます。

#include <vector>

std::vector<int> vec(5);  // 5要素のベクトルを初期化（各要素は0）

指定したサイズと初期値で初期化

全ての要素を特定の値で初期化します。

#include <vector>

std::vector<int> vec(5, 10);  // 5要素のベクトルを初期化（各要素は10）

配列から初期化

既存の配列からベクトルを初期化します。

#include <vector>

int arr[] = {1, 2, 3, 4, 5};
std::vector<int> vec(std::begin(arr), std::end(arr));  // 配列を使って初期化

初期化リストを使用して初期化

C++11以降、初期化リストを使ってベクトルを初期化することができます。

#include <vector>

std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};  // 初期化リストを使用して初期化

別のベクトルから初期化

既存のベクトルから新しいベクトルを初期化します。

#include <vector>

std::vector<int> vec1 = {1, 2, 3, 4, 5};
std::vector<int> vec2(vec1);  // 別のベクトルから初期化

これらの初期化方法を使い分けることで、プログラムの効率と可読性を向上させることができます。

要素の追加と削除

std::vectorは動的にサイズを変更できるため、要素の追加と削除が非常に簡単に行えます。ここでは、std::vectorの要素を追加および削除する方法を解説します。

要素の追加

push_back

末尾に要素を追加します。

#include <vector>

std::vector<int> vec;
vec.push_back(1);  // 要素1を追加
vec.push_back(2);  // 要素2を追加

emplace_back

末尾に要素を追加しますが、オブジェクトの構築を最適化します。

#include <vector>

std::vector<std::pair<int, int>> vec;
vec.emplace_back(1, 2);  // 要素(1, 2)を追加

要素の削除

pop_back

末尾の要素を削除します。

#include <vector>

std::vector<int> vec = {1, 2, 3};
vec.pop_back();  // 最後の要素3を削除

erase

指定した位置の要素を削除します。

#include <vector>

std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4};
vec.erase(vec.begin() + 1);  // 2番目の要素2を削除

clear

全ての要素を削除します。

#include <vector>

std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4};
vec.clear();  // 全ての要素を削除

要素の挿入

insert

指定した位置に要素を挿入します。

#include <vector>

std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4};
vec.insert(vec.begin() + 1, 10);  // 2番目の位置に10を挿入

std::vectorの要素の追加と削除を効果的に行うことで、柔軟かつ効率的なデータ操作が可能になります。これらの操作を適切に利用することで、プログラムの性能と可読性を向上させることができます。

std::vectorを用いたソート

std::vectorを使ってデータをソートする方法について解説します。C++の標準ライブラリには、効率的なソートアルゴリズムが提供されています。

std::sort関数を使用したソート

標準ライブラリのstd::sort関数を使って、std::vector内の要素をソートする方法です。

#include <vector>
#include <algorithm>
#include <iostream>

int main() {
    std::vector<int> vec = {3, 1, 4, 1, 5, 9, 2};

    // 昇順にソート
    std::sort(vec.begin(), vec.end());

    // ソート後の要素を出力
    for (int n : vec) {
        std::cout << n << " ";
    }

    return 0;
}

このコードでは、std::sort関数を使用してベクトルを昇順にソートしています。

カスタム比較関数を使用したソート

カスタム比較関数を使用して、独自の基準でソートする方法です。

#include <vector>
#include <algorithm>
#include <iostream>

// 比較関数
bool compare(int a, int b) {
    return a > b;  // 降順にソート
}

int main() {
    std::vector<int> vec = {3, 1, 4, 1, 5, 9, 2};

    // カスタム比較関数を使用してソート
    std::sort(vec.begin(), vec.end(), compare);

    // ソート後の要素を出力
    for (int n : vec) {
        std::cout << n << " ";
    }

    return 0;
}

このコードでは、compare関数を使用してベクトルを降順にソートしています。

部分ソート

ベクトルの一部のみをソートする方法です。

#include <vector>
#include <algorithm>
#include <iostream>

int main() {
    std::vector<int> vec = {3, 1, 4, 1, 5, 9, 2};

    // 部分ソート
    std::partial_sort(vec.begin(), vec.begin() + 4, vec.end());

    // ソート後の要素を出力
    for (int n : vec) {
        std::cout << n << " ";
    }

    return 0;
}

このコードでは、std::partial_sort関数を使用してベクトルの最初の4要素を昇順にソートしています。

安定ソート

元の順序を保ちながらソートする方法です。

#include <vector>
#include <algorithm>
#include <iostream>

int main() {
    std::vector<std::pair<int, char>> vec = {{1, 'a'}, {3, 'b'}, {2, 'c'}, {1, 'd'}};

    // 安定ソート
    std::stable_sort(vec.begin(), vec.end());

    // ソート後の要素を出力
    for (const auto& p : vec) {
        std::cout << "{" << p.first << ", " << p.second << "} ";
    }

    return 0;
}

このコードでは、std::stable_sort関数を使用して、元の順序を保ちながらペアを昇順にソートしています。

これらの方法を使い分けることで、std::vectorのソートを効率的に行うことができます。

std::vectorの探索方法

std::vectorでは、様々な方法で要素を探索することができます。ここでは、代表的な探索方法を解説します。

std::find関数を使用した探索

std::find関数を使用して、ベクトル内の特定の要素を探索する方法です。

#include <vector>
#include <algorithm>
#include <iostream>

int main() {
    std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};

    // 要素3を探索
    auto it = std::find(vec.begin(), vec.end(), 3);

    if (it != vec.end()) {
        std::cout << "要素3が見つかりました。インデックス: " << std::distance(vec.begin(), it) << std::endl;
    } else {
        std::cout << "要素3が見つかりませんでした。" << std::endl;
    }

    return 0;
}

このコードでは、std::find関数を使用して要素3を探索し、見つかった場合はそのインデックスを出力します。

std::find_if関数を使用した条件付き探索

条件を満たす要素を探索するために、std::find_if関数を使用します。

#include <vector>
#include <algorithm>
#include <iostream>

bool isEven(int n) {
    return n % 2 == 0;
}

int main() {
    std::vector<int> vec = {1, 3, 5, 6, 7};

    // 偶数の要素を探索
    auto it = std::find_if(vec.begin(), vec.end(), isEven);

    if (it != vec.end()) {
        std::cout << "最初の偶数要素が見つかりました。値: " << *it << std::endl;
    } else {
        std::cout << "偶数要素が見つかりませんでした。" << std::endl;
    }

    return 0;
}

このコードでは、std::find_if関数を使用して最初の偶数要素を探索し、見つかった場合はその値を出力します。

std::binary_search関数を使用した二分探索

ソート済みのベクトルに対して、std::binary_search関数を使用して要素を探索します。

#include <vector>
#include <algorithm>
#include <iostream>

int main() {
    std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};

    // 要素3を二分探索
    bool found = std::binary_search(vec.begin(), vec.end(), 3);

    if (found) {
        std::cout << "要素3が見つかりました。" << std::endl;
    } else {
        std::cout << "要素3が見つかりませんでした。" << std::endl;
    }

    return 0;
}

このコードでは、std::binary_search関数を使用してソート済みのベクトル内で要素3を探索します。

std::lower_boundおよびstd::upper_bound関数を使用した範囲探索

ソート済みのベクトルに対して、範囲を指定して探索する方法です。

#include <vector>
#include <algorithm>
#include <iostream>

int main() {
    std::vector<int> vec = {1, 2, 2, 3, 4, 5};

    // 要素2の範囲を探索
    auto lower = std::lower_bound(vec.begin(), vec.end(), 2);
    auto upper = std::upper_bound(vec.begin(), vec.end(), 2);

    std::cout << "要素2の範囲: [" << std::distance(vec.begin(), lower) << ", " << std::distance(vec.begin(), upper) << ")" << std::endl;

    return 0;
}

このコードでは、std::lower_boundとstd::upper_bound関数を使用して、要素2の範囲を探索しています。

これらの方法を使用することで、std::vector内の要素を効率的に探索することができます。

std::vectorのサイズと容量管理

std::vectorは動的にサイズを変更できるため、サイズと容量の管理が重要です。ここでは、サイズと容量の管理方法について解説します。

サイズの取得と変更

sizeメソッド

ベクトルの現在のサイズ（要素数）を取得します。

#include <vector>
#include <iostream>

int main() {
    std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};

    std::cout << "サイズ: " << vec.size() << std::endl;  // 現在のサイズを出力

    return 0;
}

resizeメソッド

ベクトルのサイズを変更します。サイズが拡大される場合、新しい要素はデフォルト値で初期化されます。

#include <vector>
#include <iostream>

int main() {
    std::vector<int> vec = {1, 2, 3};
    vec.resize(5);  // サイズを5に変更

    std::cout << "新しいサイズ: " << vec.size() << std::endl;

    for (int n : vec) {
        std::cout << n << " ";  // 新しい要素は0で初期化
    }

    return 0;
}

容量の取得と管理

capacityメソッド

ベクトルが現在確保している容量を取得します。容量は、サイズが超えた場合に自動的に増加します。

#include <vector>
#include <iostream>

int main() {
    std::vector<int> vec = {1, 2, 3};

    std::cout << "容量: " << vec.capacity() << std::endl;

    return 0;
}

reserveメソッド

必要な容量を事前に確保します。これにより、容量が頻繁に増加するのを防ぎ、パフォーマンスを向上させることができます。

#include <vector>
#include <iostream>

int main() {
    std::vector<int> vec;
    vec.reserve(10);  // 容量を10に設定

    std::cout << "容量: " << vec.capacity() << std::endl;

    return 0;
}

容量を減らす方法

shrink_to_fitメソッド

使用されていない容量を解放し、容量を現在のサイズに縮小します。

#include <vector>
#include <iostream>

int main() {
    std::vector<int> vec = {1, 2, 3};
    vec.reserve(10);  // 容量を10に設定

    std::cout << "容量（予約後）: " << vec.capacity() << std::endl;

    vec.shrink_to_fit();  // 容量をサイズに合わせて縮小

    std::cout << "容量（縮小後）: " << vec.capacity() << std::endl;

    return 0;
}

std::vectorのサイズと容量を適切に管理することで、メモリ使用量を最適化し、パフォーマンスを向上させることができます。

応用例: 2次元ベクトルの操作

std::vectorは、ベクトルのベクトル（2次元ベクトル）を扱うこともできます。ここでは、2次元ベクトルを使った操作方法について解説します。

2次元ベクトルの初期化

2次元ベクトルの基本的な初期化方法です。

#include <vector>
#include <iostream>

int main() {
    // 3x3の2次元ベクトルを初期化（各要素は0）
    std::vector<std::vector<int>> matrix(3, std::vector<int>(3, 0));

    // 初期化した2次元ベクトルを表示
    for (const auto& row : matrix) {
        for (int val : row) {
            std::cout << val << " ";
        }
        std::cout << std::endl;
    }

    return 0;
}

このコードでは、3×3の2次元ベクトルを初期化し、全ての要素を0で初期化しています。

2次元ベクトルへの値の代入

特定の位置に値を代入する方法です。

#include <vector>
#include <iostream>

int main() {
    std::vector<std::vector<int>> matrix(3, std::vector<int>(3, 0));

    // 値を代入
    matrix[1][1] = 5;

    // 値を代入した後の2次元ベクトルを表示
    for (const auto& row : matrix) {
        for (int val : row) {
            std::cout << val << " ";
        }
        std::cout << std::endl;
    }

    return 0;
}

このコードでは、1行1列目の要素に5を代入しています。

2次元ベクトルのサイズ変更

行数や列数を変更する方法です。

#include <vector>
#include <iostream>

int main() {
    std::vector<std::vector<int>> matrix(3, std::vector<int>(3, 0));

    // 行を追加
    matrix.push_back(std::vector<int>(3, 0));

    // 列を追加
    for (auto& row : matrix) {
        row.push_back(0);
    }

    // サイズ変更後の2次元ベクトルを表示
    for (const auto& row : matrix) {
        for (int val : row) {
            std::cout << val << " ";
        }
        std::cout << std::endl;
    }

    return 0;
}

このコードでは、新しい行と列を追加しています。

2次元ベクトルの操作例

2次元ベクトルを使って簡単な行列の足し算を行う方法です。

#include <vector>
#include <iostream>

int main() {
    // 2つの3x3行列を初期化
    std::vector<std::vector<int>> matrix1 = {
        {1, 2, 3},
        {4, 5, 6},
        {7, 8, 9}
    };

    std::vector<std::vector<int>> matrix2 = {
        {9, 8, 7},
        {6, 5, 4},
        {3, 2, 1}
    };

    // 行列の足し算
    std::vector<std::vector<int>> result(3, std::vector<int>(3, 0));
    for (int i = 0; i < 3; ++i) {
        for (int j = 0; j < 3; ++j) {
            result[i][j] = matrix1[i][j] + matrix2[i][j];
        }
    }

    // 結果を表示
    for (const auto& row : result) {
        for (int val : row) {
            std::cout << val << " ";
        }
        std::cout << std::endl;
    }

    return 0;
}

このコードでは、2つの3×3行列の要素を足し合わせた結果を表示しています。

2次元ベクトルを使うことで、複雑なデータ構造を簡単に扱うことができ、様々なアルゴリズムやデータ操作が可能になります。

応用例: カスタムオブジェクトの操作

std::vectorを使って、カスタムオブジェクトを効率的に扱う方法について解説します。カスタムオブジェクトとは、ユーザーが定義したクラスや構造体のことです。

カスタムオブジェクトの定義

まずは、カスタムオブジェクトを定義します。ここでは、簡単なPersonクラスを例にします。

#include <iostream>
#include <vector>
#include <string>

class Person {
public:
    std::string name;
    int age;

    Person(std::string n, int a) : name(n), age(a) {}

    void display() const {
        std::cout << "Name: " << name << ", Age: " << age << std::endl;
    }
};

std::vectorでカスタムオブジェクトを扱う

次に、std::vectorを使ってPersonオブジェクトのコレクションを扱います。

#include <vector>
#include <iostream>
#include <string>

int main() {
    // Personオブジェクトのベクトルを作成
    std::vector<Person> people;

    // Personオブジェクトを追加
    people.emplace_back("Alice", 30);
    people.emplace_back("Bob", 25);
    people.emplace_back("Charlie", 35);

    // 全てのPersonオブジェクトを表示
    for (const auto& person : people) {
        person.display();
    }

    return 0;
}

このコードでは、emplace_backメソッドを使用してPersonオブジェクトを追加し、displayメソッドで各オブジェクトの情報を表示しています。

カスタムオブジェクトのソート

Personオブジェクトを年齢順にソートする方法です。

#include <algorithm>
#include <vector>
#include <iostream>
#include <string>

bool compareByAge(const Person& a, const Person& b) {
    return a.age < b.age;
}

int main() {
    std::vector<Person> people = {{"Alice", 30}, {"Bob", 25}, {"Charlie", 35}};

    // 年齢順にソート
    std::sort(people.begin(), people.end(), compareByAge);

    // ソート後のPersonオブジェクトを表示
    for (const auto& person : people) {
        person.display();
    }

    return 0;
}

このコードでは、カスタムの比較関数compareByAgeを使ってPersonオブジェクトを年齢順にソートしています。

カスタムオブジェクトの検索

Personオブジェクトのコレクションから特定の名前を持つオブジェクトを検索する方法です。

#include <algorithm>
#include <vector>
#include <iostream>
#include <string>

bool findByName(const Person& person, const std::string& name) {
    return person.name == name;
}

int main() {
    std::vector<Person> people = {{"Alice", 30}, {"Bob", 25}, {"Charlie", 35}};

    // 名前で検索
    auto it = std::find_if(people.begin(), people.end(), 
                           [&](const Person& person) { return findByName(person, "Bob"); });

    if (it != people.end()) {
        std::cout << "Found: ";
        it->display();
    } else {
        std::cout << "Person not found." << std::endl;
    }

    return 0;
}

このコードでは、std::find_ifを使って名前が”Bob”のPersonオブジェクトを検索しています。

これらの例を通じて、std::vectorを使ってカスタムオブジェクトを効率的に扱う方法を理解できます。カスタムオブジェクトを使用することで、プログラムの柔軟性と拡張性を高めることができます。

演習問題

ここでは、std::vectorを使用した配列操作の理解を深めるための演習問題を提供します。これらの問題を解くことで、実際のプログラムでのstd::vectorの使い方を実践的に学ぶことができます。

問題1: ベクトルの基本操作

以下の手順に従って、ベクトルを操作するプログラムを作成してください。

int型の空のベクトルを作成する。
ベクトルに値10, 20, 30を追加する。
ベクトルの全要素を表示する。
最初の要素を削除する。
ベクトルのサイズを表示する。

#include <vector>
#include <iostream>

int main() {
    // 1. 空のベクトルを作成
    std::vector<int> vec;

    // 2. 値を追加
    vec.push_back(10);
    vec.push_back(20);
    vec.push_back(30);

    // 3. 全要素を表示
    for (int val : vec) {
        std::cout << val << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    // 4. 最初の要素を削除
    vec.erase(vec.begin());

    // 5. サイズを表示
    std::cout << "サイズ: " << vec.size() << std::endl;

    return 0;
}

問題2: 2次元ベクトルの操作

以下の手順に従って、2次元ベクトルを操作するプログラムを作成してください。

3×3の2次元ベクトルを作成し、全ての要素を1で初期化する。
ベクトルの全要素を表示する。
2次元ベクトルの2行目の全要素を3に変更する。
変更後の2次元ベクトルを表示する。

#include <vector>
#include <iostream>

int main() {
    // 1. 3x3の2次元ベクトルを作成し、全ての要素を1で初期化
    std::vector<std::vector<int>> matrix(3, std::vector<int>(3, 1));

    // 2. 全要素を表示
    for (const auto& row : matrix) {
        for (int val : row) {
            std::cout << val << " ";
        }
        std::cout << std::endl;
    }

    std::cout << "---" << std::endl;

    // 3. 2行目の全要素を3に変更
    for (int& val : matrix[1]) {
        val = 3;
    }

    // 4. 変更後の2次元ベクトルを表示
    for (const auto& row : matrix) {
        for (int val : row) {
            std::cout << val << " ";
        }
        std::cout << std::endl;
    }

    return 0;
}

問題3: カスタムオブジェクトの操作

以下の手順に従って、カスタムオブジェクトを操作するプログラムを作成してください。

Personクラスを作成し、name（文字列）とage（整数）のメンバ変数を持つ。
Personクラスのコンストラクタとdisplayメソッドを定義する。
std::vectorを使用してPersonオブジェクトのコレクションを作成し、3つのPersonオブジェクト（任意の名前と年齢）を追加する。
全てのPersonオブジェクトをdisplayメソッドで表示する。

#include <vector>
#include <iostream>
#include <string>

class Person {
public:
    std::string name;
    int age;

    Person(std::string n, int a) : name(n), age(a) {}

    void display() const {
        std::cout << "Name: " << name << ", Age: " << age << std::endl;
    }
};

int main() {
    // 3. Personオブジェクトのベクトルを作成し、3つのオブジェクトを追加
    std::vector<Person> people;
    people.emplace_back("Alice", 30);
    people.emplace_back("Bob", 25);
    people.emplace_back("Charlie", 35);

    // 4. 全てのPersonオブジェクトを表示
    for (const auto& person : people) {
        person.display();
    }

    return 0;
}

これらの演習問題を通じて、std::vectorの基本的な使い方から、2次元ベクトルやカスタムオブジェクトの操作までを実践的に学ぶことができます。問題を解きながら、std::vectorの特性や機能を深く理解してください。

まとめ

本記事では、C++のstd::vectorを使った配列操作の基本から応用までを詳しく解説しました。std::vectorは動的配列を簡単に扱うための強力なツールであり、適切に使用することでコードの柔軟性と効率性を大幅に向上させることができます。

具体的には、std::vectorの初期化方法、要素の追加と削除、ソートや探索、サイズと容量の管理、さらに2次元ベクトルやカスタムオブジェクトの操作方法について紹介しました。また、演習問題を通じて、実践的な知識の習得を目指しました。

std::vectorを効果的に活用することで、C++プログラムのメモリ管理やデータ操作がより容易になります。この記事が、あなたのC++プログラミングスキルの向上に役立つことを願っています。