環状リスト (カンジョウリスト) とは | 意味や読み方など丁寧でわかりやすい用語解説

環状リスト (カンジョウリスト) の読み方

日本語表記

環状リスト (カンジョウリスト)

英語表記

Circular List (サーキュラーリスト)

環状リスト (カンジョウリスト) の意味や用語解説

環状リストは、データ構造の一種で、リストの最後の要素が最初の要素を指し、データが円環状に連なっているように見える構造を持つ。これは線形リストとは異なり、明確な終端を持たず、リストのどこからでも全ての要素にアクセスできる特徴を持つ。主に、リスト全体を巡回的に処理する場合や、特定の要素に効率的にアクセスする必要がある場合に利用される。 環状リストは、基本的なリスト構造と同様に、各要素がデータと次の要素への参照（ポインタ）を持つ「ノード」の集まりで構成される。線形リストでは、最後のノードのポインタはNULLを指し、リストの終端を示すが、環状リストでは最後のノードのポインタがリストの最初のノードを指す。これにより、リストの先頭から順にポインタを辿っていくと、やがて再び最初のノードに戻ってくるという循環構造が形成される。 環状リストには、大きく分けて単方向環状リストと双方向環状リストがある。単方向環状リストでは、各ノードはデータと次のノードへのポインタのみを持つ。最後のノードは最初のノードを指し、常に一方向へしか移動できない。一方、双方向環状リストでは、各ノードはデータと次のノードへのポインタに加え、前のノードへのポインタも持つ。この場合、最後のノードの「次」は最初のノードを指し、最初のノードの「前」は最後のノードを指す。双方向の参照を持つことで、リスト内をどちらの方向にも自由に移動できるようになる。リストが空の場合、特別な処理が必要となる。例えば、リストの先頭を指すポインタが自分自身を指す、またはNULLを指すことで空の状態を表現することが一般的である。 環状リストの最も顕著な利点は、リストのどこからでも全ての要素にアクセスできる巡回性である。線形リストでは、特定の要素から先頭や末尾にアクセスするためには、リストを最初から辿り直すか、複数のポインタを保持しておく必要があったが、環状リストでは、任意のノードからポインタを辿り続ければ、いずれは全てのノードを通過し、元のノードに戻ってくることができる。これにより、リストの特定の箇所を効率的に見つけたり、全ての要素に対して順番に処理を行ったりするのに適している。 また、リストの先頭と末尾へのアクセスが非常に効率的である点も利点である。単方向環状リストの場合でも、末尾ノードのポインタは直接先頭ノードを指すため、一度末尾ノードを特定すれば、非常に少ない計算量（O(1)）で先頭ノードにアクセスできる。同様に、先頭ノードを保持していれば、リストを一周することで末尾ノードに到達できるため、キューやリングバッファなどのデータ構造を効率的に実装するのに適している。要素の追加や削除の際も、ポインタの付け替えだけで済む場合が多く、特にリストの先頭や末尾への操作が頻繁に行われる場合に性能上の利点を発揮する。 しかし、環状リストは終端がないため、リストを処理する際には無限ループに陥らないよう注意が必要である。例えば、リスト内の全ての要素を処理する場合、どこかのノードから探索を開始し、再びそのノードに戻ってきたときに処理を終了するという終了条件を明確に定義する必要がある。通常、リストの先頭ノードへのポインタを別に保持しておき、探索中にその先頭ノードに再び到達したかどうかでループの終了を判断する。 また、特定のノードを削除する際には、そのノードを指していたポインタを付け替えるだけでなく、削除されるノードがリストの先頭や末尾であった場合の特殊な処理が必要になることがある。特に、単方向環状リストで特定のノードの「前」のノードを削除する場合、リストを最初から辿り直してその「前」のノードを見つけなければならないため、削除操作が複雑になる場合がある。双方向環状リストであればこの問題は軽減されるが、ポインタの管理がより複雑になる。 環状リストは、コンピューターシステム内の様々な場面で利用されている。代表的な例として、オペレーティングシステムのタスクスケジューリングにおけるラウンドロビン方式がある。この方式では、実行可能な複数のタスクを環状リストに保持し、CPUが各タスクに一定時間ずつ処理を割り当て、リストを巡回しながら順番に実行していく。一つのタスクの処理が終わると、リストの次のタスクに制御が移り、やがて最初のタスクに戻ってくるという形で、全てのタスクに公平に処理時間を割り当てる。 他にも、音楽プレーヤーのプレイリストを繰り返し再生する機能や、ウェブブラウザのタブを循環的に切り替える機能などにも応用される。キャッシュメモリの管理においても、最も古いデータを破棄して新しいデータを格納する際（例えば、LRUアルゴリズムの一種として）、データを環状リストで管理し、古いデータを効率的に見つけるために利用されることがある。また、データバッファとして用いられる「リングバッファ」も環状リストの一種であり、データの送受信時に限られたメモリ領域を効率的に再利用するために用いられる。これは、データを書き込むポインタと読み出すポインタが環状に移動し、バッファの容量を使い切った場合に古いデータを上書きしていく仕組みである。