双方向リスト (ソウホウコウリスト) とは | 意味や読み方など丁寧でわかりやすい用語解説

双方向リスト (ソウホウコウリスト) の読み方

日本語表記

双方向連結リスト (ソウホウコウレンケツリスト)

英語表記

doubly linked list (ダブリーリンクドリスト)

双方向リスト (ソウホウコウリスト) の意味や用語解説

双方向リストは、データ構造の一種であり、複数のデータを順番に格納し、管理する仕組みである。このリストの最大の特徴は、格納されている各データ要素が、次のデータ要素への参照（ポインタ）だけでなく、前のデータ要素への参照も持っている点にある。この構造により、リストの要素を先頭から末尾へ向かってたどるだけでなく、末尾から先頭へ逆方向にも効率的にたどることができる。 データ構造における基本的なリストの一つに「単方向リスト」がある。これは各データ要素が次のデータ要素への参照のみを持つ構造であり、一度前のデータ要素へ進んでしまうと、現在のデータ要素から前のデータ要素へ直接戻ることはできない。もし前のデータ要素に戻りたい場合は、リストの先頭から再度たどり直すか、特別な処理を実装する必要がある。双方向リストは、この単方向リストの持つ制約を克服するために設計されたものであり、データの探索や操作においてより高い柔軟性と効率性を提供する。 双方向リストの各データ要素は「ノード」と呼ばれることが多い。このノードは一般的に三つの部分から構成される。一つは「データ」そのもので、これは実際にリストに格納したい情報である。残りの二つは「次のノードへの参照（nextポインタ）」と「前のノードへの参照（prevポインタ）」である。例えば、ノードA、ノードB、ノードCがこの順で並んでいるとすると、ノードBは、そのデータに加え、ノードCを指すnextポインタと、ノードAを指すprevポインタを持つ。リストの先頭にあるノードのprevポインタは、前のノードが存在しないため、通常は特別な値（ヌルなど）を保持する。同様に、リストの末尾にあるノードのnextポインタも、次のノードが存在しないためヌルを保持する。 この双方向の参照を持つ構造は、リストの操作に大きなメリットをもたらす。例えば、リスト内の特定のノードを削除する場合を考える。単方向リストでは、削除したいノードの「前のノード」を見つけ出すために、リストの先頭から一つずつたどっていく必要があった。しかし、双方向リストの場合、削除したいノード自身がprevポインタを通じて前のノードを直接指しているため、その前のノードを即座に特定できる。これにより、削除対象のノードをリストから切り離し、その前のノードと次のノードを直接連結させる処理が非常に効率的に行える。 新しいノードをリストの途中に挿入する際も、双方向リストの利点が発揮される。挿入したい位置の前後にあるノードのポインタを適切に更新することで、新しいノードを簡単に組み込むことができる。例えば、ノードAとノードBの間に新しいノードXを挿入する場合、ノードAのnextポインタをノードXに、ノードXのprevポインタをノードAに設定する。同時に、ノードBのprevポインタをノードXに、ノードXのnextポインタをノードBに設定する。これにより、複数のポインタ更新は必要になるものの、特定の場所への挿入が容易に実現できる。 双方向リストの主な利点は、やはりデータ要素間を両方向に自由に移動できる点にある。これにより、特定のデータ要素を見つけた後、その前後にある関連データを効率的に探索したり、リストを逆方向にたどって過去の履歴を参照したりするような場面で非常に有用である。Webブラウザの「戻る」ボタンや、テキストエディタの「元に戻す（Undo）」機能などは、まさにこの双方向リストの概念が活用されている典型的な例と言える。また、一定期間使用されていないデータを削除するLRU（Least Recently Used）キャッシュの管理など、データ要素の順番が頻繁に変わるようなシステムにも適している。 一方で、双方向リストにはいくつかのトレードオフも存在する。最も分かりやすいデメリットは、単方向リストに比べて「メモリ消費量が多い」ことだ。各ノードがデータ本体に加えて二つのポインタ（nextポインタとprevポインタ）を持つため、同じ数のデータを格納する場合でも、単方向リストより余分なメモリ空間が必要となる。特に、格納するデータが非常に小さく、ノード数が膨大になるようなシステムでは、このポインタによるメモリのオーバーヘッドが無視できない要因となる可能性がある。 また、ノードの追加や削除といった操作の際に、単方向リストよりも多くのポインタを更新する必要があるため、実装がやや複雑になる傾向がある。例えば、ノードを挿入する際には、単方向リストであれば二つのポインタの更新で済むが、双方向リストでは四つのポインタの更新が必要となる。このポインタ操作の複雑さが増すことで、実装時のミスやバグにつながる可能性も高まる。 しかし、これらのデメリットがあったとしても、双方向リストが提供する柔軟性と効率性は、多くのシステムにおいて極めて重要である。データの前後関係を頻繁に参照したり、リストの途中から逆方向にデータをたどる必要があるような要件を持つシステムでは、双方向リストは強力な解決策となる。単方向リストでは非効率的だったり、複雑な回避策が必要だったりする操作が、双方向リストでは自然かつ効率的に実装できるため、システム設計において不可欠なデータ構造の一つとして広く活用されている。 さらに、双方向リストを応用した「循環双方向リスト」というバリエーションも存在する。これは、リストの末尾ノードのnextポインタが先頭ノードを指し、先頭ノードのprevポインタが末尾ノードを指すことで、リスト全体が輪のような構造になるものである。これにより、リスト内のどのノードから始めても、全てのノードへ前方・後方どちらの方向へも無限にたどり続けることができる。このように、双方向リストとその派生形は、多くのソフトウェアシステムの基盤技術として、その概念と実装が広く利用されている。システムエンジニアを目指す上では、この双方向リストの構造、操作、そして適用場面を深く理解することが、データ構造の基礎を固める上で極めて重要である。