木構造 (モッコウゾウ) とは | 意味や読み方など丁寧でわかりやすい用語解説

木構造 (モッコウゾウ) の読み方

日本語表記

木構造 (キコウゾウ)

英語表記

Tree structure (ツリーストラクチャー)

木構造 (モッコウゾウ) の意味や用語解説

木構造は、データを階層的な関係で表現するためのデータ構造の一種である。階層とは、親子関係や上下関係のように、データ間に順序や所属関係がある状態を指す。木構造は、一つの根元から枝が分かれていく樹木のような形をしていることからその名が付けられた。この構造は、コンピュータサイエンスの分野で非常に広く利用されており、システムを理解し構築する上で基本的な知識となる。身近な例としては、コンピュータのファイルシステムが挙げられる。最上位にドライブがあり、その下に複数のフォルダ（ディレクトリ）が存在し、各フォルダの中にさらにサブフォルダやファイルが格納されるという構造は、典型的な木構造である。この構造により、膨大な数のファイルやフォルダを体系的に整理し、目的のデータへ効率的にアクセスすることが可能になる。木構造は、このようにデータを分類・整理し、検索や管理を容易にするために用いられる。 木構造を構成する基本的な要素は「ノード」と「エッジ」である。ノードは、データそのものを格納する単位であり、節とも呼ばれる。エッジは、ノードとノードを結ぶ線のことであり、ノード間の関係性を示す。木構造には、必ず一つだけ最上位に位置する特別なノードが存在し、これを「ルート」または根ノードと呼ぶ。全てのデータは、このルートノードから階層的に連なっている。あるノードから見て、エッジで直接結ばれた一つ上の階層のノードを「親ノード」、逆に一つ下の階層のノードを「子ノード」と呼ぶ。ルートノードは親を持たない唯一のノードである。また、同じ親ノードを持つノード同士の関係を「兄弟ノード」という。子ノードを一切持たない末端のノードは「葉」または「リーフノード」と呼ばれる。一方で、ルートノードやリーフノード以外の、少なくとも一つの子を持つ中間的なノードを「内部ノード」と呼ぶ。木構造にはいくつかの重要な特性がある。まず、閉路（サイクル）が存在しない。つまり、あるノードからエッジをたどっていき、再び元のノードに戻るような経路は存在しない。また、ルート以外の全てのノードは、親ノードをただ一つだけ持つ。この特性により、データ間の階層関係が一意に定まる。 木構造には、その特性や制約によっていくつかの種類が存在する。代表的なものに「二分木」がある。これは、全てのノードが持つ子ノードの数が二つ以下である木構造を指す。構造が単純であるため、多くのアルゴリズムの基礎となっている。二分木を応用したものに「二分探索木」がある。これは、二分木に「あるノードの左側の子孫ノードは全てそのノードより小さい値を持ち、右側の子孫ノードは全て大きい値を持つ」というルールを追加したものである。このルールにより、データの検索、挿入、削除を非常に効率的に行うことができる。データベースのインデックスやファイルシステムで広く利用されているのが「B木」やその派生である「B+木」である。これらは、一つのノードが多数の子ノードを持つことを許容する多分木の一種で、特にディスクなどの外部記憶装置に保存された大量のデータを高速に検索するために設計されている。 システム開発の現場において、木構造は様々な場面で活用される。OSがファイルを管理するディレクトリ構造、データベースが特定のデータを高速に検索するためのインデックス、XMLやHTMLといったマークアップ言語の文書構造をプログラムから扱うためのDOM（Document Object Model）などがその代表例である。また、企業の組織図や、プログラミング言語のソースコードをコンピュータが解釈する際に生成される構文解析木など、情報が持つ本質的な階層性を表現する際にも木構造は適している。このように、木構造はデータを効率的に整理・管理するための根幹的なデータ構造であり、その概念と種類を理解することは、高性能でスケーラブルなシステムを設計する上で不可欠な知識である。