[C++] std::stackで配列を扱う方法～二次元/多次元配列も解説

Q: std::stackはスレッドセーフですか？

std::stackはスレッドセーフではありません。 C++の標準ライブラリに含まれる多くのコンテナと同様に、std::stackはスレッドセーフな操作を保証していません。 複数のスレッドから同時にstd::stackにアクセスする場合は、外部で適切な同期機構(例：std::mutex)を使用して、スレッド間の競合を防ぐ必要があります。

Q: std::stackとstd::vectorの違いは何ですか？

std::stackとstd::vectorは、異なる用途に設計されたデータ構造です。 std::stack : LIFO(Last In, First Out)構造を持つ。 要素の追加と削除は、常にスタックのトップで行われる。 インターフェースは、push(), pop(), top()など、スタック操作に特化している。 内部的には、デフォルトでstd::dequeを使用して実装されているが、std::vectorやstd::listを使用することも可能。 std::vector : 動的配列として実装されており、任意の位置へのアクセスが可能。 要素の追加と削除は、任意の位置で行うことができるが、特に末尾での操作が効率的。 インターフェースは、push_back(), pop_back(), at(), []など、配列操作に特化している。

Q: std::stackで配列を扱う際の注意点は？

std::stackで配列を扱う際には、いくつかの注意点があります。 コピーのコスト : 配列をstd::stackにプッシュする際、配列全体がコピーされるため、大きな配列を扱う場合はメモリとパフォーマンスに注意が必要です。 要素の順序 : std::stackはLIFO構造であるため、配列の要素をプッシュすると、取り出す際には逆順になります。 順序が重要な場合は、取り出し時に注意が必要です。 サイズの制限 : std::stack自体はサイズに制限がありませんが、内部で使用するコンテナ(デフォルトではstd::deque)の制限に依存します。 特に大きな配列を扱う場合は、メモリの使用量に注意してください。

2024-08-202024-08-26

std::stackはLIFO（Last In, First Out）構造を持つコンテナアダプタで、配列を扱う際に便利です。

一次元配列をstd::stackで扱うには、配列の要素を順にpushし、必要に応じてpopやtopを使用します。

二次元や多次元配列の場合、各行や各次元を個別のstd::stackとして扱うことができます。

これにより、配列の各要素を効率的に管理し、特定の順序でアクセスすることが可能です。

この記事でわかること

std::stackに配列を格納する方法と取り出す方法
二次元配列や多次元配列をstd::stackで扱う手法
std::stackを用いた深さ優先探索やバックトラッキングアルゴリズムの実装例
逆ポーランド記法の計算やブラウザの履歴管理への応用
括弧の整合性チェックを行う方法

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std::stackで配列を扱う

std::stackはLIFO(Last In, First Out)構造を持つデータ構造で、C++の標準ライブラリで提供されています。

配列をstd::stackで扱うことで、特定のアルゴリズムやデータ処理において効率的な操作が可能になります。

ここでは、配列をstd::stackに格納する方法、取り出す方法、そして配列のサイズとstd::stackの関係について解説します。

配列をstd::stackに格納する方法

配列をstd::stackに格納するには、まず配列を用意し、それをstd::stackにプッシュします。

以下にその方法を示します。

#include <iostream>
#include <stack>
#include <array>
int main() {
    // 配列を定義
    std::array<int, 5> myArray = {1, 2, 3, 4, 5};
    
    // std::stackを定義
    std::stack<int> myStack;
    
    // 配列の要素をstd::stackにプッシュ
    for (int i = 0; i < myArray.size(); ++i) {
        myStack.push(myArray[i]);
    }
    
    // 確認のためにスタックのサイズを出力
    std::cout << "Stack size: " << myStack.size() << std::endl;
    
    return 0;
}

Stack size: 5

このコードでは、std::arrayを用いて配列を定義し、その要素をstd::stackにプッシュしています。

std::stackのサイズを出力することで、正しく格納されたことを確認できます。

std::stackから配列を取り出す方法

std::stackから配列の要素を取り出すには、スタックのトップから順にポップしていきます。

以下にその方法を示します。

#include <iostream>
#include <stack>
#include <vector>
int main() {
    // std::stackを定義し、要素をプッシュ
    std::stack<int> myStack;
    myStack.push(1);
    myStack.push(2);
    myStack.push(3);
    myStack.push(4);
    myStack.push(5);
    
    // std::vectorを用いて要素を取り出す
    std::vector<int> myVector;
    while (!myStack.empty()) {
        myVector.push_back(myStack.top());
        myStack.pop();
    }
    
    // 取り出した要素を出力
    std::cout << "Elements in vector: ";
    for (int i = 0; i < myVector.size(); ++i) {
        std::cout << myVector[i] << " ";
    }
    std::cout << std::endl;
    
    return 0;
}

Elements in vector: 5 4 3 2 1

このコードでは、std::stackから要素を取り出し、std::vectorに格納しています。

スタックの特性上、要素は逆順に取り出されます。

配列のサイズとstd::stackの関係

std::stackは内部的にコンテナを使用しており、デフォルトではstd::dequeが使用されます。

配列のサイズはstd::stackのサイズに直接影響を与えますが、std::stack自体はサイズを動的に変更できるため、配列のサイズに制限されません。

スクロールできます

配列のサイズ	std::stackのサイズ
5	5
10	10
N	N

この表は、配列の要素数がそのままstd::stackのサイズになることを示しています。

std::stackは動的にサイズを変更できるため、配列のサイズに依存せずに要素を追加・削除できます。

二次元配列をstd::stackで扱う

二次元配列は、行と列を持つデータ構造で、行列のようにデータを格納することができます。

std::stackを用いることで、二次元配列の各行をスタックとして扱うことが可能です。

ここでは、二次元配列の定義と初期化、std::stackへの格納方法、そして取り出す方法について解説します。

二次元配列の定義と初期化

二次元配列は、配列の配列として定義されます。

以下に二次元配列の定義と初期化の例を示します。

#include <iostream>
#include <array>
int main() {
    // 二次元配列を定義
    std::array<std::array<int, 3>, 2> my2DArray = {{
        {1, 2, 3},
        {4, 5, 6}
    }};
    
    // 二次元配列の要素を出力
    for (int i = 0; i < my2DArray.size(); ++i) {
        for (int j = 0; j < my2DArray[i].size(); ++j) {
            std::cout << my2DArray[i][j] << " ";
        }
        std::cout << std::endl;
    }
    
    return 0;
}

1 2 3 
4 5 6

このコードでは、std::arrayを用いて二次元配列を定義し、初期化しています。

各行の要素を出力することで、正しく初期化されていることを確認できます。

二次元配列をstd::stackに格納する方法

二次元配列をstd::stackに格納するには、各行をスタックにプッシュします。

以下にその方法を示します。

#include <iostream>
#include <stack>
#include <array>
int main() {
    // 二次元配列を定義
    std::array<std::array<int, 3>, 2> my2DArray = {{
        {1, 2, 3},
        {4, 5, 6}
    }};
    
    // std::stackを定義
    std::stack<std::array<int, 3>> myStack;
    
    // 二次元配列の各行をstd::stackにプッシュ
    for (int i = 0; i < my2DArray.size(); ++i) {
        myStack.push(my2DArray[i]);
    }
    
    // スタックのサイズを出力
    std::cout << "Stack size: " << myStack.size() << std::endl;
    
    return 0;
}

Stack size: 2

このコードでは、二次元配列の各行をstd::stackにプッシュしています。

スタックのサイズを出力することで、正しく格納されたことを確認できます。

std::stackから二次元配列を取り出す方法

std::stackから二次元配列の各行を取り出すには、スタックのトップから順にポップしていきます。

以下にその方法を示します。

#include <iostream>
#include <stack>
#include <array>
int main() {
    // std::stackを定義し、二次元配列の各行をプッシュ
    std::stack<std::array<int, 3>> myStack;
    myStack.push({1, 2, 3});
    myStack.push({4, 5, 6});
    
    // スタックから要素を取り出し、出力
    while (!myStack.empty()) {
        std::array<int, 3> row = myStack.top();
        myStack.pop();
        
        for (int i = 0; i < row.size(); ++i) {
            std::cout << row[i] << " ";
        }
        std::cout << std::endl;
    }
    
    return 0;
}

4 5 6 
1 2 3

このコードでは、std::stackから二次元配列の各行を取り出し、出力しています。

スタックの特性上、要素は逆順に取り出されます。

多次元配列をstd::stackで扱う

多次元配列は、複数の次元を持つ配列で、三次元以上のデータを格納することができます。

std::stackを用いることで、多次元配列の各要素をスタックとして扱うことが可能です。

ここでは、多次元配列の定義と初期化、std::stackへの格納方法、そして取り出す方法について解説します。

多次元配列の定義と初期化

多次元配列は、配列の配列として定義されます。

以下に三次元配列の定義と初期化の例を示します。

#include <iostream>
#include <array>
int main() {
    // 三次元配列を定義
    std::array<std::array<std::array<int, 3>, 2>, 2> my3DArray = {{
        {{
            {1, 2, 3},
            {4, 5, 6}
        }},
        {{
            {7, 8, 9},
            {10, 11, 12}
        }}
    }};
    
    // 三次元配列の要素を出力
    for (int i = 0; i < my3DArray.size(); ++i) {
        for (int j = 0; j < my3DArray[i].size(); ++j) {
            for (int k = 0; k < my3DArray[i][j].size(); ++k) {
                std::cout << my3DArray[i][j][k] << " ";
            }
            std::cout << std::endl;
        }
        std::cout << std::endl;
    }
    
    return 0;
}

このコードでは、std::arrayを用いて三次元配列を定義し、初期化しています。

各要素を出力することで、正しく初期化されていることを確認できます。

多次元配列をstd::stackに格納する方法

多次元配列をstd::stackに格納するには、各次元の要素をスタックにプッシュします。

以下にその方法を示します。

#include <iostream>
#include <stack>
#include <array>
int main() {
    // 三次元配列を定義
    std::array<std::array<std::array<int, 3>, 2>, 2> my3DArray = {{
        {{
            {1, 2, 3},
            {4, 5, 6}
        }},
        {{
            {7, 8, 9},
            {10, 11, 12}
        }}
    }};
    
    // std::stackを定義
    std::stack<std::array<std::array<int, 3>, 2>> myStack;
    
    // 三次元配列の各要素をstd::stackにプッシュ
    for (int i = 0; i < my3DArray.size(); ++i) {
        myStack.push(my3DArray[i]);
    }
    
    // スタックのサイズを出力
    std::cout << "Stack size: " << myStack.size() << std::endl;
    
    return 0;
}

Stack size: 2

このコードでは、三次元配列の各要素をstd::stackにプッシュしています。

スタックのサイズを出力することで、正しく格納されたことを確認できます。

std::stackから多次元配列を取り出す方法

std::stackから多次元配列の各要素を取り出すには、スタックのトップから順にポップしていきます。

以下にその方法を示します。

#include <iostream>
#include <stack>
#include <array>
int main() {
    // std::stackを定義し、三次元配列の各要素をプッシュ
    std::stack<std::array<std::array<int, 3>, 2>> myStack;
    myStack.push({{
        {1, 2, 3},
        {4, 5, 6}
    }});
    myStack.push({{
        {7, 8, 9},
        {10, 11, 12}
    }});
    
    // スタックから要素を取り出し、出力
    while (!myStack.empty()) {
        std::array<std::array<int, 3>, 2> matrix = myStack.top();
        myStack.pop();
        
        for (int i = 0; i < matrix.size(); ++i) {
            for (int j = 0; j < matrix[i].size(); ++j) {
                std::cout << matrix[i][j] << " ";
            }
            std::cout << std::endl;
        }
        std::cout << std::endl;
    }
    
    return 0;
}

このコードでは、std::stackから多次元配列の各要素を取り出し、出力しています。

スタックの特性上、要素は逆順に取り出されます。

応用例

std::stackは、さまざまなアルゴリズムやデータ処理において非常に便利なデータ構造です。

ここでは、std::stackを用いたいくつかの応用例を紹介します。

std::stackを用いた深さ優先探索

深さ優先探索(DFS)は、グラフやツリーの探索アルゴリズムの一つで、std::stackを用いることで非再帰的に実装できます。

以下にその例を示します。

#include <iostream>
#include <stack>
#include <vector>
void depthFirstSearch(int start, const std::vector<std::vector<int>>& graph) {
    std::vector<bool> visited(graph.size(), false);
    std::stack<int> stack;
    stack.push(start);
    while (!stack.empty()) {
        int node = stack.top();
        stack.pop();
        if (!visited[node]) {
            std::cout << "Visited node: " << node << std::endl;
            visited[node] = true;
            for (int neighbor : graph[node]) {
                if (!visited[neighbor]) {
                    stack.push(neighbor);
                }
            }
        }
    }
}
int main() {
    std::vector<std::vector<int>> graph = {
        {1, 2},    // Node 0
        {0, 3, 4}, // Node 1
        {0, 4},    // Node 2
        {1, 5},    // Node 3
        {1, 2, 5}, // Node 4
        {3, 4}     // Node 5
    };
    depthFirstSearch(0, graph);
    return 0;
}

Visited node: 0
Visited node: 2
Visited node: 4
Visited node: 5
Visited node: 3
Visited node: 1

このコードでは、std::stackを用いてグラフの深さ優先探索を行っています。

スタックを用いることで、再帰を使わずに探索を実現しています。

std::stackでのバックトラッキングアルゴリズム

バックトラッキングは、問題を解くための試行錯誤を行うアルゴリズムで、std::stackを用いることで状態を管理できます。

以下にその例を示します。

#include <iostream>
#include <stack>
#include <vector>
bool solveMaze(std::vector<std::vector<int>>& maze, int startX, int startY) {
    std::stack<std::pair<int, int>> stack;
    stack.push({startX, startY});
    while (!stack.empty()) {
        auto [x, y] = stack.top();
        stack.pop();
        if (maze[x][y] == 9) {
            std::cout << "Found the exit at (" << x << ", " << y << ")" << std::endl;
            return true;
        }
        maze[x][y] = 2; // Mark as visited
        // Check neighbors
        std::vector<std::pair<int, int>> directions = {{1, 0}, {-1, 0}, {0, 1}, {0, -1}};
        for (auto [dx, dy] : directions) {
            int nx = x + dx, ny = y + dy;
            if (nx >= 0 && nx < maze.size() && ny >= 0 && ny < maze[0].size() && maze[nx][ny] != 1 && maze[nx][ny] != 2) {
                stack.push({nx, ny});
            }
        }
    }
    return false;
}
int main() {
    std::vector<std::vector<int>> maze = {
        {0, 0, 1, 0, 0},
        {0, 1, 0, 1, 0},
        {0, 1, 9, 1, 0},
        {0, 0, 0, 0, 0}
    };
    if (!solveMaze(maze, 0, 0)) {
        std::cout << "No path to the exit found." << std::endl;
    }
    return 0;
}

Found the exit at (2, 2)

このコードでは、迷路を探索し、出口を見つけるバックトラッキングアルゴリズムをstd::stackで実装しています。

スタックを用いることで、探索の状態を管理しています。

std::stackを使った逆ポーランド記法の計算

逆ポーランド記法(RPN)は、演算子を後置することで計算を行う方法で、std::stackを用いることで簡単に実装できます。

以下にその例を示します。

#include <iostream>
#include <stack>
#include <sstream>
int evaluateRPN(const std::string& expression) {
    std::stack<int> stack;
    std::istringstream tokens(expression);
    std::string token;
    while (tokens >> token) {
        if (isdigit(token[0])) {
            stack.push(std::stoi(token));
        } else {
            int b = stack.top(); stack.pop();
            int a = stack.top(); stack.pop();
            switch (token[0]) {
                case '+': stack.push(a + b); break;
                case '-': stack.push(a - b); break;
                case '*': stack.push(a * b); break;
                case '/': stack.push(a / b); break;
            }
        }
    }
    return stack.top();
}
int main() {
    std::string expression = "3 4 + 2 * 7 /";
    std::cout << "Result: " << evaluateRPN(expression) << std::endl;
    return 0;
}

Result: 2

このコードでは、逆ポーランド記法の式をstd::stackを用いて評価しています。

スタックを用いることで、演算子の順序を管理し、計算を行っています。

std::stackを用いたブラウザの履歴管理

ブラウザの履歴管理は、std::stackを用いることで、前のページに戻る機能を実装できます。

以下にその例を示します。

#include <iostream>
#include <stack>
#include <string>
int main() {
    std::stack<std::string> history;
    history.push("home.html");
    history.push("about.html");
    history.push("contact.html");
    // 現在のページを出力
    std::cout << "Current page: " << history.top() << std::endl;
    // 戻るボタンを押す
    history.pop();
    std::cout << "Back to: " << history.top() << std::endl;
    return 0;
}

Current page: contact.html
Back to: about.html

このコードでは、std::stackを用いてブラウザの履歴を管理しています。

スタックを用いることで、ページの遷移を管理し、戻る機能を実現しています。

std::stackでの括弧の整合性チェック

括弧の整合性チェックは、std::stackを用いることで、開き括弧と閉じ括弧の対応を確認できます。

以下にその例を示します。

#include <iostream>
#include <stack>
#include <string>
bool isValidParentheses(const std::string& s) {
    std::stack<char> stack;
    for (char c : s) {
        if (c == '(' || c == '{' || c == '[') {
            stack.push(c);
        } else {
            if (stack.empty()) return false;
            char top = stack.top();
            stack.pop();
            if ((c == ')' && top != '(') || 
                (c == '}' && top != '{') || 
                (c == ']' && top != '[')) {
                return false;
            }
        }
    }
    return stack.empty();
}
int main() {
    std::string expression = "{[()]}";
    std::cout << "Is valid: " << (isValidParentheses(expression) ? "Yes" : "No") << std::endl;
    return 0;
}