SPLから始める「データ構造」入門

by hideki kinjyo

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SPLから始める「データ構造」入門 PHPカンファレンス福岡2024 Hideki Kinjyo GitHub: o0h / X: @o0h_ [公開用]

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こんな事を話します・こんな疑問に答えていきます • SPLって何？聞いたこと無いな・・   => かる〜く説明します(スライド1枚程度) • データ構造ってなんじゃいな？   => どんな存在なのか、知るチャンスになるはず！

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こんな人に向けて話します • アルゴリズムとか計算量とか難しいよね、苦手・怖い・・   => そんな人にこそお届けしたい！ • PHPのプログラミング上手くなりたい、コードを読みやすくしたい   => ちょっとしたヒントになるかも？視点を提供します

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自己紹介 • 金城秀樹 / きんじょうひでき • GitHub: @o0h / 𝕏 : @o0h_ • 好きなFWはCakePHP • アイコンは美味しい鮭親子丼の写真です • 初めて参加したカンファレンスは#phpconfuk.2017 • Thanks #phpconfuk ！！

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今回の話は、こういう「構造」ではなく

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こういうのです！ https://visualgo.net https://ja.wikipedia.org/wiki/データ構造

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データ構造？ • データをメモリー上で配置・表現する際の形式   (鈴木一史『データ構造の基礎 (放送大学教材 6784) 』) • 通常データへの効率的なアクセスのため用いられるデータ構成と保存形式   (https://en.wikipedia.org/wiki/Data_structure Wikipedia英語版「データ構造」をDeepLにより翻訳) • コンピューターがデータ処理や計算を行う際に、あらかじめデータを扱いやすいように加工しておき、計算速度が速くなるようにする、というもの   (https://research.nii.ac.jp/~uno/struct.htm 宇野毅明先生のホームページ「データ構造」のページ)

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データ構造？プログラムは、   決して「論理の世界」のものではなく「物理・電気」の上で動かされるもの

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データ構造？プログラムの動作性能を高めるために、   「メモリ上の配置」「読み書きの数」が無視できない ⇓ そこで出てくるのが、   「アルゴリズム」や「データ構造」

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データ構造？「こういうデータ(の集まり)」は、   「メモリ上にはこういう風に並べて置こう」   が効いてくる ⇓ これをやっていくのがデータ構造の世界

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この発表の目論見 / What 聴いているみなさんが、   データ構造について「ふ〜ん」ってなる！ ⇓ あわよくば、ちょっと「知りたい」と興味を持つ！

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この発表の試み / How 「計算量」の側面以外から、   データ構造についての便利・面白さを伝える

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おしながき 1.データ構造って何者だ？ 2.生活の中にみるデータ構造 3.データ構造(一般)の話・頻出構造 4.SPL > データ構造 5.締め会

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1. データ構造って何者だ？ 2. 生活の中にみるデータ構造 3. データ構造(一般)の話・頻出構造 4. SPL > データ構造 5. 締め会

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データ構造・・・って何をするんだ？

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データ構造・・・って何をするんだ？機能データ構造形状構造は単なる「形」ではない。何かしらの機能や質をもち、   「その形である意味」がある

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データ構造・・・って何をするんだ？機能データ構造形状課題動機・目的

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データ構造・・・って何をするんだ？機能データ構造形状課題ここを学習すると・・

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データ構造・・・って何をするんだ？機能データ構造形状課題形状から   課題を   想起するように

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形状から課題が想起される • 「何をするか」が分かるはず • どんなタスクをこなしたいか • どんな特性を持っているか • どう使うのが適切か

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つまり何が嬉しい？コードの中に上手く現れる「◯◯構造」は、   ソレだけで「何をしたいのか」のヒントに

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形状から課題が想起される、一方で・・ • 形状自体に機能はない • 物理制約の範疇で、活用できる • 「本来の用途」と合致せずとも可

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形状から課題が想起される、一方で・・ • ただし、適切な用途は存在する • 目的(=意味)があり、機能を提供するのに即した形状となっている • 不適切に当てはめると、「無理」「違和感」につながったり、無駄なコストが発生することも見て！それって、何か変くね？？

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つまり何が悲しい？より良い「構造」を知らないがゆえに、   決してベターではない問題解決を誘発してしまう

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データ構造・・・って何を提供しているんだ？

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プログラミングにおける構造の価値プログラムの仕事(目的)は   「データを良い感じにする」

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プログラミングにおける構造の価値プログラムの仕事(目的)は   「データを良い感じにする」入れる・取り出す加工する

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計算がんばるプログラムの仕事(目的)は   「データを良い感じにする」入れる・取り出す加工するプログラミングにおける構造の価値入れる・取り出すデータ構造はココを良い感じにする

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データ構造良い感じにする・・・ってどうやって？実装名前 API

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データ構造良い感じにする・・・ってどうやって？実装名前 API どんな操作を   提供するか/しないかメモリの使い方etc 型(Class、Interface)   デザインパターン

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データ構造良い感じにする・・・ってどうやって？実装名前 API どんな操作を   提供するか/しないかメモリの使い方etc 型(Class、Interface)   デザインパターンここの話は今日はナシ

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1. データ構造って何者だ？ 2. 生活の中にみるデータ構造 3. データ構造(一般)の話・頻出構造 4. SPL > データ構造 5. 締め会

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データ構造データ構造の構造実装名前 API どんな操作を   提供するか/しないかメモリの使い方etc 型(Class、Interface)   デザインパターン

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データ構造データ構造の構造実装名前 API どんな操作を   提供するか/しないかメモリの使い方etc 型(Class、Interface)   デザインパターンまずはコチラの話から   (形状→操作→機能)

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どんな構造・どんな機能？の話データ構造 = 複数の要素を扱うためのもの

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どんな構造・どんな機能？の話良いデータ構造 = 入れやすい出しやすい

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どんな構造・どんな機能？の話良いデータ構造 = (使いやすいように)入れやすい (欲しいものを)出しやすい

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みなさん「つまり・・どういうこと？？」わたくし「ちょっと待ってね」

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日常生活の中にあるデータ構造

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販売窓口 • 要素は自由に追加できる • 最初に追加された要素から順番に処理(取り出す)をする • 関連ワード: 先入れ先出し

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病院の受付(会計) • 名前付き要素を任意の時点で取り出す • 順番は臨機応変に決定される • 要素の追加(受付)時に、呼び出し方が付与された状態で保存される • 関連ワード: ランダムアクセス

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次々と発生するミッション • 要素が柔軟に追加される • 要素同士には順番関係がある • 最後に追加された要素から順番に処理(取り出す)をする • 関連ワード: 後入れ先出しこの商品ください！！購入には会員登録が   必要ですメールアドレスを   認証してください受信メールを   確認してください

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計画的なミッション • 要素が柔軟に追加される • 要素は全体の計画に従って順番を設定される • 設定された順番に従って処理 (取り出す)をする • 関連ワード: 優先度付け ΋͠࢓ࣄʹߦ͖ͨ͘ͳ͘ͳͬͨΒɺͦͷ··൓ରͷిंʹ৐ͬͯɺ ւΛݟʹߦ͘ͱ͍͍Αɻ ւลͷञ԰ͰϏʔϧͱϐʔφπങͬͯɺւ؛ʹ࠲ͬͯ ཅʹ౰ͨΓͳ͕ΒҿΉͱ͍͍Αɻ Ϗʔϧ͕ແ͘ͳͬͨΒɺͦͷ··ڼ޲͚ʹ৸͜ΖΜͰɺ ྲྀΕΔӢΛͣͬͱோΊΔͱ͍͍Αɻ ͦΜͳԺ΍͔ͳ͕࣌ؒΩϛΛ଴ͬͯΔͷʹɺԿ΋ແཧͯ͠ ࢓ࣄʹͳΜ͔ߦ͘ඞཁͳ͍Αɻ 反対の電車に乗って海を見に行って海辺の酒屋でビールとピーナツ買って海岸に座って

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「課題」に応じた構造を選択している ⇓ 不似合いな構造だとどうなる？

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もし、この「箱」が   「入れた順に取り出す」つくり   だったら・・？ ΋͠࢓ࣄʹߦ͖ͨ͘ͳ͘ͳͬͨΒɺͦͷ··൓ରͷిंʹ৐ͬͯɺ ւΛݟʹߦ͘ͱ͍͍Αɻ ւลͷञ԰ͰϏʔϧͱϐʔφπങͬͯɺւ؛ʹ࠲ͬͯ ཅʹ౰ͨΓͳ͕ΒҿΉͱ͍͍Αɻ Ϗʔϧ͕ແ͘ͳͬͨΒɺͦͷ··ڼ޲͚ʹ৸͜ΖΜͰɺ ྲྀΕΔӢΛͣͬͱோΊΔͱ͍͍Αɻ ͦΜͳԺ΍͔ͳ͕࣌ؒΩϛΛ଴ͬͯΔͷʹɺԿ΋ແཧͯ͠ ࢓ࣄʹͳΜ͔ߦ͘ඞཁͳ͍Αɻ 反対の電車に乗って海を見に行って海辺の酒屋でビールとピーナツ買って海岸に座って

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• 思いついた順に入れました 1. 違う電車に乗ってみよう 2. それで海の近くの駅まで行こう 3. 海岸に座って酒でも飲もう 4. ビールとつまみでも買うか 5. 行く途中に店を探そう 6. ちょっと飲んだら、仰向けに寝ころんで・・・

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ラウンド1 • 電車に乗る 1. 違う電車に乗ってみよう 2. それで海の近くの駅まで行こう 3. 海岸に座って酒でも飲もう 4. ビールとつまみでも買うか 5. 行く途中に店を探そう 6. ちょっと飲んだら、仰向けに寝ころんで・・・

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ラウンド2 • 海の最寄り駅まで行く 1. それで海の近くの駅まで行こう 2. 海岸に座って酒でも飲もう 3. ビールとつまみでも買うか 4. 行く途中に店を探そう 5. ちょっと飲んだら、仰向けに寝ころんで・・・

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ラウンド3 • 酒・・・え、持ってないね？ • => スキップ 1. 海岸に座って酒でも飲もう 2. ビールとつまみでも買うか 3. 行く途中に店を探そう 4. ちょっと飲んだら、仰向けに寝ころんで・・・

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ラウンド3.1 • 買おう、といっても   まだ店じゃないぞ • => スキップ 1. 海岸に座って酒でも飲もう 2. ビールとつまみでも買うか 3. 行く途中に店を探そう 4. ちょっと飲んだら、仰向けに寝ころんで・・・

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ラウンド3.2 • まずは店を探さないとな 1. 海岸に座って酒でも飲もう 2. ビールとつまみでも買うか 3. 行く途中に店を探そう 4. ちょっと飲んだら、仰向けに寝ころんで・・・

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ラウンド4 • 1に戻る 1. 海岸に座って酒でも飲もう 2. ビールとつまみでも買うか 3. ちょっと飲んだら、仰向けに寝ころんで・・・

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ラウンド4.1 • まだ・・ • スキップ 1. 海岸に座って酒でも飲もう 2. ビールとつまみでも買うか 3. ちょっと飲んだら、仰向けに寝ころんで・・・

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ラウンド4.2 • お店でやりたかったのは   コレ！ 1. 海岸に座って酒でも飲もう 2. ビールとつまみでも買うか 3. ちょっと飲んだら、仰向けに寝ころんで・・・

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ラウンド4.2   〜スキップしすぎで今何してるか忘れそう〜

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不似合いな構造は使い勝手が悪い「煩雑な処理」「直感的でないコード」 ⇓ 本質に辿り着きづらい、   読み手に優しくないコード

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• 「入れた順」とは別に、   「意味的な順番」を扱える構造を用いる • 「次の要素を取り出す」という操作だけで、工夫や計算をせずとも即座に活用し得るものがでてくる 1) 違う電車に乗ってみよう 2) それで海の近くの駅まで行こう 5) 海岸に座って酒でも飲もう 4) ビールとつまみでも買うか 3) 行く途中に店を探そう 6) ちょっと飲んだら、仰向けに寝ころんで・・・

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• 逆に言えば、   この「要素に順番が付いている箱」を見た時に、   「入れた順が重要である」   「入れた順に先に取り出しながら使う」   という誤解は起きにくいはず 1) 違う電車に乗ってみよう 2) それで海の近くの駅まで行こう 5) 海岸に座って酒でも飲もう 4) ビールとつまみでも買うか 3) 行く途中に店を探そう 6) ちょっと飲んだら、仰向けに寝ころんで・・・

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適切な構造は扱い易さを生む「簡潔な処理」「直感的なコード」 ⇓ 本質を示し、それ以外を除外する   読み手を支援するコード

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1. データ構造って何者だ？ 2. 生活の中にみるデータ構造 3. データ構造(一般)の話・頻出構造 4. SPL > データ構造 5. 締め会

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データ構造良い感じにする・・・ってどうやって？実装名前 API どんな操作を   提供するか/しないかメモリの使い方etc 型(Class、Interface)   デザインパターン次はコチラの話を

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名前重要 ⇓ 「何をしたいのか」に「何をするのか」を合致させる   &&   「何をするのか」に「何であるのか」を合致させるここが名前

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• 「形状」から、使い方が補完的に理解(想起)される • 例: 受け付け+その正面に整列しているソファーという形状 1. 何かしらの手続きをする 2. 名前、もしくは受付番号の付与を受ける 3. 適切な処理順の決定のあとに、その`id(キー)`にて呼び出される

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• 概念の抽出・凝集をして   ラベルを付けたのが「名前」 • 名前には、形状と同様に   「機能」とそこから派生して「用途」を想起させる効果がある待合室

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よく出てくるデータ構造 ※ SPLと関連付けて

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連結リスト • 「端から順番に辿る」に強い • 最初の要素を取り出して、その次の要素を取り出して・・ • 要素の追加や削除に強い • 決め打ちでの選択に弱い • 「4番目を取り出して」が苦手自由自在に繋ぐ形なので   いじりやすい・手繰りやすい

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スタック/キュー • 先頭の操作・末尾の操作(取り出し・削除)に強い • スタックは「末尾に追加・取り出し・削除」 • 「次々と発生するミッション」はスタック • キューは「末尾に追加、先頭から取り出し・削除」 • 「販売窓口」はキュー「次の1個を足す・取り出す」のに   全振りする感じで

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配列(固定長) • 決め打ちでの選択に強い • 要素の変更操作(追加・削除)に弱い • 要素数の上限を超えた追加は受け付けないサイズや内容を   予め決定できるものと相性が良い

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• 最大ないし最小の要素の取得に強い • 同じく、大きい順・小さい順の整列に強い • 優先度付きキューは、ヒープ構造で実現されることが多い(他でも可) • 決め打ちでの選択・削除に弱い • 「計画的なミッション」は   優先度付きキューヒープ/優先度付きキュー意味のある順番を重視して   整合性を維持し続ける

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BREAKING NEWS!!! みなさんがよく見るやつ、一応貼っておきますね^^

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1. データ構造って何者だ？ 2. 生活の中にみるデータ構造 3. データ構造(一般)の話・頻出構造 4. SPL > データ構造 5. 締め会

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SPLとは • https://php.net/spl • プログラミングにおける「よく出てくる問題」を   いい感じにやっていくクラスやインターフェイス、関数が入っている • オートロードとか、例外の分類とか、イテレータ周りの強化とかとか • PHPの標準としてついてくるので、意識しなくてもそのまま使える • この中でデータ構造についても提供されている

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SPL > データ構造配列 SplFixedArray セットマップ SplObjectStorage ヒープ SplMaxHeap SplHeap SplPriorityQueue SplMinHeap 連結リスト SplStack SplDoublyLinkedList SplQueue • https://php.net/spl.datastructures • 4カテゴリ、9クラスが提供されている • このうち、SplHeapは抽象クラス

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これらの利用で   「コードの記述がいかに簡潔になるか」   「どんな面白い処理ができるか」   を見ていきます

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各SPLデータ構造の解説と実例〜"便利さ"推しでいこ！〜

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連結リスト系 • 任意の要素を付け足す・取り出すのに強み • SplDoublyLinkedListは取り出し順についてのモードを持つ • 要素を取り出す際に、先頭から出すか？末尾から出すか？ • SplStack、SplQueueはモードの違う子クラス • SplStack: スタック=後入れ先出し • SplQueue: キュー=先入れ先出し連結リスト SplStack SplDoublyLinkedList SplQueue

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お題データを1個ずつ、   入れた順番に取り出して、   取り出したものは削除したい！

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arrayによる実装 • array_push +   array_shiftで簡単出力結果

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SplQueueによる実装 • enqueue + dequeue   で実現 • shift, pushの   エイリアス • $data[] = $itemでも同じ

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• 「キュー」   「エンキュー」   「デキュー」   という言葉、「どういう操作を想定したデータか」の側面が際立ちません？

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• 他にも、「IteratorMode」を変更すると   「foreachで順番が来た要素を自動削除」する機能も • 未処理件数の把握や、誤った二重処理の防止に便利出力結果

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[余談]この発表のスコープ外ですが…   追加・取り出し削除すると、   取り出しのコストが大きく変わる

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お題データを1個ずつ、   入れた順番と逆順に取り出したい！

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arrayによる実装 • array_push +   array_reverseで簡単出力結果

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SplStackによる実装 • pushによる実装 • $data[] = $itemでも同じ

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• QueueとStackは、   何も考えずとも順番が入れ替わることになる • これまた誤った使い方を防いでくれるはず？

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ヒープ系 • 比較条件を指定し、正しい順序を保持し続けるのに有効 • 抽象クラスであるSplHeapと、その具象SplMaxHeap/SplMinHeapがある • 似た目的で利用されるSplPriorityQueueもあるヒープ SplMaxHeap SplHeap SplPriorityQueue SplMinHeap

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お題データを小さい順に取り出したい！

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arrayによる実装 • array_push +   sortで簡単出力結果

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SplMinHeapによる実装 • insert()のみで実現 • データの並べかえを意識する必要が無くなる • 「小さいデータから欲しい」という場面で、安心して利用できる

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お題データを希望通りの位置に入れたい、   順番に取り出したい！〜敵キャラを攻略順に並べてみる〜

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arrayによる実装 • 同位置のデータにも対応できるように、良い感じにkeyを生成＋ ksortで実現出力結果

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SplPriorityQueue   による実装 • insert()のみで実現 • 挿入したいデータと、優先度(大きい順)を引数に渡せば並び替えてくれる • 今回は「出番」と「優先度」が逆になるので、`-1 * $deban` を渡している

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配列(固定長配列)系 • あらかじめサイズを指定して、それ以上は入らないようにできる • 添字配列(0以上のint)でのみ利用可能で、   stringをキーにした要素の追加・アクセスはできない配列 SplFixedArray

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お題サイズ上限を設定した   コレクションを作りたい！

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arrayによる実装 • 要素の追加前に、   既存のサイズを確認して上限に達していたら拒否する出力結果

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SplFixedArray   による実装 • 初期化時に   サイズを指定 • 決めたサイズを超えた操作を行うと、例外が throwされる • 抽象的にいえば、   生成者に「どう使われて良いか」の判断を委ねることで、使用者の責任から分離される

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セット・マップ系 • セット:   重複したオブジェクトが存在しない集合を作れる • マップ:   オブジェクトをキーとした{key=>value}を作れるセットマップ SplObjectStorage

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お題同一オブジェクトが   同時に存在しない世界をつくりたい！ (SingletonとかObjectPoolにも便利)

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arrayによる実装 • spl_object_idをキーにした連想配列で実現出力結果

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SplObjectStorage   による実装 • attach()のみで実現 • キーとなるハッシュの自力生成や、重複判定を行う手間がない

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1. データ構造って何者だ？ 2. 生活の中にみるデータ構造 3. データ構造(一般)の話・頻出構造 4. SPL > データ構造 5. 締め会

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データ構造とは何だったのかデータ構造は、   効率的なコードを実現するための   強力な手段。

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データ構造とは何だったのか解きたい課題があり、   それに対しての「機能美」たる形状のアイディア機能データ構造形状課題

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データ構造とPHPer その反面、   PHPにおいてはコレらを知らなくても   今まで通り困らずに過ごせる

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データ構造とPHPer PHPerがデータ構造を学ぶ意味？ ⇓ 単なる「処理効率を上げる」を超えて、   「問題をどう捉え、表現するか」にメスを入れる

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データ構造とPHPer PHPerがデータ構造を学ぶ意味？ ⇓ 単なる「array」を超えて、   「どんなデータであるか」「どんな集合でないか」   を語る語彙が身に付いた世界に入門する

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いかに学びを得るか「知らなくても困らない」ことにこそ、物事を違った形で捉えるための   チャンスが眠っているかも

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(再)この発表の目論見 / What 聴いているみなさんが、   データ構造について「ふ〜ん」ってなる！ ⇓ あわよくば、ちょっと「知りたい」と興味を持つ！

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〆「データ構造ってのがあるんだな」   「SPLってやつで提供されている実装もあるんだな」   と知ったのをキッカケに、   身近な存在になってくれたら幸いです！

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おしまい！お付き合いいただきありがとうございました!!

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Appendix:   (個人的に)データ構造に興味を持てるまでに   助けになった情報リソース・書籍

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今回の発表をキッカケに、   「自分でも学んでみたい」と思った人に向けて   とても助けになった書籍等を紹介します

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データ構造について入門できそうなリソース • アルゴリズム図鑑増補改訂版絵で見てわかる33のアルゴリズム   https://www.shoeisha.co.jp/book/detail/9784798172439 • 名前の通り、絵が豊富でフレンドリーな雰囲気。とっつきやすかったです • 基本と言われるアルゴリズムやデータ構造について紹介 • 放送大学科目「データ構造とプログラミング」   ※自分が受講したのは、旧「データ構造の基礎」   https://bangumi.ouj.ac.jp/v4/bslife/detail/15794524.html • 内容は基礎的。コードも出てくるが、そこがメインではなくサブ的な位置づけ • 大学の授業なので真面目で落ち着いた雰囲気   視聴手段があれば(テキストのみより)授業動画で学習するのがオススメ

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実用目線で威力に触れていく • SQLパフォーマンス詳解   https://sql-performance-explained.jp/ • 「パフォーマンス改善をしたくて、データベースがボトルネックになっていることに気づいた」という場面は日常の中で覚えがあるはず • インデックスや計算量の観点で、「なぜ」「どうすれば」を解説した本 • インデックスについて学ぶと、正にデータ構造の有り難さを実感できる

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ガッツリとPHP寄りの教材 • PHP 7 Data Structures and Algorithms   https://www.packtpub.com/en-us/product/php-7-data-structures- and-algorithms-9781786463890   ※ Kindle: https://www.amazon.co.jp/dp/B01IF7NLDW • PHPユーザーに向けたデータ構造＆アルゴリズム本 • 単に「実装例がPHPで書かれている」というだけでなく、   「Understanding PHP Arrays」や「PHP Built-In Support for Data Structures and Algorithms」といった話題に章を割いている様に、PHPの事情とリンクさせながら書かれているのが特徴

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Appendix:   データ構造に親しむ・見識を広げる   助けになるツール等

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理屈が分かった後に「定着」させていくには   視覚的に理解したり、   自分の手でインタラクティブに動かすのが   効果的ではないでしょうか！というのを出来るツールの紹介です

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• VisuAlgo   https://visualgo.net/en • 色々なデータ構造を、ポップなUIとアニメーションで学べる   要素の追加や探索といった操作をした時に、どう動くの？を視覚的に • Data Structure Visualization   https://www.cs.usfca.edu/~galles/visualization/Algorithms.html • よりシンプルですが、知名度ならコチラのほうが上？かも

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Appendix:   最近のPHPコミュニティにおける   データ構造・アルゴリズム関連の発表資料   (自分が見たことのある範囲で)

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アルゴリズムやデータ構造について、   PHP関連の勉強会やカンファレンスで   先達が発信していた資料です。今回の発表では触れていない、   「計算量」や「アルゴリズム」といった話に   踏み込んだもの

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データ構造について、優しい図と説明で触れやすく • PHPerのための計算量入門   https://speakerdeck.com/hanhan1978/basic-knowledge-of-time- complexity • 空間計算量入門   https://speakerdeck.com/hanhan1978/basic-knowledge-of-space- complexity • PHPの配列とデータ構造   https://speakerdeck.com/meihei3/phperkaigi-2023