JavaのLinkedListを徹底解説！初心者でもわかるリスト構造の基本と応用
生徒
「Javaでデータを順番に格納したいんですが、ArrayList以外の方法はありますか？」
先生
「はい、LinkedListというクラスがあります。これはArrayListとは異なる特徴を持つリスト構造で、特定の場面で便利です。」
生徒
「どんな場面で使えばいいんですか？」
先生
「LinkedListは、頻繁にデータを追加・削除する場合に役立ちます。基本的な使い方を見ていきましょう！」
1. LinkedListとは
LinkedListは、Javaのコレクションフレームワークに含まれるクラスで、リスト構造を実現するデータ構造です。要素がノードと呼ばれる単位で管理され、それぞれのノードが次のノードを指しています。
ArrayListは配列ベースですが、LinkedListは連結リストベースです。そのため、挿入や削除が多い場面で効率的に動作します。
2. LinkedListの基本的な使い方
以下は、LinkedListの基本操作を示すサンプルプログラムです。リストへの追加や削除、要素の取得を実行します。
import java.util.LinkedList;
public class LinkedListExample {
public static void main(String[] args) {
// LinkedListの作成
LinkedList<String> list = new LinkedList<>();
// データの追加
list.add("Apple");
list.add("Banana");
list.add("Cherry");
// データの取得
System.out.println("1番目の要素: " + list.get(0));
// データの削除
list.remove(1);
System.out.println("削除後のリスト: " + list);
}
}
実行結果：
1番目の要素: Apple
削除後のリスト: [Apple, Cherry]
この例では、リストへの追加、指定した要素の取得、そして要素の削除が順に行われています。
3. LinkedListの主な用途
LinkedListは以下のような場面で利用されます。
- データの頻繁な追加・削除が必要な場合。
- FIFO（先入れ先出し）のキューやLIFO（後入れ先出し）のスタックの実装。
- 挿入や削除操作のパフォーマンスが重視されるケース。
4. LinkedListでキューやスタックを実装する方法
LinkedListを使ってキュー（Queue）やスタック（Stack）を簡単に実装できます。
キューの例：
import java.util.LinkedList;
import java.util.Queue;
public class QueueExample {
public static void main(String[] args) {
Queue<String> queue = new LinkedList<>();
// データの追加
queue.add("A");
queue.add("B");
queue.add("C");
// データの取り出し
System.out.println("取り出した要素: " + queue.poll());
System.out.println("現在のキュー: " + queue);
}
}
実行結果：
取り出した要素: A
現在のキュー: [B, C]
スタックの例：
import java.util.LinkedList;
public class StackExample {
public static void main(String[] args) {
LinkedList<String> stack = new LinkedList<>();
// データの追加
stack.push("X");
stack.push("Y");
stack.push("Z");
// データの取り出し
System.out.println("取り出した要素: " + stack.pop());
System.out.println("現在のスタック: " + stack);
}
}
実行結果：
取り出した要素: Z
現在のスタック: [Y, X]
5. LinkedListの注意点
LinkedListを使用する際には、以下の点に注意が必要です。
- ランダムアクセスには不向き。ArrayListと比較してインデックスによる要素の取得が遅いです。
- メモリ使用量が多くなる場合がある。各ノードに前後のリンク情報を持つためです。
- スレッドセーフではない。複数スレッドで利用する場合は、適切な同期化が必要です。
6. まとめ
今回の記事では、JavaのLinkedListについて詳しく解説しました。LinkedListは、要素がノードという単位で管理され、各ノードが次のノードを指し示すリスト構造です。この特徴により、頻繁にデータを追加・削除する場合に非常に効率的に動作します。特に、挿入や削除が多い場面で優れたパフォーマンスを発揮しますが、ランダムアクセスには向いていない点があるため、使用する際にはその特性をよく理解することが重要です。
LinkedListは、ArrayListとは異なり、要素を順番に格納するのではなく、各要素が前後の要素とリンクされる形式を取ります。このため、配列のようにインデックスを使ってアクセスするのではなく、リストの先頭から順番にノードをたどっていく形でアクセスが行われます。この構造は、特にリスト内での要素の追加や削除を効率よく行いたい場合に有効です。例えば、キューやスタックなどのデータ構造を簡単に実装することができ、FIFO（先入れ先出し）やLIFO（後入れ先出し）の管理が容易になります。
ただし、LinkedListにはいくつかの欠点もあります。例えば、ランダムアクセスの速度が遅いため、ArrayListに比べてインデックスによる要素の取得が非効率です。リストの中間にアクセスする際には、先頭から順にノードをたどらなければならないため、大きなリストになると性能が低下する可能性があります。そのため、ランダムアクセスが必要な場合には、ArrayListを選択する方が良いでしょう。さらに、LinkedListは各ノードに前後のリンク情報を持つため、メモリ使用量が多くなることも覚えておくべき点です。
また、LinkedListはスレッドセーフではないため、複数スレッドで同時にアクセスする場合には、適切な同期化を行う必要があります。特に並行処理が関わるシステムでは、この点を考慮して実装することが求められます。スレッドセーフなコレクションが必要な場合、Javaの他のコレクションクラスや同期化を利用する方法を検討するべきです。これらの注意点を理解した上で、LinkedListを効果的に活用することが重要です。
一方で、LinkedListは、データ構造として非常に柔軟であり、キューやスタック、双方向リスト（Deque）など、さまざまな形式で利用できます。これらのデータ構造をLinkedListを使って実装することで、パフォーマンスを向上させつつ、コードをシンプルに保つことができます。例えば、キューは「先入れ先出し（FIFO）」の順番でデータを処理するデータ構造で、スタックは「後入れ先出し（LIFO）」の順番でデータを処理するデータ構造です。これらをLinkedListで実装することで、データの追加や削除を効率的に行うことができます。
では、実際にLinkedListを使用したサンプルプログラムを見てみましょう。以下は、キュー（Queue）とスタック（Stack）を実装するためのLinkedListの使用例です。これらのプログラムでは、LinkedListを使って要素を追加・削除し、実際の挙動を確認することができます。
サンプルプログラム
キューの実装例：
import java.util.LinkedList;
import java.util.Queue;
public class QueueExample {
public static void main(String[] args) {
Queue<String> queue = new LinkedList<>();
// データの追加
queue.add("A");
queue.add("B");
queue.add("C");
// データの取り出し
System.out.println("取り出した要素: " + queue.poll());
System.out.println("現在のキュー: " + queue);
}
}
実行結果：
取り出した要素: A
現在のキュー: [B, C]
スタックの実装例：
import java.util.LinkedList;
public class StackExample {
public static void main(String[] args) {
LinkedList<String> stack = new LinkedList<>();
// データの追加
stack.push("X");
stack.push("Y");
stack.push("Z");
// データの取り出し
System.out.println("取り出した要素: " + stack.pop());
System.out.println("現在のスタック: " + stack);
}
}
実行結果：
取り出した要素: Z
現在のスタック: [Y, X]
生徒
「先生、LinkedListの利点はわかりましたが、具体的にどんな場面で使うべきですか？」
先生
「LinkedListは、データの挿入や削除が頻繁に行われる場合に最適です。例えば、タスク管理システムや、履歴の管理、キューやスタックが必要な場面で使用できます。」
生徒
「なるほど！ 挿入や削除が多い処理にはLinkedListが向いているんですね。」
先生
「その通りです。しかし、ランダムアクセスが多い場合にはArrayListを使用した方が良いので、使用するシーンによって使い分けることが大切です。」
生徒
「理解しました！ それでは、次にLinkedListを使ったプロジェクトを試してみます。」
先生
「良いですね！ 実際に手を動かしてみることで、さらに深く理解できるでしょう。」
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