コレクション
この章では、複数のデータを効率的に管理するための コレクション について学ぶ。 コレクションを使うことで、配列よりも柔軟にデータを扱うことができる。
この章で得られるスキル：
- ✅ 要素数が変わるデータを柔軟に扱える
- ✅ 重複を自動で排除したリストが作れる
- ✅ キーと値のペアでデータを管理できる
- ✅ 状況に応じて最適なデータ構造を選べる
なぜこの技術が必要か
コレクションがないとどうなるか？
配列だけでは、要素数を後から変更できず、柔軟なデータ管理が難しい。 また、重複を許さないデータや、キーと値のペアを管理するのが面倒になる。
例:
// 配列だけでは...
String[] names = new String[3]; // サイズ固定
names[0] = "太郎";
names[1] = "花子";
names[2] = "次郎";
// 4人目を追加したい → 新しい配列を作り直す必要がある
// コレクションがあると...
ArrayList<String> names = new ArrayList<>();
names.add("太郎");
names.add("花子");
names.add("次郎");
names.add("四郎"); // 簡単に追加できる
コレクションを使うことで、データの追加・削除・検索が簡単になる。
1. コレクションとは
コレクションの概念
コレクション は、複数のデータをまとめて管理するための仕組み である。
Javaでは、java.utilパッケージにコレクションのクラスが用意されている。
配列との違い
| 比較項目 | 配列 | コレクション |
|---|---|---|
| サイズ | 固定 | 可変 |
| 型 | プリミティブ型も可 | オブジェクトのみ |
| 機能 | 基本的な操作のみ | 便利なメソッドが豊富 |
配列はサイズが固定なので、要素数が変わる場合はコレクションを使う方が便利である。
主なコレクション
| コレクション | 説明 | 特徴 |
|---|---|---|
ArrayList | リスト（順序あり） | インデックスでアクセス、重複可 |
HashSet | セット（順序なし） | 重複なし、高速検索 |
HashMap | マップ（キーと値） | キーで値を管理 |
ArrayListは内部で配列を使い、HashSetとHashMapはハッシュテーブルを使って実装されている。
ArrayListは要素の追加時にサイズが足りなくなると、自動的に内部配列を拡張する（通常は1.5倍）。
HashMapのキー検索がO(1)（定数時間）で高速なのは、ハッシュ値を使ってデータの位置を特定するためである。
これらの内部実装を理解することで、適切なコレクションを選択できるようになる。
2. ArrayList
ArrayListとは
ArrayList は、可変長の配列 のようなコレクションである。
要素の追加・削除が自由にでき、インデックスで要素にアクセスできる。
基本的な使い方
import java.util.ArrayList;
ArrayList<String> list = new ArrayList<>(); // 空のリストを作成
list.add("太郎"); // 要素を追加
list.add("花子");
list.add("次郎");
String name = list.get(0); // インデックスで取得
int size = list.size(); // 要素数を取得
ArrayList<String>の <String> は ジェネリクス と呼ばれ、リストに格納する要素の型を指定する。
これにより、型安全なコレクションを使える。
主なメソッド
| メソッド | 説明 | 例 |
|---|---|---|
add(要素) | 末尾に要素を追加 | list.add("太郎") |
get(インデックス) | 要素を取得 | list.get(0) |
set(インデックス, 要素) | 要素を変更 | list.set(0, "一郎") |
remove(インデックス) | 要素を削除 | list.remove(0) |
size() | 要素数を取得 | list.size() |
contains(要素) | 要素が含まれるか | list.contains("太郎") |
実行してみよう:
やってみよう:
- 新しい果物を追加してみよう
- すべての要素を表示するループを追加してみよう
ArrayListのループ
ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
list.add("太郎");
list.add("花子");
list.add("次郎");
// 通常のforループ
for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
System.out.println(list.get(i));
}
// 拡張forループ
for (String name : list) {
System.out.println(name);
}
実行してみよう:
やってみよう:
- 数値のリストから最大値を見つけるコードを追加してみよう
IndexOutOfBoundsException：存在しないインデックスにアクセスした場合に発生する。
ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
list.add("太郎");
String name = list.get(10); // エラー！要素は1つしかない
リストのサイズを超えるインデックスにアクセスしないよう注意が必要である。
3. HashSet
HashSetとは
HashSet は、重複を許さない コレクションである。
順序は保証されないが、要素の存在確認が高速である。
基本的な使い方
import java.util.HashSet;
HashSet<String> set = new HashSet<>();
set.add("りんご");
set.add("バナナ");
set.add("りんご"); // 重複は無視される
System.out.println(set); // [バナナ, りんご] または [りんご, バナナ]
主なメソッド
| メソッド | 説明 | 例 |
|---|---|---|
add(要素) | 要素を追加（重複は無視） | set.add("りんご") |
remove(要素) | 要素を削除 | set.remove("りんご") |
contains(要素) | 要素が含まれるか | set.contains("りんご") |
size() | 要素数を取得 | set.size() |
実行してみよう:
やってみよう:
- 数値のセットを作成して、重複が無視されることを確認しよう
HashSetは順序を保証しない。要素の追加順序と表示順序が異なることがある。
順序を保ちたい場合は LinkedHashSet を使う。
4. HashMap
HashMapとは
HashMap は、キーと値のペア を管理するコレクションである。
キーを使って値を高速に取得できる。
基本的な使い方
import java.util.HashMap;
HashMap<String, Integer> map = new HashMap<>();
map.put("太郎", 20); // キーと値を追加
map.put("花子", 18);
map.put("次郎", 22);
int age = map.get("太郎"); // キーで値を取得
HashMap<String, Integer>の最初の型がキー、2番目の型が値の型である。
主なメソッド
| メソッド | 説明 | 例 |
|---|---|---|
put(キー, 値) | キーと値を追加 | map.put("太郎", 20) |
get(キー) | 値を取得 | map.get("太郎") |
remove(キー) | キーと値を削除 | map.remove("太郎") |
containsKey(キー) | キーが含まれるか | map.containsKey("太郎") |
size() | 要素数を取得 | map.size() |
keySet() | すべてのキーを取得 | map.keySet() |
実行してみよう:
やってみよう:
- 商品名と価格のマップを作成してみよう
HashMapのループ
HashMap<String, Integer> map = new HashMap<>();
map.put("太郎", 20);
map.put("花子", 18);
// キーでループ
for (String key : map.keySet()) {
int value = map.get(key);
System.out.println(key + ": " + value);
}
// entrySetでループ（効率的）
for (Map.Entry<String, Integer> entry : map.entrySet()) {
String key = entry.getKey();
int value = entry.getValue();
System.out.println(key + ": " + value);
}
実行してみよう:
やってみよう:
- 最高点と最低点を見つけるコードを追加してみよう
存在しないキーで get() を呼ぶと null が返される。
HashMap<String, Integer> map = new HashMap<>();
map.put("太郎", 20);
Integer age = map.get("四郎"); // null
containsKey() で存在確認してから取得するのが安全である。
5. コレクションの選び方
どのコレクションを使うか
選択のポイント
| 状況 | 推奨コレクション |
|---|---|
| 順序を保ちたい、インデックスでアクセスしたい | ArrayList |
| 重複を許さない、存在確認が重要 | HashSet |
| キーと値のペアで管理したい | HashMap |
実行してみよう:
やってみよう:
- 自分でユースケースを考えて、適切なコレクションを選んでみよう
6. コレクションとジェネリクス
ジェネリクスとは
ジェネリクス は、コレクションに格納する要素の型を指定する仕組み である。
<型名> の形で指定する。
ArrayList<String> names = new ArrayList<>(); // String型のみ格納可能
ArrayList<Integer> numbers = new ArrayList<>(); // Integer型のみ格納可能
ジェネリクスを使うことで、間違った型の要素を追加するコンパイルエラーで防げる。 型安全性が向上する。
プリミティブ型とラッパークラス
コレクションには オブジェクト しか格納できないため、プリミティブ型を格納する場合は ラッパークラス を使う。
| プリミティブ型 | ラッパークラス |
|---|---|
int | Integer |
double | Double |
boolean | Boolean |
char | Character |
ArrayList<Integer> numbers = new ArrayList<>();
numbers.add(10); // int が自動的に Integer に変換される（オートボクシング）
int num = numbers.get(0); // Integer が自動的に int に変換される（アンボクシング）
オートボクシングは便利だが、頻繁に発生するとパフォーマンスに影響 する。 特に大量のデータを扱うループ内では、毎回オブジェクトが生成されるため、メモリとCPU負荷が増大する。 パフォーマンスが重要な場合は、プリミティブ型の配列を使うか、ライブラリ（例：Apache Commons、Trove）の専用コレクションを検討する。 実務では、まず正しく動作するコードを書き、パフォーマンスボトルネックが判明してから最適化する。
まとめ
この章では、コレクション について学んだ。
学んだ内容
- コレクション は複数のデータを効率的に管理する仕組みである
ArrayListは可変長のリストで、順序を保ち、インデックスでアクセスできるHashSetは重複を許さないセットで、高速な存在確認ができるHashMapはキーと値のペアを管理するマップで、キーで値を取得できる- ジェネリクス で要素の型を指定し、型安全なコレクションを使える
- 状況に応じて適切なコレクションを選択できる
次のステップ
次の章では、日時操作 について学ぶ。 日付や時刻を扱う方法を学び、より実用的なプログラムを作る方法を学ぶ。