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最終更新日：2025年1月4日
Pythonのデータ構造について説明します。
1．データ構造
Pythonでは、#が出てくると、そこから行末までを無視するので、コメントを入れたい場合には、#に続けて書き込みます。Pythonでは、コメントはあまり歓迎されていないようで、複数行にまたがるコメントを書きたい場合は、一々各行の先頭に#を入れて、書き連ねるしかありません('''とか"""とかで挟むという方法もあるらしいですが)。
(1) 変数名、関数名、クラス名、メソッド名、モジュール名
A～Z，a～z，0～9_，漢字などが使えますが、Pythonの命名規約では、英小文字と'_'(アンダースコア)の使用が推奨されています。また、変数名の先頭文字を数字にすることはできません。
その他以下のようなことが推奨されています。
・'while'，'global'，'return'のような予約語を名前として使うことはできません。
・パッケージ名はなるべく短く、'_'を使わないこと。
・モジュール名はなるべく短く、'_'で区切ってもよい。
・可読性が悪くなるので、1文字変数名として、'l'(小文字のエル)，'O'(大文字のオー)、'I'(大文字のアイ)を使わないこと。
・モジュール名、メソッド名、変数名、関数名では、意味を明瞭にするために複数の単語をつなげて名前を付けるとき、スネークケースと言うのですが、'my_variable'のように、小文字の単語を'_'でつなげて名前をつけます。
・クラス名では、キャメルケースと言うのですが、'InputData'のように、単語の先頭を大文字にしてつなげます。
・定数を表す変数名は、全て大文字か'_'で区切ります。
・先頭文字を'_'にすることはなるべく避けます。特殊な処理に既に使われている可能性があります。
(2) 変数
Pythonでは、その変数にデータを代入するときに、そのデータに従って型が決まりメモリ上にデータを格納する場所が取られるので、型指定をして変数名を定義する必要はありません。
abc = 123
とすると、整数値型(int型)の変数としてabcが定義され、変数abcに数値123が入ります。
abc = 1.23
とすると、実数値型(float型)の変数としてabcが定義され、変数abcに数値1.23が入ります。
abc = '123'
とすると、文字列型(string型)の変数としてabcが定義され、変数abcに文字列'123'が入ります。文字列データは、'123'または"123"のように、single quote(')またはdouble quote(")で挟みます。
abc = ( x > y )
とすると、論理型(boolean型)の変数としてabcが定義されます。x>yであればTrueが、x<yであればFalseがabcに入ります。
代入が行われていない未定義の変数を参照するとエラーが起きます。
また、内部処理でデータ型の不適合が起きるとエラーが発生します。変数の型を調べるために、type()という関数が用意されていて、
print(type(abc))
とすると、変数abcの型を表示してくれます。
(3) 配列(リスト)
複数のデータを集めて一まとめにして処理するものとして、Pythonではリスト(他の処理系では「配列」と呼ぶことが多い)が用意されています。リスト内の各データを要素と呼び、番号(添字、またはインデクスと言います)を付けて処理します。リストのデータは、[ 1, 2, 3]のように複数のデータを左カギ括弧'['と右カギ括弧']'で挟んで表します。
abc = [ 1, 2, 3 ]
とすると、リスト型の変数abcが定義されます。添字は0から始まります。1番目のデータを使う時にはabc[0](数値1が入っている)，2番目のデータを使う時にはabc[1](数値2が入っている)とします。データが入っていないのに、abc[5]を参照するとエラーになります。
リストの中に異なる型のデータを混在させることができます。
abc = [ 1, '横浜市', 1.35 ]
とすると、abc[0]には整数値1が入り、abc[1]には文字列'横浜市'が入り、abc[2]には実数値1.35が入ります。
関数をリストの要素とすることもできます。
def fun1():
pass
return
def func2():
pass
return
def func3():
pass
return
func_list[ func1, func2, func3 ]
としておくと、func_list[0]()として、関数func1()を呼び出すことができます。
リストには、1列に並んだデータ(一次元配列と言います)を格納できるだけでなく、要素をリストにすることにより、平面的に並んだデータ(二次元配列と言います)を格納することもできます。
abc = [ [ 1, '横浜市', 1.35 ], [ 2, '鎌倉市', 2.17 ], [ 3, '川崎市', 4.21 ] ]
のようにすると、リストのリストが変数abcに入ります。二次元配列の場合、2番目のリストの3番目のデータ(実数値2.17が入っている)を参照するときには、2つ添字をつけて、abc[1][2]のように参照します。abc[1]には、リスト[ 2, '鎌倉市', 2.17 ]が入っていて、このリストの3番目のデータを参照するという意味で、abc[1][2]として、実数値データ2.17を取り出します。もちろん、三次元配列、四次元配列も可能です。
リストでは、代入により各要素の内容の変更が可能で、要素数の増減を行う関数も用意されています。
なお、複数のリストを初期化しようとして
abc, d, ef = []
としてしまうと、1つの同一のリストにabc，d，efと3つの異なる変数名をつけるだけなので注意してください。
ef[2] = 3
とすると、abc[2]もd[2]も3になってしまいます。3つの別々のリストとして初期化する場合には、
abc, d, ef = [], [], []
とします。
(4) タプル(tuple)
タプルもリストと同様に複数のデータを一まとめにして処理するものです。
abc = 1, '横浜市', 1.35
とすると、整数値1と文字列'横浜市'と実数値1.35を一まとめにして扱えます。但し、プログラムが読みにくくなるので、通常は、以下のように、データを左括弧'('と右括弧')'で挟んで表します。
abc = ( 1, '横浜市', 1.35 )
abc[1]には文字列'横浜市'，abc[2]には実数値1.35が入っています。
但し、タプルでは、代入によるデータの書き換え、要素数の増減を行うことができません。変更されることのないデータを格納するのにタプルを用い、データを動的に変更する場合にはリストを用います。
(5) 辞書
リストでは、1列に並んだデータの中の1つを参照するのに、添字に番号を入れて参照します。番号を指定するのではなく、キーと呼ばれる文字列を指定してデータを参照するのが辞書です。但し、キーとなる文字列は変更できません。キーは、変更不可能なデータであれば、文字列以外のタプルや定数を用いることもできます。辞書データは、左中括弧'{'と右中括弧'}'で挟んで表します。
abc = { '名前' : '井上三郎', '年齢' : 34 }
とすると、abcに辞書データが入ります。名前を参照したい場合には、abc['名前']とすると、'井上三郎'という文字列を参照することができます。abc['年齢']とすると、整数値34を参照することができます。キーを指定してデータを取り出すことはできますが、キーとなる文字列を取り出すことはできません。
abc['住所'] = '東京都武蔵野市一番町1234番地'
とすると、'住所'というキーに対して、'東京都武蔵野市一番町1234番地'という文字列が入ります。この代入操作で、データの変更もできます。
Pythonの演算について説明します。
2．演算
(1) 算術演算子・論理演算子
a = b # 代入演算子'='の右側(通常は式)の処理を行って左側の変数に代入する。aもbもカンマ','でつないで複数個のデータを一括で代入させることができる。代入側被代入側の個数は一致させる必要がある。
a + b # aとbの和
a - b # aとbの差
a * b # aとbの積
a / b # aをbで割った商
a % b # aをbで割った余り
a ** b # aのb乗
~a # aの各ビットの反転
*a #リスト・タプルaの展開(アンパック)，aがリスト[1, 2, 3]のとき、*aは、リストがバラされて、1と2と3になる。print(*a)とすると、"1 2 3"というようにリストが展開して出力される。
a | b # aとbの各ビットのOR
a & b # aとbの各ビットのAND
a ^ b # aとbの各ビットのexclusive-OR(排他的論理和)
a << b # aをbビットだけ左シフト
a >> b # aをbビットだけ右シフト
a += b # aにbを加えてaに入れる(a = a + b)
a -= b # aからbを引きaに入れる(a = a - b)
a *= b # aにbをかけてaに入れる(a = a * b)
a /= b # aをbで割ってaに入れる(a = a / b)
a %= b # aをbで割った余りをaに入れる(a = a % b)
a **= b # aをb乗したものをaに入れる(a = a ** b)
a |= b # aとbの各ビットのORをaに入れる(a = a | b)
a &= b # aとbの各ビットのANDをaに入れる(a = a & b)
a ^= b # aとbの各ビットのexclusive-ORをaに入れる(a = a ^ b)、aの特定のビット(bで1になっているビット)を反転させるのに使う。a ^= aとすると、aの各ビットを0クリアできる。
a <<= b # aをbビットだけ左シフトしたものをaに入れる(a = a << b)
a >>= b # aをbビットだけ右シフトしたものをaに入れる(a = a>> b)
not a # aを論理型として反転(aがTrueならFalse, aがFalseならTrue)
a or b # a, bを論理型としてOR(結果は、True, False)
a and b # a, bを論理型としてAND(結果は、True, False)
a @ b # 行列aと行列bの積
(2) 比較演算子(結果はTrue, False)
a == b # aとbが等しければTrue, 等しくなければFalse
a !=b # aとbが等しくなければTrue, 等しければFalse
a < b # aがbよりも小さければTrue, 小さくなければFalse。aとbが文字列のときは、辞書順の比較。
a > b # aがbよりも大きければTrue, 大きくなければFalse。aとbが文字列のときは、辞書順の比較。
a <= b # aがb以下ならTrue, b以下でなければFalse。aとbが文字列のときは、辞書順の比較。
a >= b # aがb以上ならTrue, b以上でなければFalse。aとbが文字列のときは、辞書順の比較。
a is b # aとbの値が同じかどうかではなく、同一のオブジェクトであるときにTrue，a = bの実行後には同一オブジェクトを指すのでTrueになる。a is bがTrueになるとき、bの値を変更するとaの値も変更される。使用に際しては微妙な点に関する注意が必要。
a is not b # aとbが同一のオブジェクトでないときにTrue
a in b # aがbに含まれるときにTrue, 含まれていないときにFalse
a not in b # aがbに含まれていないときにTrue, 含まれているときにFalse
(3) 文字列演算子(以下の部分文字列を取り出す[n:m:s]の操作をスライス操作と言います。0は先頭文字、負数は末尾からの文字数を表します)
a + b # 文字列aのうしろに文字列bを連結する
a * c # 文字列aをc回繰り返す
a[n] # 文字列aの最初からn番目の文字を取り出す(先頭文字は0番目)
a[n:m] # 文字列aの最初からn番目の文字からm番目の文字までの部分文字列を取り出す
a[n:] # 文字列aの最初からn番目の文字から最後の文字までの部分文字列を取り出す
a[:m] # 文字列aの最初の文字からm番目の文字までの部分文字列を取り出す
a[n:m:s] # 文字列aの最初からn番目の文字からm番目の文字までをs文字ごとに取り出す。
(4) 演算子の優先順位
複数の演算子を使って式が書かれているとき、式の左から右に向って評価されていくのが原則ですが、演算子によって、どの演算子を優先するか、その順番が決まっています。
一番優先されるのが、(...), リストの[...], 辞書の{...}の括弧と、変数・定数の並び、..., ..., ...のカンマ','です。
次に、'['と']'の間に書かれているリストやタプルの添字、スライス操作、'('と')'の間に書かれている関数の引数指定、オブジェクトの属性を示す'.'が評価されます。
その後以下の順に評価されていきます。
べき乗の'**'
+a, -a, ~aの'+', '-', '~'
乗算の'*', 行列乗算の'@', 除算の'/', 余りの'%'
加算の'+', 減算の'-'
シフト演算の'<<', '>>'
ビットごとANDの'&'
ビットごとexclusive-ORの'^'
ビットごとORの'|'
比較演算子、'==', '!=', '>', '<', '>=', '<=', is, is not, in, not in
論理型反転のnot
論理型ANDのand
論理型ORのor
Pythonのプログラム構造について説明します。
3．Pythonプログラムの構造
どの言語でプログラム開発するときもそうなのですが、長大な１つのプログラムで種々の処理を実現するのではなく、処理内容をいくつかのブロックに分けて、ブロックごとに開発を進めて行くのが常套的手法です。複数の開発者で作業するのであれば、モジュールごとに別ファイルにします。こうした考え方をモジュール化と言います。
モジュール化においては、複数の開発者で作業することを前提に、フローチャートを参考に、各モジュールをどのように組み合わせるのか、各モジュールに何を担当させるか、あらかじめ、各モジュールの仕様・機能、モジュールを呼び出す場合の規則(引数、戻り値)を、しっかり検討し標準化しておかないと、全体を１つのシステムとしてまとめるときに、うまく繋がらない、ということが起きます。事後に整合性を図るのはとても大変で、組織がまとまって対処できず、組織そのものが崩壊してしまう、ということさえ起き得ます。
各モジュールの仕様・呼び出し規則が決まったところで、モジュール間で共通に使う変数、各モジュールの中でのみ使う変数を検討します。複数のモジュールでアクセスする変数(グローバル変数と言います)はglobal宣言します。モジュール内でのみ使う変数(ローカル変数と言います)は、そのモジュールを開発する担当者に変数名(当然、global宣言できません)、型、などを任せてしまってよいかも知れませんが、グローバル変数は、意味、型、どのタイミングで書き込み呼び出すかなどを文書にまとめて、複数の開発者で共有しなければいけません。
あるモジュールから別のモジュールmod1を利用する場合、そのモジュールの先頭で、
import mod1
と宣言しておきます。mod1内の関数func1()を呼び出すのであれば、
mod1.func1()
とします。mod1を付けないと、どのモジュールからfunc1()を持ってくるのかがわかりません。複数のモジュールにfunc1()があるかも知れません。
mod1内のクラスclass1のインスタンスを作るのであれば、
class1_inst1 = mod1.class1()
とします。mod1内の変数abcにアクセスするのであれば、
de = mod1.abc
とします。変数abcの内容を書き換えるのであれば、
mod1.abc = de
とします。
各モジュールの内部は、クラス定義、関数定義の集合体となり、メイン・モジュールがそれらを呼び出します。各モジュール内では、Pythonの文法に従って、各モジュールの仕様・呼び出し規則に答えるようにコーディング作業が行われます。
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