Golangの配列とスライスの学習

Go言語における配列

1.1 配列の定義と宣言

配列は、同じ型の要素からなる固定サイズのシーケンスです。Go言語では、配列の長さは配列の型の一部として扱われます。つまり、異なる長さの配列は異なる型として扱われます。

配列を宣言する基本的な構文は以下の通りです:

var arr [n]T

ここで、varは変数宣言のキーワードであり、arrは配列の名前、nは配列の長さを表し、Tは配列内の要素の型を表します。

例えば、5つの整数を含む配列を宣言するには以下のようにします:

var myArray [5]int

この例では、myArrayはint型の5つの整数を含む配列です。

1.2 配列の初期化と使用

配列の初期化は、宣言時に直接行うか、インデックスを使用して値を割り当てることができます。配列の初期化には複数の方法があります:

直接初期化

var myArray = [5]int{10, 20, 30, 40, 50}

また、初期化された値の数に基づいて配列の長さをコンパイラに推測させることも可能です:

var myArray = [...]int{10, 20, 30, 40, 50}

ここで...は、配列の長さをコンパイラが計算することを示しています。

インデックスを使用した初期化

var myArray [5]int
myArray[0] = 10
myArray[1] = 20
// それ以外の要素はintのゼロ値である0で初期化されます

配列の使用も簡単で、要素にはインデックスを使用してアクセスできます:

fmt.Println(myArray[2]) // 3番目の要素にアクセス

1.3 配列の走査

配列を走査するための一般的な方法として、従来のforループを使用する方法とrangeを使用する方法があります。

forループを使用した走査

for i := 0; i < len(myArray); i++ {
    fmt.Println(myArray[i])
}

rangeを使用した走査

for index, value := range myArray {
    fmt.Printf("インデックス: %d, 値: %d\n", index, value)
}

rangeを使用する利点は、現在のインデックス位置とその位置の値の2つの値を返すことです。

1.4 配列の特性と制限

Go言語では、配列は値型であり、配列を関数にパラメータとして渡すときには配列のコピーが渡されます。したがって、関数内で元の配列の修正が必要な場合は、通常はスライスや配列へのポインタが使用されます。

2 Go言語におけるスライス

2.1 スライスの概念

Go言語において、スライスは配列の抽象化です。Goの配列のサイズは不変であるため、特定のシナリオでの使用が制限されます。Goのスライスは、データ構造の直列化に便利で柔軟で強力なインターフェースを提供するため、より柔軟に設計されています。スライス自体はデータを保持せず、基礎となる配列への参照のみです。その動的な性質は主に次の点で特徴付けられます:

動的なサイズ: 配列とは異なり、スライスの長さは動的であり、必要に応じて自動的に拡大または縮小できます。
柔軟性: 組み込みのappend関数を使用して要素を簡単にスライスに追加できます。
参照型: スライスはデータのコピーを作成せず、基礎となる配列の要素に対する参照によってアクセスします。

2.2 スライスの宣言と初期化

スライスの宣言の構文は配列の宣言と類似していますが、宣言時に要素の数を指定する必要はありません。例えば、整数のスライスを宣言する方法は以下のようになります:

var slice []int

スライスリテラルを使用してスライスを初期化することができます:

slice := []int{1, 2, 3}

上記の変数sliceは、3つの整数を含むスライスとして初期化されます。

また、make関数を使用してスライスを初期化することもできます。これによりスライスの長さと容量を指定できます:

slice := make([]int, 5)  // 長さと容量が5の整数のスライスを作成する

より大きな容量が必要な場合は、make関数に3番目のパラメータとして容量を渡すことができます:

slice := make([]int, 5, 10)  // 長さが5で容量が10の整数のスライスを作成する

2.3 スライスと配列の関係

スライスは、配列の一部を指定して作成し、その部分への参照を形成することができます。例えば、次の配列が与えられたとします：

array := [5]int{10, 20, 30, 40, 50}

次のようにしてスライスを作成できます：

slice := array[1:4]

このスライス slice は、配列 array のインデックス1からインデックス3（インデックス1を含むがインデックス4を含まない）までの要素への参照となります。

重要なのは、スライスは実際には配列の値をコピーするのではなく、元の配列の連続したセグメントを指すだけであるということです。そのため、スライスの変更は元の配列にも影響し、逆もまた然りです。この参照関係を理解することは、スライスを効果的に使用する上で重要です。

2.4 スライスの基本操作

2.4.1 インデックス指定

スライスは配列と同様にインデックスを使用して要素にアクセスしますが、インデックスは0から始まります。例えば：

slice := []int{10, 20, 30, 40}
// 最初と3番目の要素にアクセス
fmt.Println(slice[0], slice[2])

2.4.2 長さと容量

スライスには長さ（len）と容量（cap）という2つのプロパティがあります。長さはスライスの要素数であり、容量はスライスの最初の要素からその基になる配列の末尾までの要素数です。

slice := []int{10, 20, 30, 40}
// スライスの長さと容量を出力
fmt.Println(len(slice), cap(slice))

2.4.3 要素の追加

append 関数はスライスに要素を追加するために使用されます。スライスの容量が新しい要素を収容するのに十分でない場合、append 関数は自動的にスライスの容量を拡張します。

slice := []int{10, 20, 30}
// 単一の要素を追加
slice = append(slice, 40)
// 複数の要素を追加
slice = append(slice, 50, 60)
fmt.Println(slice)

append を使用して要素を追加する際には、新しいスライスが返される可能性があります。元の配列の容量が十分でない場合、append 操作によってスライスが新しい、より大きな配列を指すようになることに注意してください。

2.5 スライスの拡張とコピー

copy 関数を使用して、スライスの要素を別のスライスにコピーすることができます。対象のスライスはすでにコピーされる要素を収容する十分なスペースを割り当てており、操作は対象のスライスの容量を変更しません。

2.5.1 `copy` 関数の使用

次のコードは、copy の使用方法を示しています：

src := []int{1, 2, 3}
dst := make([]int, 3)
// 要素をターゲットのスライスにコピー
copied := copy(dst, src)
fmt.Println(dst, copied)

copy 関数はコピーされた要素の数を返し、コピーされる要素数はターゲットのスライスの長さまたはソースのスライスの長さのどちらか小さい方になります。

2.5.2 注意事項

copy 関数を使用する際に、コピーするための新しい要素が追加された場合、対象のスライスに十分なスペースがない場合、対象のスライスが収容できる要素のみがコピーされます。

2.6 多次元スライス

多次元スライスとは、複数のスライスが含まれるスライスのことです。多次元配列に似ていますが、スライスの可変長のため、多次元スライスの方が柔軟です。

2.6.1 多次元スライスの作成

二次元スライス（スライスのスライス）の作成：

twoD := make([][]int, 3)
for i := 0; i < 3; i++ {
    twoD[i] = make([]int, 3)
    for j := 0; j < 3; j++ {
        twoD[i][j] = i + j
    }
}
fmt.Println("Two-dimensional slice: ", twoD)

2.6.2 多次元スライスの使用

多次元スライスの使用方法は、一次元スライスの使用と似ており、インデックスでアクセスします：

// 二次元スライスの要素にアクセス
val := twoD[1][2]
fmt.Println(val)

3 配列とスライスのアプリケーションの比較

3.1 使用シナリオの比較

Go言語の配列（Arrays）とスライス（Slices）は、同じ種類のデータのコレクションを格納するために使用されますが、それぞれ異なる使用シナリオがあります。

配列:

配列の長さは宣言時に固定されるため、既知の固定数の要素を格納するのに適しています。
固定サイズのコンテナが必要な場合（例えば、固定サイズの行列の表現など）、配列が最適な選択肢です。
配列はスタック上に割り当てられるため、配列のサイズが大きくない場合、より高いパフォーマンスが得られます。

スライス:

スライスは動的な配列の抽象であり、可変の長さを持ち、不明な数量または動的に変更される要素のコレクションを格納するのに適しています。
ユーザーの入力など不確定なデータを格納するための、必要に応じて成長または縮小する動的な配列が必要な場合、スライスがより適しています。
スライスのメモリレイアウトは、配列の一部またはすべてを便利に参照することを可能にし、一般的には部分文字列の処理、ファイルコンテンツの分割などのシナリオで使用されます。

要約すると、配列は固定サイズの要件のあるシナリオに適しており、Go言語の静的なメモリ管理機能を反映しています。一方、スライスはより柔軟で、配列の抽象的な拡張として機能し、動的なコレクションの処理に便利です。

3.2 パフォーマンスに関する考慮事項

配列またはスライスの使用を選択する際には、パフォーマンスは重要な要素です。

配列:

連続したメモリと固定されたインデックスを持つため、高速なアクセス速度を提供します。
スタック上にメモリが割り当てられます（配列のサイズが既知でかつ大きすぎない場合）。追加のヒープメモリのオーバーヘッドは関与しません。
長さや容量を保存するための余分なメモリがないため、メモリに敏感なプログラムに有益です。