配列スタック

2025年10月22日

配列スタック

英語表記: Array-based Stack

概要

配列スタックとは、抽象的なデータ構造であるスタックを、最も基本的な線形データ構造である配列（Array）を用いて具体的に実装した手法です。スタックが持つLIFO（Last-In, First-Out：後入れ先出し）の特性を、配列の特定の一端のみを使ってデータの挿入（Push）と削除（Pop）を行うことで実現します。これは、データ構造（リスト, スタック, キュー, ツリー）という大きなカテゴリの中で、特にスタックの機能を実現するための主要な「実装と応用」方法の一つとして位置づけられます。

配列スタックは、その構造がシンプルであるため、高速なアクセスが可能であるという利点がありますが、あらかじめ配列の最大サイズを決定しておく必要があるという制約が伴います。

詳細解説

配列スタックは、抽象的な概念であるスタックを、実際にコンピュータのメモリ上で機能させるための具体的な手段です。スタックの「実装と応用」を考える際、配列を用いる方法は、その直感的な構造とパフォーマンスの高さから、非常に頻繁に採用されます。

構成要素と動作原理

配列スタックを構成する主要な要素は二つです。一つはデータを格納するための配列本体、もう一つはスタックの最上位の要素、すなわち次にデータが挿入されるべき位置、または最後に挿入された位置を指し示すトップポインタ（Top Pointer）またはインデックスです。

1. データの挿入（Push）
Push操作を行う際は、まずトップポインタを一つ進め、その新しいインデックス位置にデータを格納します。これにより、データは配列の末尾に向かって積み上げられていきます。この操作は配列の特定の位置への書き込みに相当するため、非常に高速（O(1)の定数時間）に行えます。

2. データの取り出し（Pop）
Pop操作では、トップポインタが指し示している位置のデータを取り出し、その後、トップポインタを一つ戻します。この動作によって、必ず「一番最後に格納されたデータ」が「一番最初に取り出される」というLIFOの原則が守られます。

配列実装の最大の特徴：固定長の問題

配列スタックの最も重要な特徴であり、また考慮すべき課題となるのが「固定長」である点です。配列は、メモリ上に連続した領域を確保するため、スタックを生成する際にその最大容量（サイズ）を決定しなければなりません。

オーバーフロー (Overflow) への対応:
もしスタックにデータをPushし続け、配列の最大容量を超えてしまった場合、それはオーバーフローと呼ばれ、データの格納ができなくなります。このオーバーフローへの対応（エラー処理を行うか、より大きな新しい配列にデータをコピーするかなど）が、配列スタック実装の重要な設計点となります。これは、リスト構造のように必要に応じてメモリを動的に確保できる実装（リストスタック）とは決定的に異なる点です。
メモリ効率:
配列スタックは、必要な容量をあらかじめ確保するため、もしスタックがほとんど使われない場合、確保したメモリ領域が無駄になる可能性があります。しかし、逆に利用頻度が高く、サイズが比較的安定している場合には、メモリの連続性によるキャッシュ効率の向上やポインタ管理の単純さから、リストスタックよりも高いパフォーマンスを発揮することが多いです。

この「実装と応用」の文脈において、配列スタックは「速度が求められ、かつ最大データ量が予測できる環境」において非常に優れた選択肢となります。

具体例・活用シーン

配列スタックは、そのシンプルさと速度から、コンピューティングの基礎的な部分で広く活用されています。

1. 関数呼び出しスタック (Function Call Stack)

これは最も重要な応用例です。プログラムが関数を呼び出す際、現在実行中の関数の状態（戻りアドレスやローカル変数など）をスタックにPushします。関数から戻る（リターンする）際には、スタックから情報を取り出し（Pop）て元の状態に戻ります。このメカニズムは、通常、効率を重視して固定長または準固定長で実装されることが多く、配列スタックの考え方が基盤となっています。

2. 構文解析（パーシング）

コンパイラやインタープリタがプログラムコードを読み込む際、括弧の対応関係や式の評価順序を確認するためにスタックが使用されます。特に、入れ子になった構造の処理において、配列スタックは高速なPush/Pop操作を提供します。

3. アナロジー：エレベーターの満員通知

配列スタックの固定長という性質を理解するには、「定員が決まっているエレベーター」を想像すると非常に分かりやすいです。

エレベーターの定員（配列の最大サイズ）: エレベーターには乗れる人数（データ量）が厳格に決まっています。
乗客の乗り降り（Push/Pop）: 乗客（データ）は最後（一番上）に乗った人から順に降りていくわけではありませんが、スタックのLIFO原則を適用すると、「最後に乗り込んだ人（Push）が、一番最初に出口にいる（Pop）」ことになります。
満員表示（オーバーフロー）: 定員を超えて乗ろうとすると、「満員です」というアラートが鳴り、それ以上Pushすることはできません。これが配列スタックにおけるオーバーフローの状況です。配列スタックは、リストスタックのように「定員を無視してどんどん連結していく」ことができないため、この「満員」への対処が必須なのです。

このような具体例を通じて、データ構造の「実装と応用」における配列スタックの役割を深く理解することができます。

資格試験向けチェックポイント

IT Passport試験、基本情報技術者試験、応用情報技術者試験において、データ構造としてのスタック、特に配列による実装方法は頻出テーマです。配列スタックは、リストスタックとの比較において、その特性を問われることが多いです。

| 試験項目 | 着目点と対策 |
| :— | :— |
| LIFO原則の理解 | スタックの基本中の基本です。「後入れ先出し」を意味するLIFO（Last-In, First-Out）と、キューのFIFO（First-In, First-Out）を混同しないように注意が必要です。 |
| 操作の用語 | データ追加（Push）、データ削除（Pop）、最上位参照（Peek/Top）の三つの基本操作とその結果としてのインデックスの変動を正確に把握してください。 |
| オーバーフロー/アンダーフロー | 配列スタック特有の現象として、満杯時に発生する「オーバーフロー」と、空のスタックからPopしようとした際に発生する「アンダーフロー」の定義と、それが発生する条件を問われます。 |
| 配列 vs リストの比較 | 配列実装は「アクセス速度が速い（O(1)）が、サイズ変更が困難（固定長）」、リスト実装は「サイズ変更が容易（可変長）だが、ポインタ操作のオーバーヘッドがある」というトレードオフを問う問題が頻出します。これは「実装と応用」のメリット・デメリットを問う典型的なパターンです。 |
| ポインタ（インデックス）の動き | 具体的な配列の図が示され、特定の操作（Push 3回、Pop 1回など）を行った後のTopポインタが指すインデックス番号（0始まりか1始まりか）を計算させる問題は、基本情報技術者試験で定番です。 |