1. データ構造とは
プログラムでは、複数のデータをまとめて扱う必要がある。Common Lisp には、目的に応じた様々なデータ構造が用意されている。
| データ構造 | 特徴 | 用途 |
|---|---|---|
| 連想リスト（alist） | キーと値のペアのリスト | 小規模な辞書、設定 |
| プロパティリスト（plist） | キーと値が交互に並ぶ | シンボルの属性、オプション |
| ハッシュテーブル | 高速な検索 | 大規模な辞書、キャッシュ |
| 構造体（defstruct） | 名前付きフィールド | レコード、オブジェクト |
2. 連想リスト（alist）
2-1. 連想リストとは
連想リスト（association list, alist） は、キーと値のペア（cons セル）を要素とするリストである。
常のリストは位置（インデックス）でアクセスするが、連想リストはキーでアクセスする。設定ファイル、オプション引数、小規模な辞書など、キーと値のペアを扱う場面で使われる。連想リストは「リストだけ」で作ることができ、特別な関数や構造を必要としない。
;; 連想リストの例
'((name . "Alice")
(age . 25)
(city . "Tokyo"))
2-2. 連想リストの作成
;; cons でペアを作り、list でまとめる
(list (cons 'name "Alice")
(cons 'age 25)
(cons 'city "Tokyo"))
;; → ((NAME . "Alice") (AGE . 25) (CITY . "Tokyo"))
;; ドット記法で直接書く
'((name . "Alice")
(age . 25)
(city . "Tokyo"))
2-3. assoc：キーで検索
assoc はキーに対応するペアを返す。
(defparameter *person*
'((name . "Alice")
(age . 25)
(city . "Tokyo")))
;; キーで検索
(assoc 'name *person*)
;; → (NAME . "Alice")
(assoc 'age *person*)
;; → (AGE . 25)
;; 値だけ取り出す
(cdr (assoc 'name *person*))
;; → "Alice"
;; 存在しないキー
(assoc 'country *person*)
;; → NIL
2-4. acons と pairlis：要素の追加
;; acons：先頭に追加（元のリストは変更しない）
(acons 'email "alice@example.com" *person*)
;; → ((EMAIL . "alice@example.com") (NAME . "Alice") (AGE . 25) (CITY . "Tokyo"))
;; pairlis：複数のペアを一度に作成
(pairlis '(a b c) '(1 2 3))
;; → ((A . 1) (B . 2) (C . 3))
2-5. 連想リストの更新
連想リストは先頭から検索されるため、新しい値を先頭に追加すれば「更新」になる。
;; 年齢を更新（実際は先頭に新しいペアを追加）
(defparameter *person*
(acons 'age 26 *person*))
(assoc 'age *person*)
;; → (AGE . 26) ; 先頭の新しい値が見つかる
2-6. 文字列キーの検索
assoc はデフォルトで eql で比較する。文字列をキーにする場合は :test を指定する。
(defparameter *dict*
'(("apple" . "りんご")
("banana" . "バナナ")
("orange" . "オレンジ")))
;; :test を指定しないと見つからない
(assoc "apple" *dict*)
;; → NIL
;; :test #'equal で文字列比較
(assoc "apple" *dict* :test #'equal)
;; → ("apple" . "りんご")
2-7. 連想リストの用途
- 設定ファイルの読み込み
- 小規模な辞書
- 関数のオプション引数
- 一時的なデータの関連付け
3. プロパティリスト（plist）
3-1. プロパティリストとは
プロパティリスト（property list, plist） は、キーと値が交互に並ぶフラットなリストである。
;; プロパティリストの例
'(:name "Alice" :age 25 :city "Tokyo")
連想リストとの違い：
| 項目 | 連想リスト | プロパティリスト |
|---|---|---|
| 構造 | ((k1 . v1) (k2 . v2)) |
(k1 v1 k2 v2) |
| キー | 任意 | 通常キーワード |
| 用途 | 汎用辞書 | オプション、属性 |
3-2. getf：値の取得
(defparameter *person*
'(:name "Alice" :age 25 :city "Tokyo"))
;; 値を取得
(getf *person* :name)
;; → "Alice"
(getf *person* :age)
;; → 25
;; 存在しないキー（デフォルト値を指定可能）
(getf *person* :country)
;; → NIL
(getf *person* :country "Unknown")
;; → "Unknown"
3-3. setf と getf：値の更新
(defparameter *person*
(list :name "Alice" :age 25))
;; 値を更新
(setf (getf *person* :age) 26)
*person*
;; → (:NAME "Alice" :AGE 26)
;; 新しいキーを追加
(setf (getf *person* :city) "Tokyo")
*person*
;; → (:CITY "Tokyo" :NAME "Alice" :AGE 26)
3-4. remf：キーの削除
(defparameter *person*
(list :name "Alice" :age 25 :city "Tokyo"))
;; キーを削除
(remf *person* :city)
*person*
;; → (:NAME "Alice" :AGE 25)
3-5. シンボルのプロパティリスト
各シンボルには固有のプロパティリストがある。get と setf でアクセスする。
;; シンボル 'apple にプロパティを設定
(setf (get 'apple 'color) 'red)
(setf (get 'apple 'taste) 'sweet)
;; プロパティを取得
(get 'apple 'color)
;; → RED
(get 'apple 'taste)
;; → SWEET
;; シンボルの全プロパティを取得
(symbol-plist 'apple)
;; → (TASTE SWEET COLOR RED)
3-6. キーワード引数との関係
関数のキーワード引数は、内部的にプロパティリストとして扱われる。
(defun greet (&key name age)
(format t "Hello, ~a! You are ~a years old.~%" name age))
;; キーワード引数で呼び出し
(greet :name "Alice" :age 25)
;; Hello, Alice! You are 25 years old.
;; 順序は自由
(greet :age 30 :name "Bob")
;; Hello, Bob! You are 30 years old.
4. ハッシュテーブル
4-1. ハッシュテーブルとは
ハッシュテーブル は、キーと値のペアを高速に検索できるデータ構造である。連想リストが端から順番に探すのに対し、ハッシュテーブルは一発で見つけることができる。
4-2. make-hash-table：作成
;; 空のハッシュテーブルを作成
(defparameter *ht* (make-hash-table))
;; 文字列をキーにする場合は :test を指定
(defparameter *dict* (make-hash-table :test #'equal))
4-3. gethash：値の取得と設定
(defparameter *ages* (make-hash-table))
;; 値を設定
(setf (gethash 'alice *ages*) 25)
(setf (gethash 'bob *ages*) 30)
(setf (gethash 'carol *ages*) 28)
;; 値を取得
(gethash 'alice *ages*)
;; → 25
;; → T（2番目の戻り値：キーが存在したか）
;; 存在しないキー
(gethash 'dave *ages*)
;; → NIL
;; → NIL（キーが存在しない）
4-4. 複数の戻り値の活用
gethash は2つの値を返す。2番目の値でキーの存在を確認できる。
;; gethash は2つの値を返す：(1) 値、(2) キーが存在したか
(multiple-value-bind (value found-p)
(gethash 'alice *ages*)
(if found-p
(format t "Alice is ~a years old.~%" value)
(format t "Alice not found.~%")))
;; Alice is 25 years old.
4-5. remhash：キーの削除
(remhash 'bob *ages*)
;; → T（削除成功）
(gethash 'bob *ages*)
;; → NIL
;; → NIL
4-6. maphash：全要素の走査
;; 全要素を表示
(maphash (lambda (key value)
(format t "~a: ~a~%" key value))
*ages*)
;; ALICE: 25
;; CAROL: 28
4-7. hash-table-count：要素数
(hash-table-count *ages*)
;; → 2
4-8. 文字列キーのハッシュテーブル
;; :test #'equal で文字列をキーに
(defparameter *dict* (make-hash-table :test #'equal))
(setf (gethash "apple" *dict*) "りんご")
(setf (gethash "banana" *dict*) "バナナ")
(gethash "apple" *dict*)
;; → "りんご"
4-9. 連想リストとの使い分け
| 条件 | 推奨 |
|---|---|
| 要素数が少ない（〜20程度） | 連想リスト |
| 要素数が多い | ハッシュテーブル |
| 頻繁に検索する | ハッシュテーブル |
| データが不変 | 連想リスト |
| シリアライズが必要 | 連想リスト |
5. 構造体（defstruct）
5-1. 構造体とは
構造体 は、名前付きのフィールドを持つデータ型である。C言語の struct に似ている。
5-2. defstruct：構造体の定義
;; person 構造体を定義
(defstruct person
name
age
city)
これにより自動的に以下が生成される：
- コンストラクタ
make-person - アクセサ
person-name,person-age,person-city - 述語
person-p - コピー関数
copy-person
5-3. インスタンスの作成
;; インスタンスを作成
(defparameter *alice*
(make-person :name "Alice"
:age 25
:city "Tokyo"))
*alice*
;; → #S(PERSON :NAME "Alice" :AGE 25 :CITY "Tokyo")
5-4. アクセサ：フィールドの読み取り
(person-name *alice*)
;; → "Alice"
(person-age *alice*)
;; → 25
(person-city *alice*)
;; → "Tokyo"
5-5. フィールドの更新
;; setf でフィールドを更新
(setf (person-age *alice*) 26)
(person-age *alice*)
;; → 26
5-6. 述語：型の判定
(person-p *alice*)
;; → T
(person-p "not a person")
;; → NIL
5-7. デフォルト値の設定
(defstruct point
(x 0) ; デフォルト値 0
(y 0))
(make-point)
;; → #S(POINT :X 0 :Y 0)
(make-point :x 10)
;; → #S(POINT :X 10 :Y 0)
5-8. 構造体の継承
;; 基底構造体
(defstruct animal
name
age)
;; 継承した構造体
(defstruct (dog (:include animal))
breed)
(defparameter *pochi*
(make-dog :name "Pochi"
:age 3
:breed "Shiba"))
;; 親のアクセサも使える
(animal-name *pochi*)
;; → "Pochi"
(dog-breed *pochi*)
;; → "Shiba"
;; 型の判定
(dog-p *pochi*)
;; → T
(animal-p *pochi*)
;; → T（dog は animal でもある）
5-9. 構造体とリストの使い分け
;; リストで表現（位置で意味を持たせる）
(defparameter *point-list* '(10 20))
(first *point-list*) ; x
(second *point-list*) ; y
;; → 何が x で何が y か分かりにくい
;; 構造体で表現
(defstruct point x y)
(defparameter *point-struct* (make-point :x 10 :y 20))
(point-x *point-struct*)
(point-y *point-struct*)
;; → 意図が明確
6. 実践例：住所録の実装
6-1. 構造体で人物を定義
(defstruct contact
name
email
phone
(tags nil)) ; タグのリスト
6-2. ハッシュテーブルで管理
;; 名前をキーにしたハッシュテーブル
(defparameter *contacts* (make-hash-table :test #'equal))
;; 連絡先を追加する関数
(defun add-contact (name email phone &optional tags)
(setf (gethash name *contacts*)
(make-contact :name name
:email email
:phone phone
:tags tags)))
;; 連絡先を検索する関数
(defun find-contact (name)
(gethash name *contacts*))
;; 全連絡先を表示する関数
(defun list-contacts ()
(maphash (lambda (name contact)
(format t "~a: ~a~%"
name
(contact-email contact)))
*contacts*))
6-3. 使用例
;; データを追加
(add-contact "Alice" "alice@example.com" "090-1234-5678" '(friend work))
(add-contact "Bob" "bob@example.com" "080-9876-5432" '(friend))
;; 検索
(defparameter *alice* (find-contact "Alice"))
(contact-email *alice*)
;; → "alice@example.com"
(contact-tags *alice*)
;; → (FRIEND WORK)
;; 一覧表示
(list-contacts)
;; Alice: alice@example.com
;; Bob: bob@example.com
6-4. タグで検索
;; 特定のタグを持つ連絡先を検索
(defun find-by-tag (tag)
(let ((results nil))
(maphash (lambda (name contact)
(when (member tag (contact-tags contact))
(push contact results)))
*contacts*)
results))
(find-by-tag 'work)
;; → (#S(CONTACT :NAME "Alice" ...))
7. 練習課題
課題1：連想リストの操作
以下の連想リストから、指定されたキーの値を取得する関数 get-value を作れ。キーが存在しない場合はデフォルト値を返す。
(defparameter *config*
'((host . "localhost")
(port . 8080)
(debug . t)))
(get-value 'host *config*)
;; → "localhost"
(get-value 'timeout *config* 30)
;; → 30（デフォルト値）
解答
(defun get-value (key alist &optional default)
(let ((pair (assoc key alist)))
(if pair
(cdr pair)
default)))
;; テスト
(get-value 'host *config*)
;; → "localhost"
(get-value 'timeout *config* 30)
;; → 30
課題2：プロパティリストの変換
連想リストをプロパティリストに変換する関数 alist-to-plist を作れ。
(alist-to-plist '((a . 1) (b . 2) (c . 3)))
;; → (A 1 B 2 C 3)
解答
(defun alist-to-plist (alist)
(reduce #'append
(mapcar (lambda (pair)
(list (car pair) (cdr pair)))
alist)))
;; テスト
(alist-to-plist '((a . 1) (b . 2) (c . 3)))
;; → (A 1 B 2 C 3)
課題3：ハッシュテーブルの統計
ハッシュテーブルの値（数値）の合計、平均、最大値を返す関数を作れ。
(defparameter *scores* (make-hash-table))
(setf (gethash 'alice *scores*) 85)
(setf (gethash 'bob *scores*) 92)
(setf (gethash 'carol *scores*) 78)
(hash-stats *scores*)
;; → (:SUM 255 :AVG 85.0 :MAX 92)
解答
(defun hash-stats (ht)
(let ((values nil))
(maphash (lambda (k v)
(declare (ignore k))
(push v values))
ht)
(if values
(list :sum (reduce #'+ values)
:avg (/ (reduce #'+ values)
(float (length values)))
:max (reduce #'max values))
(list :sum 0 :avg 0 :max 0))))
;; テスト
(hash-stats *scores*)
;; → (:SUM 255 :AVG 85.0 :MAX 92)
課題4：構造体の定義と操作
本を表す構造体 book を定義し、以下の操作を実装せよ。
- フィールド：title, author, year, price
- year のデフォルト値は 2024
- 10%割引後の価格を返す関数
discounted-price
解答
(defstruct book
title
author
(year 2024)
price)
(defun discounted-price (book)
(* (book-price book) 0.9))
;; テスト
(defparameter *my-book*
(make-book :title "Common Lisp入門"
:author "山田太郎"
:price 3000))
(book-year *my-book*)
;; → 2024
(discounted-price *my-book*)
;; → 2700.0
課題5：図書館システム
構造体とハッシュテーブルを組み合わせて、簡単な図書館システムを作れ。
- 本を登録する
add-book - ISBN で検索する
find-book - 著者名で検索する
find-by-author
解答
(defstruct library-book
isbn
title
author
available)
(defparameter *library* (make-hash-table :test #'equal))
(defun add-book (isbn title author)
(setf (gethash isbn *library*)
(make-library-book :isbn isbn
:title title
:author author
:available t)))
(defun find-book (isbn)
(gethash isbn *library*))
(defun find-by-author (author)
(let ((results nil))
(maphash (lambda (isbn book)
(declare (ignore isbn))
(when (string= author (library-book-author book))
(push book results)))
*library*)
results))
;; テスト
(add-book "978-1-234" "Lisp入門" "山田太郎")
(add-book "978-1-235" "Lisp応用" "山田太郎")
(add-book "978-1-236" "Python入門" "鈴木花子")
(library-book-title (find-book "978-1-234"))
;; → "Lisp入門"
(length (find-by-author "山田太郎"))
;; → 2
8. まとめ
データ構造の選び方
各データ構造の関数
| データ構造 | 作成 | 取得 | 設定 | 削除 |
|---|---|---|---|---|
| 連想リスト |
acons, pairlis
|
assoc |
acons |
- |
| プロパティリスト | list |
getf |
setf + getf
|
remf |
| ハッシュテーブル | make-hash-table |
gethash |
setf + gethash
|
remhash |
| 構造体 | make-xxx |
xxx-field |
setf + accessor |
- |
使い分けの指針
- 連想リスト：シンプル、小規模、イミュータブルなデータ
- プロパティリスト：キーワード引数、シンボルの属性
- ハッシュテーブル：大規模、高速検索が必要
- 構造体：型安全、ドキュメント性、複雑なデータ