C++: STL アルゴリズム

レッスン34では STL コンテナを学びました、データを格納するだけ。

でもコンテナに対して操作が必要 —— 検索、ソート、変換……

自分で書くとバグが起きやすい；STL アルゴリズムを使うと、簡潔・安全。

1. STL アルゴリズムの概要

(1) 1.1 STL アルゴリズムとは？

STL アルゴリズムは C++ 標準ライブラリの汎用関数テンプレート、コンテナの型に依存しない。

STL アルゴリズムを使うメリット：

自分で書く	STL アルゴリズム
ループを書く必要がある	コードが簡潔
バグが起きやすい	テスト済み
パフォーマンスが不安	最適化済み
コードが読みにくい	コードが読みやすい

クラス分け：

自分で書くアルゴリズム = （車輪の再発明）
STL アルゴリズム = （標準ライブラリ）

(2) 1.2 アルゴリズムのヘッダファイル

STL アルゴリズムは algorithm ヘッダファイルにある、数値アルゴリズムは numeric。

▶ サンプル 2：STL アルゴリズムの活用（難易度 ⭐）

TEXT 📖 参照専用

#include <algorithm> // アルゴリズム用
#include <numeric>   // 数値演算（accumulate）

(3) 1.3 アルゴリズムの分類

STL アルゴリズムは関数の種類で分類：

分類	アルゴリズム	説明
非変更アルゴリズム	`find`、`count`、`for_each`	コンテナを変更しない
変更アルゴリズム	`copy`、`transform`、`replace`	コンテナを変更
ソートアルゴリズム	`sort`、`stable_sort`、`partial_sort`	ソート
検索アルゴリズム	`binary_search`、`lower_bound`	ソート済みコンテナで検索
マージアルゴリズム	`merge`、`inplace_merge`	2つのソート済み範囲をマージ
数値アルゴリズム	`accumulate`、`inner_product`	数値計算
集合アルゴリズム	`set_union`、`set_intersection`	集合演算

2. 非変更アルゴリズム

(1) 2.1 find —— 検索

機能： コンテナで値を検索、イテレータを返す。

関数シグネチャ：

CPP

InputIt find(InputIt first, InputIt last, const T& value);

例：値を検索（難易度 ⭐）

CPP

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>

int main() {
    std::vector<int> scores = {85, 92, 78, 90, 88};
    
    // 90を検索
    auto it = std::find(scores.begin(), scores.end(), 90);
    
    if (it != scores.end()) {
        // 見つかった（インデックスを計算）
        int index = std::distance(scores.begin(), it);
        std::cout << "90が見つかりました、位置：" << index << std::endl;
    } else {
        std::cout << "90が見つかりませんでした" << std::endl;
    }
    
    return 0;
}

出力：
TEXT 📖 参照専用
90が見つかりました、位置：3

💡 ヒント：

見つからない場合 last（つまり end()）を返す

時間計算量：O(n)

(2) 2.2 count —— カウント

機能： コンテナで指定した値の個数をカウント。

例：カウント（難易度 ⭐）

CPP

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>

int main() {
    std::vector<int> scores = {100, 85, 100, 92, 78, 100};
    
    // 満点の数（100点）
    int perfect = std::count(scores.begin(), scores.end(), 100);
    
    std::cout << "満点の数：" << perfect << std::endl; // 出力：3
    
    return 0;
}

(3) 2.3 for_each —— 各要素に処理

機能： コンテナの各要素に関数を適用。

例：各要素に処理（難易度 ⭐）

CPP

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>

int main() {
    std::vector<int> scores = {85, 92, 78, 90, 88};
    
    // ラムダで出力
    std::for_each(scores.begin(), scores.end(), [](int s) {
        std::cout << s << " ";
    });
    std::cout << std::endl;
    
    return 0;
}

出力：
TEXT 📖 参照専用
85 92 78 90 88 

💡 ヒント：

for_each は手書きループより簡潔

ラムダと組み合わせる

3. 変更アルゴリズム

(1) 3.1 copy —— コピー

機能： 範囲の要素をコピー。

例：配列をコピー（難易度 ⭐）

CPP

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>

int main() {
    std::vector<int> src = {1, 2, 3, 4, 5};
    std::vector<int> dst(5); // あらかじめサイズ確保、5要素
    
    // コピー
    std::copy(src.begin(), src.end(), dst.begin());
    
    // 出力
    for (int x : dst) {
        std::cout << x << " ";
    }
    std::cout << std::endl;
    
    return 0;
}

(2) 3.2 transform —— 変換

機能： 範囲の要素を変換。

例：変換（難易度 ⭐⭐）

CPP

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>

int main() {
    std::vector<int> scores = {85, 92, 78, 90, 88};
    std::vector<int> adjusted(scores.size()); // 結果用
    
    // 70%を残し、30%を補正
    std::transform(scores.begin(), scores.end(), adjusted.begin(),
        [](int s) { return s * 0.7 + 90 * 0.3; });
    
    std::cout << "補正後：";
    for (int x : adjusted) {
        std::cout << x << " ";
    }
    std::cout << std::endl;
    
    return 0;
}

出力：
TEXT 📖 参照専用
補正後：86.5 91.9 81.6 90 88.6

(3) 3.3 replace —— 置換

機能： コンテナで指定した値の要素を別の値に置換。

例：置換（難易度 ⭐）

CPP

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>

int main() {
    std::vector<int> scores = {85, 92, 78, 90, 88};
    
    // 不合格（<60）を60に置換（補正）
    std::replace_if(scores.begin(), scores.end(),
        [](int s) { return s < 60; },
        60);
    
    std::cout << "補正後：";
    for (int x : scores) {
        std::cout << x << " ";
    }
    std::cout << std::endl;
    
    return 0;
}

4. ソートアルゴリズム

(1) 4.1 sort —— ソート

機能： コンテナをソート（デフォルトは昇順）。

例：ソート（難易度 ⭐）

CPP

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>

int main() {
    std::vector<int> scores = {85, 92, 78, 90, 88};
    
    // 昇順ソート
    std::sort(scores.begin(), scores.end());
    
    std::cout << "昇順：";
    for (int x : scores) {
        std::cout << x << " ";
    }
    std::cout << std::endl;
    
    // 降順ソート
    std::sort(scores.begin(), scores.end(), std::greater<int>());
    
    std::cout << "降順：";
    for (int x : scores) {
        std::cout << x << " ";
    }
    std::cout << std::endl;
    
    return 0;
}

出力：
TEXT 📖 参照専用
昇順：78 85 88 90 92
降順：92 90 88 85 78

(2) 4.2 カスタムソート

例：点数でソート（難易度 ⭐⭐）

CPP

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>
#include <string>

struct Student {
    std::string name;
    int score;
};

int main() {
    std::vector<Student> students = {
        {"Alice", 85},
        {"Bob", 92},
        {"Charlie", 78}
    };
    
    // 点数の降順でソート
    std::sort(students.begin(), students.end(),
        [](const Student& a, const Student& b) {
            return a.score > b.score;
        });
    
    std::cout << "ランキング：" << std::endl;
    for (const auto& s : students) {
        std::cout << s.name << "：" << s.score << std::endl;
    }
    
    return 0;
}

出力：
TEXT 📖 参照専用
ランキング：
Bob：92
Alice：85
Charlie：78

5. 数値アルゴリズム

(1) 5.1 accumulate —— 累積

機能： 範囲の要素の和を計算。

例：累積（難易度 ⭐）

CPP

#include <iostream>
#include <vector>
#include <numeric>

int main() {
    std::vector<int> scores = {85, 92, 78, 90, 88};
    
    // 合計点
    int total = std::accumulate(scores.begin(), scores.end(), 0);
    
    std::cout << "合計点：" << total << std::endl; // 出力：433
    std::cout << "平均点：" << total / 5.0 << std::endl; // 出力：86.6
    
    return 0;
}

(2) 5.2 inner_product —— 内積

例：2つの vector の内積（難易度 ⭐⭐）

CPP

#include <iostream>
#include <vector>
#include <numeric>

int main() {
    std::vector<int> v1 = {1, 2, 3};
    std::vector<int> v2 = {4, 5, 6};
    
    // 内積：1*4 + 2*5 + 3*6 = 32
    int dot_product = std::inner_product(v1.begin(), v1.end(), v2.begin(), 0);
    
    std::cout << "内積：" << dot_product << std::endl; // 出力：32
    
    return 0;
}

6. 総合例

▶ サンプル 1：成績分析システム（難易度 ⭐⭐⭐）

CPP

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>
#include <numeric>
#include <string>

int main() {
    std::vector<int> scores = {85, 92, 78, 90, 88, 76, 95, 83, 89, 91};
    
    // 1. 学生数
    int count = scores.size();
    std::cout << "学生数：" << count << std::endl;
    
    // 2. 合計と平均
    int total = std::accumulate(scores.begin(), scores.end(), 0);
    double average = static_cast<double>(total) / count;
    std::cout << "合計点：" << total << "、平均点：" << average << std::endl;
    
    // 3. 最高と最低を検索
    int max_score = *std::max_element(scores.begin(), scores.end());
    int min_score = *std::min_element(scores.begin(), scores.end());
    std::cout << "最高点：" << max_score << "、最低点：" << min_score << std::endl;
    
    // 4. 合格者数
    int passed = std::count_if(scores.begin(), scores.end(),
        [](int s) { return s >= 60; });
    std::cout << "合格者数：" << passed << std::endl;
    
    // 5. ソートして上位3名を出力
    std::vector<int> top3 = scores;
    std::sort(top3.begin(), top3.end(), std::greater<int>());
    std::cout << "上位3名：";
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        std::cout << top3[i] << " ";
    }
    std::cout << std::endl;
    
    return 0;
}

▶ 試してみよう

出力：

TEXT 📖 参照専用

学生数：10
合計点：867、平均点：86.7
最高点：95、最低点：76
合格者数：10
上位3名：95 92 91

7. アルゴリズムの使い方

(1) 7.1 イテレータ関数

関数	機能
`std::distance(first, last)`	イテレータの距離
`std::advance(it, n)`	イテレータを n 進める
`std::next(it)`	次のイテレータを返す
`std::prev(it)`	前のイテレータを返す

(2) 7.2 ラムダの詳細

ラムダは STL アルゴリズムの強力なツール：

CPP

// 基本構文
[capture](parameters) -> return_type { body }

// 例：複数条件でソート
std::sort(students.begin(), students.end(),
    [](const Student& a, const Student& b) {
        if (a.score != b.score)
            return a.score > b.score; // 点数の降順
        return a.name < b.name; // 名前の昇順
    });

▶ サンプル 3：削除パターン（難易度 ⭐⭐）

CPP

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>

int main() {
    std::vector<int> scores = {85, 45, 92, 58, 78, 30, 95};

    // 60点未満を削除（remove-erase イディオム）
    auto new_end = std::remove_if(scores.begin(), scores.end(),
        [](int s) { return s < 60; });
    scores.erase(new_end, scores.end());

    std::cout << "合格者: ";
    for (int s : scores) {
        std::cout << s << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    return 0;
}

▶ 試してみよう

出力：
TEXT 📖 参照専用
合格者: 85 92 78 95

❓ よくある質問

Q: STL アルゴリズムと手書きループの違いは？ A: STL アルゴリズムを使うメリット：

最適化済み

コンテナの型に依存しない

コンパイラの最適化が効きやすい

Q: どのコンテナでも STL アルゴリズムを使える？ A: はい、でも注意：

順序コンテナ（vector、deque）：全部使える

連想コンテナ（set、map）：メンバー関数がある、メンバー関数を使う

Q: ラムダとは？ A: ラムダは C++11 のインライン関数、関数の中で関数を定義。

基本構文：

CPP

[capture](params) -> return_type { body }

例：

CPP

auto add = [](int a, int b) { return a + b; };
std::cout << add(3, 5) << std::endl; // 出力：8

Q: アルゴリズムでよくあるエラーは？ A: よくあるエラー：

コンテナがソートされていないのに検索アルゴリズムを使う → ソート必須

出力先のコンテナが小さい → back_inserter を使う

イテレータの型が違う → コンテナに合わせる

📖 まとめ

分類	アルゴリズム
STL アルゴリズム	汎用関数テンプレート、コンテナに依存しない
非変更アルゴリズム	`find`、`count`、`for_each`
変更アルゴリズム	`copy`、`transform`、`replace`
ソートアルゴリズム	`sort` + カスタム関数
数値アルゴリズム	`accumulate`（累積）
ラムダ	インライン関数、アルゴリズムで活用

推奨：

STL アルゴリズムを使う、手書きループを避ける
アルゴリズムの詳細はドキュメントを確認、自分で書かない
ラムダを使う、コードが簡潔になる

📝 練習問題

初級（難易度 ⭐）： std::vector<int> に10個のランダムな整数を入れ、sort でソートして出力、reverse で逆順に出力。
中級（難易度 ⭐⭐）： find で std::vector<std::string> から文字列を検索、count で特定の値の個数をカウント。
上級（難易度 ⭐⭐⭐）： remove_if とラムダで「vector から奇数を削除」を実装。erase-remove の使い方を理解。

次のレッスン： 練習：OOP総合（#36） —— オブジェクト指向で学生管理システムをリファクタリング

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