【Javaの基礎知識】List・Set・Mapの基本と活用法を解説！

Javaではデータを扱う方法として、配列（Array） と コレクション（List・Set・Map） の2つがあります。配列はシンプルで高速ですが、サイズ固定のため扱いにくい場面もあります。一方、コレクションは柔軟にデータを管理できるため、現在のJava開発では主流になっています。本記事では、配列の基本から List、Set、Map の使い方までを詳しく解説し、それぞれの違いと適切な選択方法についても説明します。

Javaのコレクションフレームワークとは？

Javaのコレクションフレームワークは、データを効率的に管理・操作するための仕組みです。プログラムでは、多くのデータを扱う場面があり、それを適切に整理・検索・更新するためのデータ構造が必要になります。

従来、Javaでは配列（Array）が基本的なデータ構造として使われていましたが、配列はサイズが固定されているため、可変なデータを扱うには不便でした。そこで登場したのが、 List・ Set・ Mapといったコレクションです。

コレクションとは？

Javaの「コレクション」とは、データをまとめて管理するための仕組み です。例えば、複数のデータを扱うときに、配列（ Array）を使う方法がありますが、配列はサイズを変更できないという制約があります。

一方で、コレクションを使うと、データを柔軟に追加・削除 できるため、より実用的です。また、リストのように「順番を保持」したり、重複を防ぐセットのような仕組みもあります。

コレクションにはいくつかの種類があり、用途に応じて使い分けます。

• List：順番を保持し、重複を許容** 。（例： ArrayList, LinkedList）
• Set：順番を保持せず、重複を許さない。（例： HashSet, TreeSet）
• Map：キーと値のペア でデータを管理する。（例： HashMap, TreeMap）

例えば、「果物を保存する箱」を考えてみましょう。

• List は「並べた順番を記憶できる箱」。
• Set は「同じものを二度入れられない箱」。
• Map は「名前とセットで保存できる箱」。

コレクションを利用することで、データを動的に追加・削除できるだけでなく、検索・ソート・重複管理などの高度な操作も可能になります。

配列（Array）の基本とコレクションとの違い

Javaでは配列（ Array）とコレクション（ List、 Set、 Map）の両方が存在します。ここでは、配列の特徴と、コレクションとの違いを解説します。

Javaにおける配列の現状

Javaでは、配列（Array）は古典的なデータ構造 であり、現在では List、 Set、 Map などのコレクションを使うのが主流 になっています。以下のような理由から、配列の使用は限定的になっています。

配列は固定長で柔軟性に欠ける

配列は、 int[] や String[] のように固定長のデータ構造 であり、一度サイズを決めると変更できません。そのため、可変長のデータを扱うには不便です。

List（特に ArrayList）がほぼ配列の代替になっている

可変長のデータを扱う際、 ArrayList が配列の代替として利用されることがほとんどです。 ArrayList は、内部的に配列を使用しながらも、要素の追加・削除を柔軟に行えます。

Javaの標準APIの多くが List や Map を前提に設計されている

現在の Java の標準APIは、ほとんどが List や Map を前提に設計されています。そのため、配列よりもコレクションを使ったほうが、APIとの親和性が高く、開発効率が向上します。

低レベルな操作では配列もまだ使われる

ただし、配列はメモリ効率が良く、処理速度が速いため、パフォーマンスを求める場面では今でも利用されます。特に、大量のデータを処理する際や、低レベルなアルゴリズム実装では配列が好まれることがあります。

配列の使い方

配列の宣言と初期化

int[] numbers = {1, 2, 3, 4, 5};
String[] names = new String[3];

要素の取得と変更

int firstNumber = numbers[0]; // 1
names[0] = "Alice";

配列の反復処理（for / foreach）

for (int i = 0; i < numbers.length; i++) {
    System.out.println(numbers[i]);
}

for (int num : numbers) {
    System.out.println(num);
}

配列とコレクション（List）の違い

Arrays.asList() で配列を List に変換

List<String> list = Arrays.asList(names);
System.out.println(list.get(0)); // Alice

Listの基本と使い方

リスト（ List）は、要素の順序を保持し、重複を許容するデータ構造です。配列とは異なり、可変長のデータを扱うことができ、要素の追加や削除が容易です。また、 ArrayList や LinkedList のような異なる実装が存在し、それぞれ特徴があります。本記事では、 List の基本的な特徴、主な実装クラス、操作方法について詳しく解説します。

Listの特徴

List は、Javaのコレクションフレームワークの中で最も基本的なデータ構造の一つであり、要素の順序を保持し、重複を許容する という特徴を持っています。配列と異なり、動的にサイズを変更できるため、データの追加・削除が柔軟に行えます。

ArrayList や LinkedList などの異なる実装クラスがあり、それぞれの特性に応じて適切な選択が求められます。ここでは、 List の主な特徴について解説します。

Listの主な実装クラス

Javaの Listインターフェースを実装する主なクラスである ArrayList、 LinkedList、 Vector を比較した表です。

ArrayList

ArrayList は、内部的に可変長配列を使用しており、ランダムアクセスが高速です。要素の追加・取得が速い反面、途中の要素を削除するとシフト処理が発生し、パフォーマンスに影響を与えることがあります。

List<String> list = new ArrayList<>();
list.add("Java");
list.add("Python");
System.out.println(list.get(0)); // Java

LinkedList

LinkedList は、要素がノードとしてリンクリストで管理されており、要素の追加・削除が高速です。一方で、ランダムアクセスの速度は ArrayList に比べて遅くなります。

List<String> linkedList = new LinkedList<>();
linkedList.add("C++");
linkedList.add("Ruby");
System.out.println(linkedList.get(1)); // Ruby

Vector（推奨されない）

Vector は ArrayList と似ていますが、スレッドセーフであるため、並行処理の環境で利用されることがあります。しかし、現在では ArrayList を使い、必要なら Collections.synchronizedList() を使用する方法が推奨されています。

List<String> vector = new Vector<>();
vector.add("Go");
vector.add("Swift");
System.out.println(vector.get(0)); // Go

Listの操作方法

List は、要素の追加・削除、取得、ループ処理などの操作が簡単に行えるデータ構造です。 ArrayList や LinkedList を使用することで、データの管理や検索を効率的に行うことができます。

ここでは、 List における基本的な操作方法として、「要素の追加・削除」「要素の取得」「イテレーション（反復処理）」の使い方を紹介します。

要素の追加・削除

List は、 add() メソッドを使って要素を追加し、 remove() メソッドで要素を削除できます。

List<String> list = new ArrayList<>();
list.add("JavaScript");
list.remove("JavaScript");

要素の取得

get(index) を使用すると、指定した位置の要素を取得できます。

String element = list.get(0);
System.out.println(element);

イテレーション（反復処理）

リストの要素を順番に処理する方法として、拡張 for 文や Iterator を使用する方法があります。

for (String item : list) {
    System.out.println(item);
}

Iterator<String> iterator = list.iterator();

while (iterator.hasNext()) {
    System.out.println(iterator.next());
}

Setの基本と使い方

セット（ Set）は、重複を許さないデータ構造です。リスト（ List）とは異なり、同じ要素を複数回追加することができません。また、実装クラスによって、要素の順序やソートの有無が異なります。本記事では、 Set の基本的な特徴、主な実装クラス、操作方法について詳しく解説します。

Setの特徴

Set は、重複を許さないデータ構造 であり、同じ要素を複数回追加することができません。そのため、ユニークなデータの管理 に適しています。

また、 Set の実装クラスによって、要素の順序やソートのルールが異なります。順序を保持しない HashSet、挿入順を維持する LinkedHashSet、自動ソートされる TreeSet など、用途に応じて適切な Set を選択することが重要です。

Setの主な実装クラス

Javaの Setインターフェースを実装する代表的なクラスである HashSet、 LinkedHashSet、 TreeSet の特徴を比較します。

HashSet

HashSet は、ハッシュテーブルを使用して要素を格納するため、順序を保持しない 代わりに、高速な追加・削除・検索 を提供します。

Set<String> hashSet = new HashSet<>();
hashSet.add("Java");
hashSet.add("Python");
System.out.println(hashSet.contains("Java")); // true

LinkedHashSet

LinkedHashSet は、 HashSet の特性を持ちつつ、要素の挿入順を保持 します。そのため、データの順番を維持しながら、効率的に重複を防ぎたい場合に適しています。

Set<String> linkedHashSet = new LinkedHashSet<>();
linkedHashSet.add("C++");
linkedHashSet.add("Ruby");
System.out.println(linkedHashSet); // [C++, Ruby]

TreeSet

TreeSet は、要素を自動的にソート するセットです。内部的には TreeMap を使用しており、追加・削除のコストは高めですが、常に昇順でデータを保持します。

Set<Integer> treeSet = new TreeSet<>();
treeSet.add(5);
treeSet.add(1);
treeSet.add(3);
System.out.println(treeSet); // [1, 3, 5]（自動的にソートされる）

Setの操作方法

Set は、重複を許さず、要素の順序が保証されない（またはソートされる）データ構造です。基本的な操作として、「要素の追加・削除」「特定の要素が含まれているかのチェック」「セットの全要素を取得する反復処理（イテレーション）」が可能です。

List のようなインデックスアクセスはできませんが、その分、データの一意性を確保しながら効率的に管理 できる利点があります。ここでは、 Set の基本操作を詳しく解説します。

要素の追加・削除

Set では、 add() を使用して要素を追加し、 remove() で要素を削除できます。

Set<String> set = new HashSet<>();
set.add("JavaScript");
set.remove("JavaScript");

含まれているかのチェック

特定の要素がセット内に存在するかを確認するには、 contains() を使用します。

boolean exists = set.contains("Python");
System.out.println(exists); // true または false

反復処理（イテレーション）

Set は、 for-each 文や Iterator を使って反復処理が可能です。

for (String item : set) {
    System.out.println(item);
}

Iterator<String> iterator = set.iterator();

while (iterator.hasNext()) {
    System.out.println(iterator.next());
}

Mapの基本と使い方

マップ（ Map）は、**キーと値のペアでデータを管理** するデータ構造です。リスト（ List）やセット（ Set）とは異なり、特定のキーを使って値にアクセスできるため、効率的なデータ管理が可能です。

用途に応じて適切な Map を選択することが重要です。本記事では、 Map の基本的な特徴、主な実装クラス、操作方法について解説します。

Mapの特徴

Map は、**キーと値のペアでデータを管理するデータ構造** です。各キーは一意であり、同じキーに対して異なる値を設定すると、後から追加した値で上書きされます。

配列やリストとは異なり、 Map はデータをキーで管理できるため、**特定の要素を高速に検索** するのに適しています。また、実装クラスによって、キーの順序やソートのルールが異なるため、用途に応じた適切な選択が重要です。

Mapの主な実装クラス

Javaの Mapインターフェースを実装する代表的なクラスである HashMap、 LinkedHashMap、 TreeMap の特徴を比較します。

HashMap

HashMap は、キーの順序を保持しない代わりに、高速な検索・追加・削除 を提供します。最も一般的に使用される Map の実装です。

Map<String, Integer> hashMap = new HashMap<>();
hashMap.put("Java", 1);
hashMap.put("Python", 2);
System.out.println(hashMap.get("Java")); // 1

LinkedHashMap

LinkedHashMap は、 HashMap の特性を持ちつつ、キーの挿入順を保持 します。データの順序を維持しながら、高速な検索を行いたい場合に適しています。

Map<String, Integer> linkedHashMap = new LinkedHashMap<>();
linkedHashMap.put("C++", 3);
linkedHashMap.put("Ruby", 4);
System.out.println(linkedHashMap); // {C++=3, Ruby=4}

TreeMap

TreeMap は、キーを昇順にソート して保持する Map です。内部的に Red-Black Tree（赤黒木） を使用しており、検索や順序付きのデータ管理に適しています。

Map<Integer, String> treeMap = new TreeMap<>();
treeMap.put(5, "Five");
treeMap.put(1, "One");
treeMap.put(3, "Three");
System.out.println(treeMap); // {1=One, 3=Three, 5=Five}

Mapの操作方法

Map は、キーと値のペアでデータを管理し、特定のキーを使って高速にデータを取得できます。基本的な操作として、「要素の追加・取得・削除」「キーの検索」「全要素の反復処理」があります。

配列やリストと異なり、 Map ではインデックスによるアクセスはできませんが、その分、**キーを使って効率的にデータを管理** できます。ここでは、 Map の基本的な操作方法を解説します。

要素の追加・取得・削除

Map は、 put() を使って要素を追加し、 get() で値を取得し、 remove() で削除できます。

Map<String, Integer> map = new HashMap<>();
map.put("JavaScript", 10);
map.remove("JavaScript");

キーの検索

特定のキーが Map に含まれているかを確認するには、 containsKey() を使用します。

boolean exists = map.containsKey("Python");
System.out.println(exists); // true または false

反復処理（forEach / entrySet）

Map の全要素を処理するには、 forEach や entrySet() を使用できます。

map.forEach((key, value) -> {
    System.out.println(key + ": " + value);
});

for (Map.Entry<String, Integer> entry : map.entrySet()) {
    System.out.println(entry.getKey() + ": " + entry.getValue());
}

List・Set・Mapの違いを比較

List、 Set、 Map は、それぞれ異なる特性を持つデータ構造です。適切なデータ構造を選択することで、プログラムのパフォーマンスや可読性を向上させることができます。

以下の表で、それぞれの特徴を比較し、用途に応じた選び方を解説します。

適切なデータ構造の選び方

用途に応じて、以下のように List、 Set、 Map を使い分けると効果的です。

• 順序を保持し、重複を許容するデータを扱いたい場合 → List
• 重複を許さず、順序を気にしないデータを管理したい場合 → Set
• キーと値のペアでデータを管理し、高速な検索をしたい場合 → Map

例えば、以下のようなケースで適切なデータ構造を選ぶことができます。

• 同じ値を複数回扱い、要素の順序を保持したい → ArrayList（ List）
• 重複のないユニークな値の集合を管理したい → HashSet（ Set）
• 特定のキーを使って素早く値を検索したい → HashMap（ Map）

データの管理方法に応じて、適切なデータ構造を選択することが重要です。 List は順序付きのデータ、 Set はユニークな要素、 Map はキーと値のペアを管理するのに適しています。

よくある質問（FAQ）

Q: ArrayListとLinkedListはどちらを使うべき？

A: 読み取りが多いなら ArrayList、挿入・削除が多いなら LinkedList を選ぶのが適切です。

• ArrayList は、ランダムアクセスが高速であり、データの検索や取得を頻繁に行う場合に適しています。
• LinkedList は、要素の追加・削除が頻繁に発生する場合に有利ですが、ランダムアクセスは遅くなります。

Q: HashSetに要素を追加すると順序が変わるのはなぜ？

A: HashSet は、**ハッシュ値を基に要素を格納** するため、順序が保証されません。

内部的にハッシュテーブルを使用しているため、要素の順番はデータのハッシュ値によって決まり、挿入した順番通りにはなりません。

もし順序を維持したい場合は、代わりに LinkedHashSet を使用すると、挿入順が保持されます。

Q: HashMapのキーはどのように管理される？

A: HashMap は、 hashCode() を利用してキーの位置を決定し、同じハッシュ値の場合は equals() で比較して管理します。

• キーの hashCode() メソッドを利用し、ハッシュテーブルのどこに格納するかを決定します。
• 同じハッシュ値のキーが複数存在する可能性があるため、**ハッシュの衝突（コリジョン）** を防ぐために equals() でキーの内容を比較します。
• 衝突が発生した場合、内部的にリストやツリー構造を使って管理し、パフォーマンスを維持します。

まとめ

Javaの List、 Set、 Map は、それぞれ異なる特性を持つデータ構造です。用途に応じて適切なデータ構造を選択することで、プログラムのパフォーマンスを向上させることができます。

データ構造ごとの特徴

Javaの List、 Set、 Map は、それぞれ異なる特性を持つデータ構造です。適切なデータ構造を選択することで、プログラムの可読性やパフォーマンスを向上させることができます。

以下の表では、それぞれのデータ構造の主な用途と特徴を整理し、どのような場面で使うべきかを分かりやすく比較しています。

適切なデータ構造の選び方

• 順序を保持し、重複を許容したい場合 → List（例: ArrayList）
• 重複を許さず、一意のデータを管理したい場合 → Set（例: HashSet）
• キーと値のペアでデータを管理したい場合 → Map（例: HashMap）

今後の活用

適切なデータ構造を選択することは、効率的なプログラム設計の第一歩です。各データ構造の特性をしっかり理解し、状況に応じた適切な使い分けを実践しましょう。