Pythonキュー：FIFOとLIFOを実例で理解

キューはアイテムを線形順序で格納するデータ構造です。アイテムは後端（リア）に追加され、前端（フロント）から取り出され、**先入れ先出し（FIFO）**の原則に従います。キューには論理的な2つの端、**フロント**と**リア**があり、リアで*エンキュー*、フロントで*デキュー*を行います。

このチュートリアルで学べること：

Pythonのqueueモジュールの仕組み
Pythonで利用可能なキューの種類
モジュールのインポート方法
QueueとLifoQueueオブジェクトの主要メソッド
FIFOとLIFOキューの実践例
バッチ操作、ソート、キューの反転

キューモジュールの仕組み

振る舞いは物理的な行列と類似：最初に並んだ人が最初にサービスを受けます。キューデータ構造では、最初にエンキューされた要素が最初にデキューされます。

Pythonキュー：FIFOとLIFOを実例で理解

リアは新しいアイテムの挿入ポイント（例: 値7）。フロントはアイテムがキューを離れるポイント；最初のアイテムを削除すると値1が得られます。

キューは線形なので、中央の任意の要素を直接削除できません；先にあるすべての要素をデキューする必要があります。

Pythonキュー：FIFOとLIFOを実例で理解

Pythonのキューの種類

Pythonのqueueモジュールには2つの主要なキュークラスがあります：

FIFOキュー – Queue()を使用。最古のアイテムが常に最初に削除されます。
LIFOキュー – LifoQueue()を使用。最も最近追加されたアイテムが最初に返されます。

始め方: モジュールのインポート

Pythonにはqueueモジュールが標準搭載；外部インストール不要。

import queue

FIFOキューのインスタンス化：

q1 = queue.Queue()

LIFOキューのインスタンス化：

q1 = queue.LifoQueue()

主要メソッド

QueueとLifoQueueは同じコア APIを公開：

put(item) – アイテムをエンキュー
get() – 次のアイテムをデキューして返す
empty() – キューが空ならTrue
full() – キューが最大サイズに達したらTrue
qsize() – 現在のアイテム数を返す

FIFOキューの例

単一アイテムのエンキュー

import queue
q1 = queue.Queue()
q1.put(10)  # 10をキューに追加

サイズ制限付き複数アイテムのエンキュー

q1 = queue.Queue(maxsize=5)  # 最大5アイテム
for i in range(1, 6):
    q1.put(i)
print(q1.full())  # → True

出力:

True

アイテムのデキュー

item = q1.get()
print('デキューされたアイテム:', item)

出力:

デキューされたアイテム: 10

LIFOキューの例

単一アイテムのエンキュー

q1 = queue.LifoQueue()
q1.put(10)

アイテムのデキュー

item = q1.get()
print('LIFOからデキュー:', item)

出力:

LIFOからデキュー: 10

バッチ操作

FIFO – 20個の数値をエンキュー

q1 = queue.Queue()
for i in range(20):
    q1.put(i)

FIFO – 全デキュー

while not q1.empty():
    print('値:', q1.get())

出力:

値: 0
値: 1
...
値: 19

LIFO – 20個の数値をエンキュー

q1 = queue.LifoQueue()
for i in range(20):
    q1.put(i)

LIFO – 全デキュー

while not q1.empty():
    print('値:', q1.get())

出力:

値: 19
値: 18
...
値: 0

キューのソート（バブルソート）

q1 = queue.Queue()
for item in [11, 5, 4, 21, 3, 10]:
    q1.put(item)

n = q1.qsize()
for i in range(n):
    x = q1.get()
    for j in range(n-1):
        y = q1.get()
        if x > y:
            q1.put(y)
        else:
            q1.put(x)
        x = y
    q1.put(x)

while not q1.empty():
    print(q1.queue[0], end=' ')
    q1.get()

出力:

3 4 5 10 11 21

再帰を使ったキューの反転

def reverse_queue(src, dest):
    item = src.get()
    if not src.empty():
        reverse_queue(src, dest)
    dest.put(item)
    return dest

q1 = queue.Queue()
for item in [11, 5, 4, 21, 3, 10]:
    q1.put(item)

q2 = queue.Queue()
reverse_queue(q1, q2)

while not q2.empty():
    print(q2.queue[0], end=' ')
    q2.get()

出力: