C言語でデータを効率的にソート！qsort関数の完全ガイドと使い方10選

はじめに

プログラミングの世界にはさまざまな問題解決の道具があり、その一つがデータのソートです。

データを適切に並べ替えることで、アルゴリズムの効率を飛躍的に向上させることができます。

今回は、C言語に標準で備わっているソート関数、qsort関数の使い方について詳しく解説します。

●C言語とqsort関数とは

C言語は、1972年にベル研究所のデニス・リッチーによって開発された汎用プログラミング言語で、そのパフォーマンスの高さと直接ハードウェアを制御できる能力から、OS開発や組み込みシステム開発など多岐にわたる分野で使用されています。

C言語には様々な関数が用意されていますが、その中の一つがqsort関数です。

qsort関数は、任意の型のデータを任意の条件でソートするための関数であり、非常に汎用性が高いため、さまざまなソートに対応できます。

●qsort関数の基本

qsort関数はC言語の標準ライブラリに含まれています。

その使用法は次の通りです。

○qsort関数の引数

qsort関数は次の四つの引数を取ります。

1. ソートしたい配列へのポインタ
2. 配列の要素数
3. 各要素のサイズ
4. 比較関数へのポインタ

これらの情報を元に、qsort関数は指定した配列の要素をソートします。

○qsort関数の戻り値

qsort関数の戻り値はvoid型です。

つまり、ソート結果を返すのではなく、引数で渡された配列そのものを直接ソートします。

●qsort関数の使い方

では、具体的な使用法を見ていきましょう。

qsort関数を使用したいくつかの典型的なケースを紹介します。

○基本的な使用法

まずは、一番基本的な使用法から見ていきます。

ここでは、整数の配列を昇順にソートするコードを紹介しています。

この例では、配列をソートするためにqsort関数を使い、比較関数としてint型の比較関数を指定しています。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int compare(const void* a, const void* b) {
    return *(int*)a - *(int*)b;
}

int main() {
    int numbers[] = {7, 2, 9, 6, 5, 3, 8, 4, 1, 10};
    int size = sizeof(numbers) / sizeof(numbers[0]);

    qsort(numbers, size, sizeof(int), compare);

    for(int i = 0; i < size; i++) {
        printf("%d ", numbers[i]);
    }

    return 0;
}

上記のコードを実行すると、numbers配列は昇順にソートされ、「1 2 3 4 5 6 7 8 9 10」と出力されます。

○サンプルコード1：数字の配列をソートする

C言語における最も基本的なqsort関数の使用例を見てみましょう。

このコードでは、整数の配列を昇順にソートします。

まずはじめに、比較関数を定義します。

qsort関数に渡す比較関数は特定の形式を持つ必要があります。

これは、voidポインタへの二つの引数を取り、整数を返す関数です。

比較関数の実装の詳細については後ほど解説します。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

// 比較関数
int compare(const void *a, const void *b) {
  // voidポインタをintポインタにキャストし、その値を取得
  int num1 = *(int *)a;
  int num2 = *(int *)b;

  if (num1 < num2) return -1;
  if (num1 > num2) return 1;
  return 0;  // num1とnum2が等しい場合
}

int main() {
  int numbers[] = {7, 3, 4, 1, -1, 23, 12, 43, -8, 5};
  int size = sizeof(numbers) / sizeof(int);

  qsort(numbers, size, sizeof(int), compare);

  for (int i = 0; i < size; i++) {
    printf("%d ", numbers[i]);
  }

  return 0;
}

このコードを実行すると、numbers配列は昇順にソートされ、次の結果がコンソールに出力されます。

-8 -1 1 3 4 5 7 12 23 43

ここで定義したcompare関数は、qsort関数が配列内の二つの要素を比較するために呼び出します。

この関数は、要素aとbが等しい場合には0、aがbより小さい場合には負の数、aがbより大きい場合には正の数を返すように設計されています。

この比較関数の特徴は、比較対象となる配列の要素が何であるか（この例では整数）に基づいて、voidポインタを適切な型（この場合はintポインタ）にキャストする点です。

キャストしたポインタを通じて、ポインタが指す実際の値にアクセスできます。

次に、このcompare関数をqsort関数に渡して配列をソートします。

qsort関数の第一引数はソート対象の配列、第二引数は配列の要素数、第三引数は配列の一つの要素のサイズ（ここではsizeof(int)）、そして最後の第四引数が比較関数です。

qsort関数は、配列をインプレースでソートします。

つまり、元の配列が直接変更されるため、新たな配列を作成する必要はありません。

これは、メモリの使用を最小限に抑えるのに役立ちます。

この基本的な例を理解することで、qsort関数の基本的な使用法と比較関数の設計についての理解が深まるはずです。

○サンプルコード2：文字列の配列をソートする

文字列の配列をソートするためには、比較関数としてC言語の標準ライブラリにあるstrcmp関数を使用します。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

//比較関数
int compare(const void *a, const void *b) {
    return strcmp(*(char**)a, *(char**)b);
}

int main() {
    // 文字列の配列
    char *array[] = {"apple", "banana", "cherry", "date", "elderberry", "fig", "grape"};
    int n = sizeof(array) / sizeof(array[0]);

    qsort(array, n, sizeof(char*), compare);

    // ソート後の配列を表示
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        printf("%s\n", array[i]);
    }
    return 0;
}

このコードでは「apple」、「banana」、「cherry」、「date」、「elderberry」、「fig」、「grape」の7つの文字列が含まれる配列を作成し、qsort関数によってアルファベット順にソートしています。

比較関数として用いる「compare」関数は、qsort関数が要素を比較する際に呼び出されます。

この関数は引数として比較対象の要素をポインタとして受け取り、その結果をqsort関数に返します。

コードを実行すると、文字列がアルファベット順に並べ替えられて出力されます。

これにより、qsort関数を使用して文字列の配列をソートする方法を理解できます。

○サンプルコード3：構造体の配列をソートする

次に、構造体の配列をソートする例を見ていきましょう。

この場合も、比較関数が必要となりますが、構造体の各メンバにアクセスするために少し複雑な記述が必要となります。

人の名前と年齢を持つ構造体の配列を、年齢でソートする例を紹介します。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

// 人を表す構造体
typedef struct {
    char name[100];
    int age;
} Person;

// 比較関数
int compare(const void *a, const void *b) {
    Person *personA = (Person *)a;
    Person *personB = (Person *)b;
    return personA->age - personB->age;
}

int main() {
    // 人の配列を作成
    Person array[] = {{"John", 25}, {"Alice", 22}, {"Bob", 27}, {"David", 24}, {"Eve", 23}};
    int n = sizeof(array) / sizeof(array[0]);

    qsort(array, n, sizeof(Person), compare);

    // ソート後の配列を表示
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        printf("%s, %d\n", array[i].name, array[i].age);
    }
    return 0;
}

このコードでは、名前と年齢をメンバに持つ「Person」構造体の配列を作成し、それをqsort関数でソートしています。

比較関数「compare」は年齢を比較して結果を返します。

具体的には、関数の引数から「Person」構造体のポインタを取得し、そのポインタを通じて構造体のメンバ「age」にアクセスしています。

このコードを実行すると、配列が年齢順にソートされた結果が出力されます。

これにより、qsort関数を使用して構造体の配列をソートする方法を理解できます。

○サンプルコード4：逆順ソートの実装

それでは、次に逆順ソートの実装について見ていきましょう。

通常、qsort関数は昇順にソートしますが、比較関数を工夫することで、降順にソートすることも可能です。

その具体的な方法を次のサンプルコードで確認してみましょう。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

//比較関数(降順)
int compare(const void *a, const void *b) {
    return *(int*)b - *(int*)a;
}

int main() {
    int array[] = {3, 1, 4, 1, 5, 9, 2};
    int size = sizeof(array) / sizeof(array[0]);

    //qsort関数を使用して降順にソート
    qsort(array, size, sizeof(int), compare);

    //ソート結果の出力
    for(int i = 0; i < size; i++) {
        printf("%d ", array[i]);
    }

    return 0;
}

このコードでは、比較関数としてcompare関数を定義し、その中で引数として受け取った二つの整数を比較しています。

ただし、ここでの比較の仕方が通常とは逆で、b - aとなっています。

これが、ソート結果を降順にするためのポイントとなります。

main関数では、7つの整数が格納されたarrayという名前の配列を定義し、そのサイズを求めています。

そして、qsort関数を呼び出し、この配列を降順にソートしています。比較関数として先ほど定義したcompare関数を渡しています。

最後に、forループを使ってソート結果を表示しています。

このコードを実行すると、配列が次のように降順にソートされた結果が出力されます。

9 5 4 3 2 1 1

このように、qsort関数の比較関数を工夫することで、独自のソート条件を実現することができます。

ただし、比較関数の中でどのように比較を行うかは、ソートしたいデータの型や特性によりますので、注意が必要です。

○サンプルコード5：カスタム比較関数の使用

さらに進んで、qsort関数でカスタム比較関数を使用する方法について見ていきましょう。

例えば、構造体の配列をソートしたい場合、その構造体が持つ特定のメンバを基準にソートしたいという場合があります。

その際には、カスタム比較関数を使うことで対応できます。

下記のサンプルコードを見てみましょう。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

typedef struct {
    char name[100];
    int age;
} Person;

//比較関数(年齢を基準に)
int compare(const void *a, const void *b) {
    Person *pa = (Person*)a;
    Person *pb = (Person*)b;
    return pa->age - pb->age;
}

int main() {
    Person array[] = {
        {"Alice", 20},
        {"Bob", 18},
        {"Charlie", 22},
        {"Dave", 21}
    };
    int size = sizeof(array) / sizeof(array[0]);

    //qsort関数を使用して年齢順にソート
    qsort(array, size, sizeof(Person), compare);

    //ソート結果の出力
    for(int i = 0; i < size; i++) {
        printf("%s: %d\n", array[i].name, array[i].age);
    }

    return 0;
}

このコードでは、まずPersonという名前の構造体を定義しています。

この構造体はnameとageという二つのメンバを持ち、それぞれ名前と年齢を表しています。

そして、比較関数compareでは、引数として受け取った二つのvoidポインタをPersonポインタにキャストし、それぞれのageメンバを比較しています。

これにより、Person構造体の配列をageメンバの値を基準にソートすることができます。

main関数では、四つのPerson構造体が格納されたarrayという名前の配列を定義し、そのサイズを求めています。

そして、qsort関数を呼び出し、この配列をageメンバの値を基準にソートしています。

最後に、forループを使ってソート結果を表示しています。

このコードを実行すると、次のように年齢順にソートされた結果が出力されます。

Bob: 18
Alice: 20
Dave: 21
Charlie: 22

このように、qsort関数では比較関数を自由に定義することができるため、様々な条件でのソートを柔軟に実現することが可能です。

それぞれのソート条件に合わせた比較関数の作り方を理解し、自分の目的に合った最適なソート方法を探してみてください。

○サンプルコード6：ファイル内の行をソートする

qsort関数を使って、ファイル内の行をソートする例をご紹介します。

このコードでは、まずファイルから行を読み取り、それを文字列の配列として保持します。

次にqsort関数を使ってそれらの行をソートし、結果を出力します。

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>

#define MAX_LINES 1000
#define MAX_LEN 100

// ファイルから行を読み込む関数
int readlines(char *lineptr[], int maxlines) {
    int len, nlines;
    char *p, line[MAX_LEN];

    nlines = 0;
    while ((fgets(line, MAX_LEN, stdin) != NULL) && (nlines < maxlines)) {
        p = malloc(strlen(line)+1);  // 行の長さ+1バイトの領域を確保
        strcpy(p, line);
        lineptr[nlines++] = p;
    }
    return nlines;
}

// 文字列を比較する関数
int cmpstringp(const void *p1, const void *p2) {
    return strcmp(*(char * const *)p1, *(char * const *)p2);
}

int main() {
    char *lineptr[MAX_LINES];
    int nlines;

    if ((nlines = readlines(lineptr, MAX_LINES)) >= 0) {
        qsort(lineptr, nlines, sizeof(char *), cmpstringp);  // 行をソート
        for (int i = 0; i < nlines; i++)
            printf("%s", lineptr[i]);  // ソート結果を出力
    }
    return 0;
}

このコードを実行すると、標準入力から読み取った行がアルファベット順（または文字コード順）にソートされて出力されます。

ただし、行の最大数はMAX_LINESで指定した数（ここでは1000）に制限されます。

また、各行の長さはMAX_LENで指定した長さ（ここでは100）に制限されます。

○サンプルコード7：多次元配列のソート

次に、多次元配列をソートする例を見てみましょう。

ここでは、2次元の整数配列をソートします。各配列の最初の要素を基準にして、配列全体をソートします。

ここでもqsort関数とカスタム比較関数を使います。

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>

#define ROWS 4
#define COLS 3

// 2次元配列の行を比較する関数
int compare(const void *a, const void *b) {
    int *arr1 = (int *)a;
    int *arr2 = (int *)b;
    return arr1[0] - arr2[0];  // 各行の最初の要素を比較
}

int main() {
    int arr[ROWS][COLS] = { {3, 2, 4}, {1, 6, 3}, {7, 5, 6}, {8, 3, 1} };

    qsort(arr, ROWS, sizeof(arr[0]), compare);  // 配列をソート

    for (int i = 0; i < ROWS; i++) {
        for (int j = 0; j < COLS; j++)
            printf("%d ", arr[i][j]);  // ソート結果を出力
        printf("\n");
    }
    return 0;
}

このコードを実行すると、各行の最初の要素を基準にして2次元配列がソートされます。

その結果、各行がその最初の要素に基づいて昇順になります。

○サンプルコード8：ポインタ配列のソート

C言語におけるデータの扱い方として、直接値を管理する手法だけでなく、ポインタを使用してデータの参照を管理することもよくあります。

特に、大きなデータ構造をソートする際には、ポインタ配列をソートすることで効率を向上させることが可能です。

このコードでは、ポインタの配列をqsort関数を用いてソートする方法を紹介します。

この例では、整数の配列が用意され、そのポインタの配列が生成されます。

そして、そのポインタの配列をソートすることで、元の配列のインデックスをソートします。

具体的なサンプルコードを解説します。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int compare(const void* a, const void* b) {
    return **(int**)a - **(int**)b;
}

int main() {
    int array[5] = {5, 3, 4, 1, 2};
    int* pArray[5];

    for(int i = 0; i < 5; i++) {
        pArray[i] = &array[i];
    }

    qsort(pArray, 5, sizeof(int*), compare);

    for(int i = 0; i < 5; i++) {
        printf("%d ", *pArray[i]);
    }

    return 0;
}

このサンプルコードは、まず整数の配列arrayを定義し、それをソートしたいと考えています。

しかし、直接arrayをソートするのではなく、arrayの各要素へのポインタを格納した配列pArrayを生成し、それをソートします。

そして、比較関数compareでは、引数として渡されるのがポインタのポインタであることを考慮し、適切にデリファレンスを行っています。

これにより、元の配列の値に基づいてソートを行うことができます。

このコードを実行すると、次の出力が得られます。

1 2 3 4 5

つまり、元の配列の値を基にして、pArrayがソートされ、元の配列のインデックスがソートされるという結果になります。

これにより、元の配列自体は変更されずに、そのソートされたインデックスの情報を得ることが可能となります。

ポインタ配列のソートは、元のデータを直接操作せずにソートした結果を取得したい場合や、データが大きく直接移動させるのがコストがかかる場合などに有効です。

また、ポインタをソートすることで、元のデータ構造への参照関係を保持しながらソートを行うことも可能となります。

これが、C言語でqsort関数を使用してポインタ配列をソートする一例です。

ソート対象のデータ構造やソートの基準に応じて、qsort関数の使用法を工夫することで、さまざまなシチュエーションでのデータソートに対応することが可能です。

○サンプルコード9：高度な比較関数の使用

qsort関数の比較関数としては、単純な数値や文字列の比較だけでなく、より高度な比較も可能です。

例えば、文字列を比較する際に大文字と小文字を無視したい場合や、特定の条件に基づいてソート順を決定したい場合などには、自分で比較関数を設計することになります。

このコードではstrcasecmp関数を使って、大文字と小文字を区別せずに文字列を比較するコードを紹介しています。

この例では、英字の大文字と小文字を無視して配列の要素をソートしています。

これにより、たとえば “Apple” と “apple” が同等に扱われ、ソート結果が自然な順序になります。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

int ignore_case_strcmp(const void *a, const void *b) {
  // strcasecmp関数は大文字と小文字を無視した文字列比較を行う
  return strcasecmp(*(const char **)a, *(const char **)b);
}

int main() {
  // 文字列配列の定義
  const char *array[] = {"Orange", "apple", "Banana", "mango", "Peach", "grape", "cherry"};

  // 配列の要素数を計算
  size_t array_length = sizeof(array) / sizeof(const char *);

  // qsort関数でソートを実行
  qsort(array, array_length, sizeof(const char *), ignore_case_strcmp);

  // ソート結果の表示
  for (size_t i = 0; i < array_length; i++) {
    printf("%s\n", array[i]);
  }

  return 0;
}

このコードを実行すると、大文字と小文字を無視したアルファベット順に配列の要素がソートされます。

つまり、「apple」「Banana」「cherry」「grape」「mango」「Orange」「Peach」という順序で表示されます。

ここでは比較関数にstrcasecmpを使用していますが、より複雑なソート条件を作る場合には、この比較関数を自分で定義することも可能です。

例えば、文字列の長さでソートを行いたい場合、文字列の特定の部分だけでソートを行いたい場合など、様々なカスタマイズが可能です。

○サンプルコード10：qsortと二分探索の組み合わせ

効率的なデータ検索のために、qsort関数を用いたソートと二分探索を組み合わせる方法をご紹介します。

このコードでは、整数の配列をqsort関数でソートし、その結果をもとに二分探索を実行します。

二分探索は、ソート済みのデータに対して高速に特定の要素を探索できるアルゴリズムで、そのパフォーマンスを引き出すにはqsort関数との組み合わせが理想的です。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

// qsortのための比較関数
int compare(const void *a, const void *b){
  return (*(int*)a - *(int*)b);
}

// 二分探索関数
int binary_search(int *array, int n, int key){
  int left = 0;
  int right = n;
  while(left < right){
    int mid = (left + right) / 2;
    if(array[mid] == key) return mid;
    else if(array[mid] < key) left = mid + 1;
    else right = mid;
  }
  return -1; // keyが見つからなかった場合
}

int main(){
  int array[10] = {10, 5, 8, 1, 7, 6, 3, 4, 9, 2};
  int n = sizeof(array) / sizeof(array[0]);

  // qsortで配列をソート
  qsort(array, n, sizeof(int), compare);

  // ソート後の配列と検索キーを用いて二分探索
  int key = 6;
  int result = binary_search(array, n, key);

  if(result != -1) printf("key %d found at index %d\n", key, result);
  else printf("key %d not found\n", key);

  return 0;
}

上記のコードではまず、compare関数を定義し、これをqsort関数の引数として渡します。

次にbinary_search関数を定義し、ソート済みの配列に対して特定のキーを探索します。

main関数では、配列をqsort関数でソートした後、その結果をbinary_search関数の引数として渡し、キーと一致する要素の位置を出力します。

このコードを実行すると、次のような結果が得られます。

key 6 found at index 5

以上の結果から、キーの値6が配列のインデックス5に存在することがわかります。

つまり、ソート後の配列に対する二分探索によって、効率的にデータの位置を特定することが可能になります。

●qsort関数を使う際の注意点と対処法

qsort関数を使用する際には、いくつかの注意点があります。

一つ目は、qsort関数の第4引数に渡す比較関数が重要であるという点です。

比較関数の設計によって、ソートの結果が大きく変わります。

また、比較関数内で行う計算が不適切であると、意図しないソート結果を引き起こす可能性もあります。

二つ目の注意点は、qsort関数は元の配列を直接ソートするため、元のデータが書き換えられるという点です。

元のデータを保持したい場合は、qsort関数を適用する前にデータをコピーするなどの対策が必要です。

三つ目の注意点は、qsort関数はソートの結果を元の配列に直接書き込むため、その結果を他の関数に渡す際には注意が必要であるという点です。

特に、配列のメモリ領域がスタックに確保されている場合、その領域が関数の呼び出しとともに解放されてしまう可能性があります。

そのため、qsort関数の結果を他の関数に渡す場合や、関数の外で使用する場合には、適切なメモリ管理が必要となります。

●qsort関数のカスタマイズ方法

qsort関数は強力なツールですが、その能力を最大限に引き出すには、比較関数をカスタマイズすることが不可欠です。

比較関数をカスタマイズすることで、任意のデータ型や特定のソート基準に対応した独自のソート動作を作成できます。

○サンプルコード11：独自の比較関数を使用する

下記のコードは、文字列の長さに基づいて文字列をソートするためのカスタム比較関数を使用した例です。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

// 文字列の長さに基づく比較関数
int compare_string_length(const void *a, const void *b) {
    const char **str_a = (const char **)a;
    const char **str_b = (const char **)b;
    return strlen(*str_a) - strlen(*str_b);
}

int main() {
    char *str_array[] = {"Hello", "Hi", "How are you", "Goodbye"};
    int str_num = sizeof(str_array) / sizeof(char *);

    // qsort関数を呼び出す
    qsort(str_array, str_num, sizeof(char *), compare_string_length);

    // ソート後の配列を表示
    for (int i = 0; i < str_num; i++) {
        printf("%s\n", str_array[i]);
    }

    return 0;
}

このコードではqsort関数を使って、文字列配列をソートしています。

この例では、独自の比較関数compare_string_lengthを使って、文字列の長さに基づいて文字列をソートしています。

実行結果は次のとおりです。

Hi
Hello
Goodbye
How are you

文字列は長さに基づいてソートされ、最も短い”Hi”から始まり、最も長い”How are you”で終わるように表示されます。

まとめ

以上、C言語のqsort関数の使用方法について詳しく見てきました。

この関数を使えば、効率的に配列をソートすることができ、プログラミングのさまざまな場面で利用できます。

その使い方はとても簡単で、基本的な使用法から高度な使用法まで、さまざまな例を挙げて説明しました。

また、比較関数をカスタマイズすることで、自分だけの独自のソート動作を作成する方法も紹介しました。

しかし、qsort関数を使用する際には注意点もあります。

特に、比較関数の設計と配列の要素のサイズを正しく指定することが重要です。

これらを念頭に置いて、qsort関数を上手に使いこなすことで、C言語プログラミングの幅が広がることでしょう。