4-3. ディレクトリと木構造¶

ディレクトリと木構造について説明します。この内容はPythonというよりも、Windows・macOS・Linuxなどの一般的なOSに共通する概念です。なお、Colaboratoryは、仮想マシン上のLinuxの上で動作しています。

ディレクトリと階層構造¶

OS上でのファイルは一般に、階層的に管理されています。ファイルが置かれる場所のことを、ディレクトリと呼びます。ファイルをまとめることから、フォルダとも呼ばれます。

zip版の教材を、IPP_textbook ディレクトリに展開すると、次のような階層構造になります。

IPP_textbook
├── 1
│   ├── 1-0.ipynb
│   ├── 1-1.ipynb
│   ├── 1-2.ipynb
│   ├── 1-3.ipynb
│   ├── 1-4.ipynb
│   ├── colab1.png
│   ├── colab2.png
│   ├── colab3.png
│   ├── colab4.png
│   └── colaboratory.png
├── 2
│   ├── 2-1.ipynb
│   ├── 2-2.ipynb
│   └── 2-3.ipynb
├── 3
│   ├── 3-1.ipynb
│   ├── 3-2.ipynb
│   └── 3-3.ipynb
├── 4
│   ├── 4-1.ipynb
│   ├── 4-2.ipynb
│   ├── 4-3.ipynb
│   ├── sample.txt
│   ├── shift_jis.txt
│   ├── test.txt
│   ├── text
│   │   └── novel.txt
│   └── utf-8.txt
├── 5
│   ├── 5-1.ipynb
│   ├── 5-2.ipynb
│   ├── 5-3.ipynb
│   ├── factorial.py
│   └── fig
│       ├── py_conv_1.png
│       ├── py_conv_2.png
│       ├── py_open_1.png
│       └── py_open_2.png
├── 6
│   ├── 6-1.ipynb
│   ├── 6-2.ipynb
│   ├── 6-3.ipynb
│   └── jugemu.txt
├── 7
│   ├── 7-1.ipynb
│   ├── 7-2.ipynb
│   └── iris.csv
├── appendix
│   ├── 1-jupyter-notebook.ipynb
│   ├── 2-set.ipynb
│   ├── 3-recursion.ipynb
│   ├── 3-visualization.ipynb
│   ├── 4-csv.ipynb
│   ├── 5-bokeh.ipynb
│   ├── 5-command.ipynb
│   ├── 5-matplotlib.ipynb
│   ├── 5-re.ipynb
│   ├── argsprint.py
│   ├── B1S.xml
│   ├── fig
│   │   ├── argsprint.png
│   │   ├── console_in_browser.png
│   │   ├── py_conv_1.png
│   │   ├── py_conv_2.png
│   │   ├── py_open_1.png
│   │   ├── py_open_2.png
│   │   ├── sample_py_browser.png
│   │   ├── sample_py_mac_1.png
│   │   ├── sample_py_mac_2.png
│   │   ├── sample_py_mac_3.png
│   │   ├── sample_py_win_1.png
│   │   ├── sample_py_win2_1.png
│   │   ├── sample_py_win2_2.png
│   │   ├── sample_py_win2_3.png
│   │   ├── sample_py_win_2.png
│   │   ├── sample_py_win_3.png
│   │   └── terminal_in_menu.png
│   ├── sample.py
│   ├── small.csv
│   ├── text-sample.txt
│   ├── tokyo-july-temps.csv
│   └── tokyo-temps.csv
├── index.ipynb
├── index_of_terms.ipynb
└── LICENSE

ここで、末端にあるものがファイルであり、末端以外にあるものがディレクトリ（フォルダ）です。

カレントワーキングディレクトリ¶

プログラムは、必ずどこかのディレクトリで動いています。このプログラムが動作しているディレクトリのことを、ワーキングディレクトリ（もしくは作業ディレクトリ）と呼びます。通例、特にWindowsやmacOSでは、何らかのファイルをクリックしてアプリケーションが起動したとき、その開いたファイルのある場所がワーキングディレクトリになります。

ワーキングディレクトリは、プログラムの実行中に変更できます。 Python上では os.chdir を使うことで変更できます。

プログラム実行中の現在のワーキングディレクトリのことを、カレントワーキングディレクトリ、もしくは単にカレントディレクトリと呼びます。カレントディレクトリは頻繁に利用するので、 . という特別な記号によって表現できます。

パス¶

カレントディレクトリに置かれているファイルは、ファイル名を指定するだけで開くことができます。だから、4-1で示したように、カレントディレクトリにある sample.txt は、ファイル名を指定するだけで開けます。

[1]:

open('sample.txt', 'r', encoding='utf-8')

[1]:

<_io.TextIOWrapper name='sample.txt' mode='r' encoding='utf-8'>

一方、それ以外の場所にあるファイルについては、そのファイルのディレクトリまで含めて指定しなければ、開くことができません。

[2]:

open('novel.txt', 'r')

---------------------------------------------------------------------------
FileNotFoundError                         Traceback (most recent call last)
Cell In[2], line 1
----> 1 open('novel.txt', 'r')

File ~/Projects/utpython/lib/python3.12/site-packages/IPython/core/interactiveshell.py:324, in _modified_open(file, *args, **kwargs)
    317 if file in {0, 1, 2}:
    318     raise ValueError(
    319         f"IPython won't let you open fd={file} by default "
    320         "as it is likely to crash IPython. If you know what you are doing, "
    321         "you can use builtins' open."
    322     )
--> 324 return io_open(file, *args, **kwargs)

FileNotFoundError: [Errno 2] No such file or directory: 'novel.txt'

カレントディレクトリに存在しない novel.txt を開こうとしたので FileNotFoundError が生じました。 novel.txt は、text というディレクトリの中にあるので、それ明示するために、/ で区切って、次のように指定します。

[3]:

open('text/novel.txt', 'r', encoding='utf-8')

[3]:

<_io.TextIOWrapper name='text/novel.txt' mode='r' encoding='utf-8'>

実は、カレントディレクトリにあるファイルが、ファイル名の指定だけで開けるのは、自動的に ./ が補われていたからでした。

open の第1引数に渡す文字列ような、ファイルやディレクトリの場所を指定する表記を、パスと呼びます。パス（経路）と呼ぶのは、/ 区切りで1歩ずつ次に進むディレクトリを指定することに由来しています。

パスを記述する際、ルートディレクトリは / で表されます。ルートディレクトリから始まるパスを、絶対パスと呼びます。一方、カレントディレクトリからのパスを、相対パスと呼びます。パス表記において / 以外から始まる場合は、自動的に先頭に ./ が補われて、相対パスとして扱われます。

さて、./text/ というパス表記は、カレントディレクトリにある一段下の text ディレクトリに進むことに対応します。これに、一段上のディレクトリを表す .. を組み合わせることで、より柔軟にパスを指定できます。

たとえば、./text/../ は ./ と同じディレクトリを指します。

[4]:

with open('sample.txt', 'r', encoding='utf-8') as f:
    print(f.read(), end='')

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[5]:

with open('./text/../sample.txt', 'r', encoding='utf-8') as f:
    print(f.read(), end='')

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また、カレントディレクトリを ./text/ に変化させた後に、sample.txt を開くときには、../sample.txt と指定することができます。

[6]:

import os
os.chdir('./text') # 1段下の text に行く
with open('../sample.txt', 'r', encoding='utf-8') as f:
    print(f.read())
os.chdir('..') # 元のディレクトリに戻る

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木構造¶

ディレクトリの階層構造は、木を逆さにしたような形になっています。このことから、木構造もしくは単に木（tree）と呼ばれます。

木構造の観点で、最上位の階層は根（root）と呼ばれ、末端は葉（leaf）と呼ばれます。木構造を成す要素（ここではファイルやディレクトリ）は，一般にノード（node）と呼ばれます。

階層構造における包含関係は、木構造では親子関係と呼ばれます。たとえば、教材のディレクトリ階層においては、ディレクトリ IPP_textbook の中に、ディレクトリ 1 とファイル LICENSE が含まれています。木構造の観点で、IPP_textbook は 1 と LICENSE の親（parent）と呼ばれ、逆に 1 と LICENSE は IPP_textbook の子（child）と呼ばれます。また、1 と LICENSE のような共通の親を持つノード集合は、兄弟（sibling）と呼ばれます。親子関係の推移閉包として、祖先（ancestor）や子孫（descendant）も定義されます。

データ表現としての木構造¶

OSのディレクトリ構造に限らず、木構造はデータ表現として広く用いられます。 Pythonにおいても、入れ子のデータ構造は、木構造と見做せます。

たとえば、教材のディレクトリ構造を、辞書の入れ子で表現すると、次のようになります．

IPP_textbook = {
  '1': {'1-0.ipynb': Data('1-0.ipynb'),
        ...,
        'colaboratory.png', Data('colaboratory.png')},
  '2': {'2-1.ipynb': Data('2-1.ipynb'),
        '2-1.ipynb': Data('2-2.ipynb'),
        '2-3.ipynb': Data('2-3.ipynb')},
  ...
  '5': {'5-1.ipynb': Data('5-1.ipynb'),
        '5-1.ipynb': Data('5-2.ipynb'),
        '5-3.ipynb': Data('5-3.ipynb'),
        'factorial.py', Data('factorial.py'),
        'fig': {'py_conv_1.png': Data('py_conv_1.png'),
                'py_conv_2.png': Data('py_conv_2.png'),
                'py_open_1.png': Data('py_open_1.png'),
                'py_open_2.png': Data('py_open_2.png')}
       },
   ...
}

ここで Data(...) は、... のファイルデータを意味しています。

このデータ表現では、パス IPP_textbook/2/2-2.ipynb へのアクセスが、IPP_textbook['2']['2-2.ipynb'] と表現されます。

データを階層的に管理する際は、データ全体を木構造として捉えて表現することを考えましょう。

[ ]:

4-3. ディレクトリと木構造¶

ディレクトリと階層構造¶

カレントワーキングディレクトリ¶

パス¶

木構造¶

データ表現としての木構造¶

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