4-3. コンピュータにおけるファイルやディレクトリの配置

木構造のデータ形式について説明します。 この内容はPython言語に限らず、WindowsやMac、Linuxなどの一般的なOSにおいて共通する概念です。 Colaboratoryでは、同様の構造が仮想環境上に作られます。

みなさん、Windowsではエクスプローラ、MacではFinderを使ってファイルを階層的に保存していますよね。

下の例では、Windowsで ドキュメント（Documents) という名前のフォルダの中に Python入門 というフォルダを作り、 その下にこの教材を置いた時の、エクスプローラの様子を表しています。

これは Jupyter Notebook では以下のように見えます。

このようなデータ形式は以下のような図で表すこともできます。 まるで木を逆さにしたような形に見えますね。 ですからこのようなデータの形式を「木構造」と呼びます。

また、一番根っこにあたるデータを「ルート（根）」、先端にあたるデータを「リーフ（葉）」、その間にあるデータを「ノード（節）」と呼びます。

データの保存においては、ファイルはリーフ（葉）に相当し、フォルダはノード（節）に相当します。 ルートはハードディスクやUSBメモリなど記録媒体自体に対応することが多いです。 ハードディスクに入っているファイルと、USBメモリに入っているファイルは、それぞれ違う木に属するデータということです。

特にファイルの場所を意味するとき、フォルダのことをディレクトリと呼びます。

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。

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

<_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。

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

---------------------------------------------------------------------------
FileNotFoundError                         Traceback (most recent call last)
Input In [2], in <module>
----> 1 open('novel.txt', 'r')

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。

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

<_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。

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

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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。

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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木構造によるデータ表現

木構造はファイルやディレクトリの保存形式だけでなく、データの表現として幅広く利用されます。 たとえば家系図も木構造による表現です。「家系図」は英語で “family tree” ですよね。

このような構造を持つデータでは、まるで家系図のように、 上位下位関係にあるデータ同士を「親子 (parent/child)」と呼んだり、 同位関係にあるものを「兄妹 (sibling)」と呼んだりします。 「祖先 (ancestor)」や「子孫 (desendant)」という表現も使われます。

データのこのような表現は、実際に親子関係にあるかは関係ありません。 たとえば下の図は四肢動物の系統樹です。

データ構造的には、「有羊膜類」と「哺乳類」は親子関係にあるというわけです。