Rust入門:メモリ安全性を理解する実践ガイド
Rustは、システムプログラミング言語として、メモリ安全性を保証しながら高いパフォーマンスを実現することを目指して設計されました。この記事では、Rustの最も重要な特徴である**所有権(Ownership)と借用(Borrowing)**の概念を、実際のコード例を通じて理解していきます。
C言語やC++の経験がある方は特に、Rustのアプローチの違いを実感できるでしょう。
1. Rustとは
Rustは、Mozillaが開発したシステムプログラミング言語で、以下の特徴があります。
- メモリ安全性: コンパイル時にメモリエラーを防ぐ
- 並行性: データ競合を防ぐ仕組みが組み込まれている
- パフォーマンス: C/C++と同等の速度を実現
- ゼロコスト抽象化: 抽象化によるオーバーヘッドがない
1.1 環境の準備
# Rustのインストール(Mac/Linux)
curl --proto '=https' --tlsv1.2 -sSf https://sh.rustup.rs | sh
# Rustのインストール(Windows)
# https://rustup.rs/ からインストーラーをダウンロード
# バージョンの確認
rustc --version
cargo --version
# 新しいプロジェクトの作成
cargo new rust-memory-guide
cd rust-memory-guide
2. 変数と不変性
Rustでは、デフォルトで変数は不変(immutable)です。これは、意図しない変更を防ぐための重要な設計決定です。
2.1 基本的な変数
fn main() {
// 不変変数(デフォルト)
let x = 5;
// x = 6; // エラー!不変変数は変更できない
// 可変変数(mutキーワードを使用)
let mut y = 5;
y = 6; // OK
println!("yの値: {}", y);
}
2.2 シャドーイング
fn main() {
let x = 5;
let x = x + 1; // 新しい変数xを作成(型を変えることも可能)
let x = x * 2;
println!("xの値: {}", x); // 12
// 型を変えることも可能
let spaces = " ";
let spaces = spaces.len(); // usize型になる
println!("スペースの数: {}", spaces);
}
3. 所有権(Ownership)の基本概念
所有権は、Rustの最も革新的な機能の一つです。各値は、それを「所有する」変数を持ち、その変数がスコープを抜けると値は自動的に解放されます。
3.1 所有権の移動
fn main() {
let s1 = String::from("hello");
let s2 = s1; // s1の所有権がs2に移動
// println!("{}", s1); // エラー!s1はもう有効ではない
println!("{}", s2); // OK
}
3.2 関数への所有権の移動
fn take_ownership(s: String) {
println!("{}", s);
} // ここでsがスコープを抜けるので、メモリが解放される
fn main() {
let s = String::from("hello");
take_ownership(s);
// println!("{}", s); // エラー!sの所有権は移動済み
}
3.3 Copyトレイト(スタックに保存されるデータ)
fn main() {
let x = 5;
let y = x; // コピーが作成される(所有権の移動ではない)
println!("x = {}, y = {}", x, y); // 両方とも有効
// Copyトレイトを実装する型:
// 整数型、浮動小数点型、bool、char、タプル(全てCopy型の場合のみ)
}
4. 借用(Borrowing)と参照
所有権を移動させるのではなく、値を「借用」することができます。これにより、関数に値を渡しても所有権を失うことがありません。
4.1 不変参照
fn calculate_length(s: &String) -> usize {
s.len()
} // ここでsはスコープを抜けるが、所有権を持っていないので何も起こらない
fn main() {
let s1 = String::from("hello");
let len = calculate_length(&s1); // &で参照を渡す
println!("'{}'の長さは{}です", s1, len); // s1はまだ有効
}
4.2 可変参照
fn change(s: &mut String) {
s.push_str(", world");
}
fn main() {
let mut s = String::from("hello");
change(&mut s);
println!("{}", s); // "hello, world"
}
4.3 借用のルール
Rustの借用には重要なルールがあります:
fn main() {
let mut s = String::from("hello");
// 可変参照は同時に1つしか持てない
let r1 = &mut s;
// let r2 = &mut s; // エラー!
// 不変参照と可変参照は同時に持てない
let mut s2 = String::from("hello");
let r1 = &s2;
let r2 = &s2;
// let r3 = &mut s2; // エラー!
println!("{}, {}", r1, r2); // r1とr2のスコープが終わる
let r3 = &mut s2; // これならOK
}
5. スライス(Slice)
スライスは、コレクションの一部分を参照するためのデータ型です。所有権を取らずにデータにアクセスできます。
5.1 文字列スライス
fn first_word(s: &String) -> &str {
let bytes = s.as_bytes();
for (i, &item) in bytes.iter().enumerate() {
if item == b' ' {
return &s[0..i];
}
}
&s[..]
}
fn main() {
let s = String::from("hello world");
let word = first_word(&s);
// s.clear(); // エラー!wordが不変参照としてsを借用している
println!("最初の単語: {}", word);
}
5.2 配列スライス
fn main() {
let a = [1, 2, 3, 4, 5];
let slice = &a[1..3]; // [2, 3]
for element in slice.iter() {
println!("{}", element);
}
}
6. 構造体と所有権
6.1 構造体の定義と使用
struct User {
username: String,
email: String,
sign_in_count: u64,
active: bool,
}
fn main() {
let user1 = User {
email: String::from("someone@example.com"),
username: String::from("someusername123"),
active: true,
sign_in_count: 1,
};
println!("ユーザー: {}", user1.username);
}
6.2 構造体のメソッド
struct Rectangle {
width: u32,
height: u32,
}
impl Rectangle {
// 関連関数(静的メソッドのようなもの)
fn square(size: u32) -> Rectangle {
Rectangle {
width: size,
height: size,
}
}
// メソッド(&selfを取る)
fn area(&self) -> u32 {
self.width * self.height
}
// 可変メソッド(&mut selfを取る)
fn double_size(&mut self) {
self.width *= 2;
self.height *= 2;
}
// 所有権を取るメソッド(selfを取る)
fn into_tuple(self) -> (u32, u32) {
(self.width, self.height)
}
}
fn main() {
let mut rect = Rectangle {
width: 30,
height: 50,
};
println!("面積: {}", rect.area());
rect.double_size();
println!("面積(2倍後): {}", rect.area());
let square = Rectangle::square(10);
println!("正方形の面積: {}", square.area());
}
7. エラーハンドリング
Rustには、エラーを処理するための強力な仕組みがあります。
7.1 Result型
use std::fs::File;
use std::io::ErrorKind;
fn main() {
let f = File::open("hello.txt");
let f = match f {
Ok(file) => file,
Err(error) => match error.kind() {
ErrorKind::NotFound => match File::create("hello.txt") {
Ok(fc) => fc,
Err(e) => panic!("ファイルの作成に失敗しました: {:?}", e),
},
other_error => {
panic!("ファイルのオープンに失敗しました: {:?}", other_error)
}
},
};
}
7.2 unwrapとexpect
use std::fs::File;
fn main() {
// unwrap: Okなら値を返し、Errならパニック
let f = File::open("hello.txt").unwrap();
// expect: カスタムエラーメッセージ付き
let f = File::open("hello.txt")
.expect("hello.txtを開けませんでした");
}
7.3 エラーの伝播
use std::fs::File;
use std::io;
use std::io::Read;
fn read_username_from_file() -> Result<String, io::Error> {
let mut f = File::open("hello.txt")?; // ?演算子でエラーを伝播
let mut s = String::new();
f.read_to_string(&mut s)?;
Ok(s)
}
fn main() {
match read_username_from_file() {
Ok(username) => println!("ユーザー名: {}", username),
Err(e) => println!("エラー: {}", e),
}
}
8. コレクション:ベクタ
8.1 ベクタの基本操作
fn main() {
// ベクタの作成
let mut v: Vec<i32> = Vec::new();
v.push(1);
v.push(2);
v.push(3);
// マクロを使った作成
let v2 = vec![1, 2, 3];
// 要素へのアクセス
let third: &i32 = &v[2]; // インデックスが範囲外ならパニック
println!("3番目の要素: {}", third);
// 安全なアクセス
match v.get(2) {
Some(third) => println!("3番目の要素: {}", third),
None => println!("要素が存在しません"),
}
// イテレーション
for i in &v {
println!("{}", i);
}
// 可変イテレーション
for i in &mut v {
*i += 50; // 参照外しが必要
}
}
9. ライフタイム(Lifetime)
ライフタイムは、参照が有効である期間を指定するための機能です。
9.1 ライフタイム注釈の基本
// ライフタイム注釈の例
fn longest<'a>(x: &'a str, y: &'a str) -> &'a str {
if x.len() > y.len() {
x
} else {
y
}
}
fn main() {
let string1 = String::from("長い文字列");
{
let string2 = String::from("xyz");
let result = longest(string1.as_str(), string2.as_str());
println!("長い方: {}", result);
}
}
9.2 構造体のライフタイム
struct ImportantExcerpt<'a> {
part: &'a str,
}
fn main() {
let novel = String::from("Call me Ishmael. Some years ago...");
let first_sentence = novel.split('.').next().expect("'.'が見つかりません");
let i = ImportantExcerpt {
part: first_sentence,
};
println!("{}", i.part);
}
10. 並行プログラミング
Rustは、並行プログラミングにおけるデータ競合をコンパイル時に防ぎます。
10.1 スレッドの作成
use std::thread;
use std::time::Duration;
fn main() {
let handle = thread::spawn(|| {
for i in 1..10 {
println!("スレッド: {}", i);
thread::sleep(Duration::from_millis(1));
}
});
for i in 1..5 {
println!("メイン: {}", i);
thread::sleep(Duration::from_millis(1));
}
handle.join().unwrap();
}
10.2 チャネル(Channel)
use std::sync::mpsc;
use std::thread;
fn main() {
let (tx, rx) = mpsc::channel();
thread::spawn(move || {
let val = String::from("hi");
tx.send(val).unwrap();
// println!("val is {}", val); // エラー!所有権が移動済み
});
let received = rx.recv().unwrap();
println!("受信: {}", received);
}
10.3 Mutex(相互排他)
use std::sync::{Arc, Mutex};
use std::thread;
fn main() {
let counter = Arc::new(Mutex::new(0));
let mut handles = vec![];
for _ in 0..10 {
let counter = Arc::clone(&counter);
let handle = thread::spawn(move || {
let mut num = counter.lock().unwrap();
*num += 1;
});
handles.push(handle);
}
for handle in handles {
handle.join().unwrap();
}
println!("結果: {}", *counter.lock().unwrap());
}
11. 実践的な例:ファイル読み込みユーティリティ
ここまで学んだ知識を組み合わせて、実用的なプログラムを作成しましょう。
use std::fs::File;
use std::io::{self, BufRead, BufReader, Write};
struct FileProcessor {
filename: String,
}
impl FileProcessor {
fn new(filename: String) -> Self {
FileProcessor { filename }
}
fn read_lines(&self) -> Result<Vec<String>, io::Error> {
let file = File::open(&self.filename)?;
let reader = BufReader::new(file);
let mut lines = Vec::new();
for line in reader.lines() {
lines.push(line?);
}
Ok(lines)
}
fn write_lines(&self, lines: &[String]) -> Result<(), io::Error> {
let mut file = File::create(&self.filename)?;
for line in lines {
writeln!(file, "{}", line)?;
}
Ok(())
}
}
fn main() -> Result<(), io::Error> {
let processor = FileProcessor::new(String::from("test.txt"));
// ファイルの読み込み
match processor.read_lines() {
Ok(lines) => {
println!("読み込んだ行数: {}", lines.len());
for (i, line) in lines.iter().enumerate() {
println!("{}: {}", i + 1, line);
}
}
Err(e) => {
eprintln!("エラー: {}", e);
// 新規ファイルを作成
let new_lines = vec![
String::from("Hello, Rust!"),
String::from("これはテストファイルです"),
];
processor.write_lines(&new_lines)?;
}
}
Ok(())
}
12. まとめと次のステップ
このガイドを通じて、Rustのメモリ安全性を実現する主要な概念を学びました。
学んだこと
- 所有権(Ownership): 値の所有権とライフタイムの管理
- 借用(Borrowing): 参照による値の借用
- スライス: データの一部分への参照
- エラーハンドリング: Result型を使った安全なエラー処理
- 並行プログラミング: スレッド、チャネル、Mutexの使用
Rustのメリット
- メモリ安全性: コンパイル時にメモリエラーを防ぐ
- パフォーマンス: ゼロコスト抽象化による高速実行
- 並行性の安全性: データ競合をコンパイル時に検出
- 実用的: システムプログラミングからWeb開発まで幅広く使用可能
次のステップ
- Cargoの詳細: 依存関係管理とビルドシステム
- トレイト(Trait): インターフェースのような機能
- ジェネリクス: 汎用的なコードの作成
- マクロ: メタプログラミング
- 非同期プログラミング: async/awaitとFuture
Rustは学習曲線が急ですが、その安全性とパフォーマンスは、学習に費やした時間に見合う価値があります。継続的な学習と実践を通じて、Rustの力を最大限に引き出しましょう!
Happy Rusting!
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