Rustの所有権と借用の仕組みを解説

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## 前書き

Rust において、所有権とはメモリを管理するための仕組みであり、ある時点でどの変数がメモリの制御権を持っているかを決定します。Rust はコンパイル時に所有権の関係をチェックし、プログラマーに対して変数をいつ使用でき、いつメモリを解放する必要があるかを知らせます。

すべての値には所有者（owner）が存在し、任意の時点で一つの値には一人の所有者しか存在できません。所有者がスコープを離れると、それが所有していたメモリは自動的に解放されます。既に解放されたメモリにアクセスしようとすると、Rust はコンパイルを拒否します。

Rust における所有権の仕組みは、借用（borrowing）によって実現されます。借用とは、参照（reference）を通して変数にアクセスすることで、その変数の所有権を取得せずに値を利用することを意味します。借用により、複数の異なる変数が同じメモリ領域に同時にアクセスすることが可能になりますが、それらが同時にメモリを変更することはできません。

所有権の実装は Rust の重要な特徴の一つであり、ヌルポインタ参照、メモリリーク、データ競合など、一般的なメモリ安全性の問題を防止することができます。

## 所有権の判定例

Rust では、以下のような状況によって所有権の関係を判断することができます：

**変数が宣言された時点で、その変数は値の所有権を持ちます。**

```rust
let s = String::from("hello"); // sは"hello"の所有権を持つ
```

**すでに所有権を持っている値を別の変数に代入すると、元の所有権は新しい変数に移動します。これを所有権のムーブ（move）と呼びます。**

```rust
let s1 = String::from("hello");
let s2 = s1; // s2がs1の所有権を取得し、s1は"hello"の所有権を失う
```

**参照（&）を使うことで、所有権を取得せずに変数の値を借用することができます。参照を通じて値にアクセスしても、所有権は移動しません。**

```rust
let s1 = String::from("hello");
let len = calculate_length(&s1); // &s1はs1を参照するが、所有権は依然としてs1にある
```

**可変参照（&mut）を使うことで、変数の値を変更することができますが、同時に存在できる可変参照は 1 つだけであり、すべての不変参照を終了していなければなりません。**

```rust
let mut s = String::from("hello");
let r1 = &s; // 不変参照
let r2 = &s; // 不変参照
let r3 = &mut s; // 可変参照
// コンパイル時エラー、r1とr2が存在する状態でr3は矛盾
```

まとめると、Rust では変数の束縛、変数のコピー、可変な借用などによって、所有権の関係を判断することができます。それでは、可変参照と不変参照をどのように理解すればよいのでしょうか？

## 可変参照と不変参照

Rust において、可変参照と不変参照は、メモリと所有権を管理するうえで重要な要素です。これらはプログラマーがコード内で変数にアクセス・変更するための手段を提供します。

不変参照とは、変数に対して読み取り専用のアクセスを行うことを意味します。これは複数の参照者によって同時に共有することができますが、変数の値を変更することはできません。不変参照の利点は、データ競合を回避できることです。データ競合とは、並行環境において発生する可能性がある、デバッグが困難なエラーのことです。

可変参照とは、変数に対して読み書きの両方ができるアクセスを意味します。可変参照は 1 つの参照者によってのみ所有される必要がありますが、その代わり変数の値を変更することが可能です。可変参照の利点は、変数の値を柔軟に管理できることですが、使用する際にはデータ競合を防ぐため特別な注意が必要です。データ競合とは、変数が同時に複数のスレッドや参照者によって変更されようとする状況で発生します。

以下は、可変参照と不変参照をより深く理解するための基本的な概念とルールです：

**可変参照と不変参照は同時に存在することができますが、同時に存在できるのは「1 つの可変参照」または「任意の数の不変参照」のいずれかです。**

```rust
let mut s = String::from("hello");
let r1 = &s; // 不変参照
let r2 = &mut s; // コンパイル時エラー、r1がsを借用しているため、同時に可変参照は作成できない
```

**参照変数のライフタイムは、参照される変数のライフタイムと一致していなければなりません。つまり、参照が元の変数より長生きしてはなりません。**

```rust
fn main() {
    let r;
    {
        let x = 5;
        r = &x; // コンパイル時エラー、xのライフタイムがrより短く、rが使用中の間にxのメモリは解放される
    }
    println!("r: {}", r);
}
```

**可変参照と不変参照の間で相互に変換することはできません。ただし、可変参照同士であれば変換が可能です。**

```rust
let mut s = String::from("hello");
let r1 = &s; // 不変参照
let r2 = &mut s; // 可変参照
// コンパイル時エラー、不変参照が終了する前に、可変参照へと変換することはできない
```

**同一のスコープ内で、複数の可変参照を作成することは許されていません。**

```rust
let mut s = String::from("hello");
let r1 = &mut s; // 可変参照
let r2 = &mut s; // コンパイル時エラー、同一スコープ内で複数の可変参照を作ることはできない
```

まとめると、可変参照と不変参照は、Rust のメモリ管理と所有権システムの重要な構成要素です。これらを活用することで、より柔軟で保守性の高いコードを書くことが可能になります。しかし、それらを使用する際には、データ競合やメモリの安全性に細心の注意を払う必要があります。

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