Rust

この本は、プログラミング言語Rustについての初心者向けの完全な入門書です。Rustは、速度と安全性の両方を兼ね備えたシステムプログラミング言語であり、コンパイラによるメモリ管理によってセグメンテーションフォールトやダングリングポインタなどの危険なエラーを防止します。この本では、Rustの基礎から始めて、データ型、関数、所有権、トレイト、マクロなどの重要なトピックをカバーしています。また、Rustの機能を実際のコード例を交えて説明し、読者が自分自身でコードを書き始めるための準備を整えます。本書を読み進めることで、Rustで安全で高速なシステムプログラミングを行うための基礎を身につけることができます。
Rust(ラスト)は、高性能かつ安全な並行処理を実現するために設計されたマルチパラダイム汎用プログラミング言語です。 Rustの構文はC++に似ていますが、ボローチェッカーを使用して参照を検証し、メモリ安全性を保証することができます。Rustのボローチェッカーは、Rustコンパイラによって提供される静的解析ツールであり、所有権システムに基づいて、コード内の不正なボロー(借用)を検出するために使用されます。 Rustは、ガベージコレクターを使用せずにメモリ安全性を実現し、オプションでリファレンスカウントによる管理も可能です。 Rustは、システムプログラミング言語と呼ばれ、関数型プログラミングの要素を取り入れつつ、低レベルのメモリ管理メカニズムも提供しています。 そのため、高度な制御を必要とするアプリケーションの開発に最適です。Rustを使うことで、実行時にエラーを発生させることなく、安全で信頼性の高いコードを作成することができます。
Rustはメモリ安全性、並行性、パフォーマンスの向上に焦点を当てたモダンなプログラミング言語です。
以下のRustのクイックツアーで、基本的な概念とコード例を紹介します。
ここでは、Rustの基本的な構文とコンセプトを簡単に紹介しました。
やや力技ですが、Rustのコンパイラ rustc のバージョンをコードから確認できます。
このコードは、Rustのプログラム内でrustc --versionコマンドを実行し、その結果(Rustコンパイラのバージョン情報)を取得しています。
このコードは、Rustのプログラム内で外部コマンドを実行してその出力を取得する方法を示しています。具体的には、Rustコンパイラのバージョン情報を取得してそれを表示する例です。
Rustのコメントには、C言語/C++と同じく一行コメントと範囲コメントがあります。
Rustでは、変数を宣言する際にはデフォルトでimmutable(不変)です。変更可能な変数を宣言するには、mut キーワードを使用します。変数の型はコンパイラによって推論されることが一般的ですが、型を明示的に指定することもできます。
例えば、変数の宣言と型指定は以下のようになります:
Rustの基本的なデータ型には以下があります:
Rustは静的型付け言語であり、変数の型はコンパイル時に確定されます。型の安全性に対する厳格なチェックを行うため、コンパイル時に型の整合性が確認されます。これにより、メモリの安全性やスレッドセーフなコードを書く際の支援が期待できます。
Rustでは、変数を宣言するにはキーワード letを使います。 ディフォルトではイミュータブル(Immutable;宣言後には代入不能)な変数が宣言されます。 ミュータブル(Mutable;宣言後に代入可能)な変数を宣言するには、追加のキーワード mut を使います。
mut をつけない場合には変数に「代入不能」と聞くと、C言語などを知っている人は「定数」を思い浮かべるかもしれませが、 Rustにおいて「定数」は, const 宣言された定数や, static 宣言されかつ mut で修飾されていない変数が相当します。
Rust では、変数宣言が初期値を伴っていた場合、変数の型を省略することができ、初期値の型が変数の型になります。
Rust では、値が一度変数に let で束縛されると変更できません。これをイミュータブルと言います。
代入可能、すなわちミュータブルにするためには、変数宣言にあたり let に続けて mut をつけます。
同一スコープで同じ変数名での宣言は可能です。 同じ型である必要はありません。ミュータブルであるかイミュータブルであるかも問いません。 同じ変数名での宣言によって、それまで変数に束縛されていた値への参照がなくなります。
Rustには2種類の定数があり、どちらもグローバルスコープを含む任意のスコープで宣言することができます。また、どちらも明示的な型を持っている必要があります。
コードを書き換えてconst宣言や(ミュータブルな)static宣言された変数に代入をしようとすると、エラーになります。
このコードは、x と y の値を交換するRustの機能を示しています。
このコードは、Rustのタプルを使った多値代入の機能を示しています。
Restには豊富なデーター型(Data Types)があり、それらを組み合わせて新しい型を作ることができます。
スカラー型は単一の値を表します。Rustには、整数、浮動小数点数、論理値、文字という4つの主要なスカラ型があります。
Rustの整数型は、符号の有無とビット幅から12種類のバリエーションがあります。
リテラル(Literals)とは、プログラミングのソースコードで使用される、数値や文字列などのデーターを直接表現したものです。
なお、{:x}の{x}部分はプレースホルダーのファーマッティング・トレイツです。「x」なら16進数、oなら8進数、bなら2進数で出力します。
Rustには、浮動小数点数を表現するための2つの主要な型があります。それぞれの型は、IEEE-754規格に従っています。
Rustでは、浮動小数点数リテラルを書く場合、デフォルトで f64 型になります。例えば、3.14 という浮動小数点数リテラルは、f64 型の数値になります。
以下は、f32 型と f64 型の浮動小数点数の使用例です。
浮動小数点数は、数値計算や科学的な計算など、精度が求められる場面で使用されます。しかし、浮動小数点数の性質や精度による注意が必要な場面もありますので、注意深く扱う必要があります。
Rustにおける論理値型の型名は bool で、真の値は true、偽の値は false です。この型は非常に基本的で、条件分岐やブール演算などで使用されます。
以下は bool 型の使用例です。
bool 型は条件式の評価や論理演算に広く使用され、プログラムの流れを制御するための基本的な手段として重要な役割を果たします。
Rustの文字型 char はUnicodeの単一の文字を表し、32ビットで符号化されます。Unicodeのサロゲートペアを含む広範な範囲の文字を表現できます。
以下のコードは、char型を使用してUnicode文字やサロゲートペアを扱う例です。
ここでは、'😊' という絵文字や \u{1F601} というサロゲートペアを char型として表現しています。絵文字やサロゲートペアも正しく表示されることを確認できます。また、std::mem::size_of::<char>() を使って char型のサイズを表示しています。
Rustには2つの主要な文字列型があります。
これらの型は互いに相互変換できます。例えば、&strからStringへの変換はto_string()メソッドを使用できます。
また、Stringから&strへの変換は、&演算子を使用して参照を取得します。
文字列操作に関しては、String型が動的に変更可能で柔軟性があり、&str型は主に静的な文字列の参照として使用されます。
これらのリテラルは、異なる用途で利用されることがあり、それぞれの特性や振る舞いが異なります。
Rustにおけるユニット型は()で表されます。ユニット型は特別な型であり、単一の値 () だけから成り立ちます。主に2つの用途があります:
ユニット型は一見すると何も持たない型ですが、プログラムの構造を表現するために重要な役割を果たしています。特に関数の戻り値として使用されることが多いです。
複合型(Compound Types)は、複数の値を1つの型にまとめることができます。 Rustにはタプルとアレイという2つのプリミティブな複合型があります。
タプル(The Tuple)は、さまざまな型の値を1つの複合型にまとめる一般的な方法です。 タプルの長さは固定されており、一度宣言すると大きくしたり小さくしたりすることはできません。
複数の値の集まりを持つもう一つの方法として、配列(The Array)があります。 タプルとは異なり、配列の各要素は同じ型でなければなりません。 Rustの配列は、タプルと同じく長さが固定されています。
println! マクロなどの文字表示マクロでは、文字列中の { } の位置に指定された書式で展開します。
C言語の標準関数 printf() と機能は似ていますが書式は大きく異なり、Pythonのf文字列との共通点が多いです。

空のプレースホルダー{}を指定すればその型の自然なフォーマット(fmt::Display; 100 ならば "100")で文字列化されます。
しかし、基数を変えた16進数や8進数や2進数などでフォーマットをしたいときはフォーマッティング・トレイツ(Formatting traits)を使います。
フォーマッティング・トレイツは、Rustプログラミング言語におけるデータのフォーマット(整形)方法を定義するためのトレイト(trait)です。これらのトレイトは、std::fmtモジュールに定義されており、std::fmt::Displayやstd::fmt::Debugなど、様々なフォーマット方法を提供します。
一般的なフォーマッティング・トレイツは以下のようになります:
これらのトレイトは、カスタム型をフォーマットする方法を指定するために、対応するメソッドを実装することで利用されます。
例えば、Displayトレイトを実装することで、自分で定義した型を{}を使って表示することができます。
以下は、簡単な構造体PersonにDisplayトレイトを実装して、{}を使ってカスタム型を表示する例です。
この例では、Personという構造体を定義し、fmt::Displayトレイトを実装しています。fmtモジュール内のFormatter型を利用して、write!マクロを呼び出しています。main関数内でprintln!マクロを使ってPerson型を表示しています。これにより、Person型を{}を使って表示する方法が示されています。
Rustの所有概念や借用、参照などは、安全性と並行性を重視したユニークな特徴を持っています。それぞれの概念をコードとともに解説してみましょう。
Rustの所有概念は、言語の中核的な概念であり、メモリ管理とリソースの安全な取り扱いを実現するための重要な要素です。所有概念は、変数がリソースの所有権を持ち、そのリソースはスコープを抜ける際に自動的に解放されるという原則に基づいています。
Rustのコピーとムーブの動作は、変数がスタック上のデータかヒープ上のデータを参照しているかによって異なります。プリミティブ型のようなスタック上のデータはコピーされますが、ヒープ上のデータは所有権がムーブされます。
この例では、xは整数型(i32)などのプリミティブ型で、スタック上に格納されます。xの値は単純なコピーが作成され、yにも同じ値が代入されます。そのため、両方の変数を利用できます。
この例では、String::from("Hello")で作成した文字列はヒープ上にあり、s1の所有権はs2にムーブされます。そのため、s1を参照しようとするとコンパイルエラーが発生しますが、s2は正常に出力できます。
この違いは、スタック上のデータの単純なコピーと、ヒープ上のデータの所有権のムーブの挙動に起因しています。スタック上のデータは安価にコピーできますが、ヒープ上のデータは所有権が移動されます。
理解を助けるために、コピーとムーブの違いを表にまとめてみましょう。
これらの違いは、Rustの所有概念において重要です。特に、ムーブによってデータの所有権が移動することで、メモリ安全性と競合を回避することが可能になります。
所有権を移動させずにデータを利用するために、借用と参照が利用されます。
calculate_length関数では、&String型の引数を受け取り、Stringへの参照(イミュータブルな参照)を使用しています。そのため、s1の所有権を関数に渡すことなく、値を参照しています。
また、ミュータブルな参照を使って可変の値を変更できます。
&mut String型のミュータブルな参照を使って、change_string関数で文字列を変更しています。
これらのコード例は、Rustの所有概念や借用、参照についての基本的な概念を示しています。これらの機能は、安全性と並行性を強調したプログラミングを実現するための強力なツールです。
関数のパラメータに渡された変数は、所有権(Ownership)がその関数にムーブ(Move)されることがRustの所有権システムにおいて基本的な挙動です。このことを以下のコードを用いて詳しく説明しましょう。
このコードで示されているポイントは以下です:
この挙動は、Rustの所有権システムの一部であり、変数を関数に渡すと、所有権がムーブされることで、データ競合や予測不能な挙動を防ぐのに役立ちます。つまり、Rustはコピーが高コストなデータ(例: String やファイルハンドル)の二重所有権を防ぎ、メモリ安全性を確保するために所有権のムーブを使用します。
所有権を共有するために、cloneメソッドを使用してデータの複製を作成できます。 この複製は新しい所有者を持ち、元のデータを変更しても影響を受けません。
Rustの変数の識別子(Identifier)について説明します。識別子は変数、関数、モジュール、および他のRustプログラムの要素に名前を付けるために使用される名前です。
Rustの識別子にはいくつかの規則があります:
一般的な識別子の例:
Rustの識別子はわかりやすく、意味のある名前を使うことが推奨されます。また、Rustのコーディング規約に従うことも重要です。識別子はプログラムの可読性と保守性に影響を与えるため、適切な名前を選択することが重要です。
Rustにおいて、スコープ(Scope)は変数やリソースの有効な範囲を指します。スコープ内で定義された変数は、そのスコープ内でのみアクセス可能であり、スコープを抜けると変数は自動的に解放されます。スコープの概念は、メモリリークや予期しない副作用を防ぐために非常に重要です。
Rustには主にブロックスコープと関数スコープの2つのタイプのスコープがあります。
ブロックスコープは、一連のコードが中括弧 {} で囲まれた場合に発生します。中括弧内の変数は、そのブロックスコープ内でのみ有効です。
以下はブロックスコープの例です:
この例では、inner_variable は中括弧内でのみ有効であり、外部からアクセスできません。しかし、outer_variable は中括弧の外部でもアクセス可能です。
関数スコープは、関数内で定義された変数がその関数内でのみ有効であることを示します。
以下は関数スコープの例です:
function_variable は inner_function 内でのみ有効で、inner_functionを呼び出すことでアクセスできます。
Rustの所有権システムは、スコープと密接に関連しています。変数が特定のスコープ内で有効である場合、そのスコープを抜けると変数の所有権は無効になります。これにより、リソースの安全な解放が保証され、メモリリークやダングリングポインタの問題が回避されます。
スコープと所有権の組み合わせは、Rustのプログラムの安全性と信頼性を高める重要な要素です。スコープをうまく活用し、不要な変数の寿命を短くしてリソースを効率的に管理できるようにしましょう。
Rustのライフタイムは、Dangling Reference(無効な参照)を防ぐための重要な概念です。これは、参照が有効なデータを参照している間、そのデータが存在していることを保証するために導入されています。
Rustのライフタイムは、参照が指すデータが存在するスコープを表現し、コンパイラによって所有権やライフタイムのルールに違反しないように検証されます。これにより、コンパイラがコードを解析し、参照が有効な間のみデータにアクセスできることを保証します。
Dangling Referenceは、プログラムが無効なメモリ領域を参照しようとすることで発生する問題です。例えば、参照が指すデータがスコープを抜けた後に破棄されてしまった場合、その参照は無効なものとなります。Rustのライフタイムは、このような問題を静的に(コンパイル時に)検出し、Dangling Referenceを防ぐための仕組みとして機能します。
ライフタイムの概念により、コンパイラは参照の寿命をトラッキングし、参照が有効なデータを参照していることを保証します。これにより、実行時にDangling Referenceが発生する可能性を排除し、メモリの安全性を確保します。
ライフタイムを使用してDangling Referenceを回避する例を示します。以下の例では、ライフタイムを使用して参照が有効な間のみデータにアクセスできるように制御しています。
この例では、MyStructにstring_dataへの参照を渡し、my_structが有効なスコープ内でデータを使用しています。その後、my_structが有効なスコープを抜ける前にstring_dataのスコープが終了するため、Dangling Referenceが発生することはありません。
Rustのライフタイムシステムは、このようにスコープと参照の寿命をトラッキングし、参照が有効な間のみデータへのアクセスを許可します。これにより、Dangling Referenceをコンパイル時に防ぐことができます。
ライフタイムはRustの主要な安全性の一部であり、メモリ安全性を保証するための強力なツールです。適切に理解して利用することで、メモリリークや無効な参照による問題を防ぐことができます。
スコープは、Rustにおけるライフタイム概念に密接に関連しています。ライフタイムは基本的には参照の有効期間を表し、その有効期間はスコープによって定義されます。
ライフタイムとスコープは互いに関連しており、変数が有効な期間がスコープによって定義されると、その変数への参照の有効期間も同様にスコープによって制限されます。このようにして、Rustのコンパイラは参照の有効性を追跡し、安全性を確保します。
所有権とライフタイムは、Rustのメモリ管理における重要な概念ですが、やや異なる側面を持っています。
所有権とライフタイムは共に、Rustがメモリの安全性を確保するための要素です。所有権システムはメモリの解放を自動的に行い、ライフタイムは参照の有効性を管理し、無効な参照が存在しないようにします。両者が組み合わさることで、Rustはメモリリークやダングリングポインタ(無効な参照)を防止し、安全で信頼性の高いコードを作成することができます。
<!ーー RcやBoxやDropもここか? ーー>
Rust では、ifやforなどの制御構造も式です。
Rust は、if と match の2つの分岐構文を持ちます。
ifは、条件式に基づき分岐し、分岐先の式を評価します。 ifの値は、分岐先の式の値です。 elseを省略し条件式が偽であった場合のifの値は () です。
この特徴は、関数型プログラミングを意識したものですが、同時に後に説明する所有権の移譲で重要な役割を果たします。
このコードの中で、次のことが行われています:
しかし、Rustの浮動小数点数型では、NaN は < や > 、== などの比較演算子によって、他の数値との大小や等価性を比較することはできません。なぜなら NaN は "not a number" であり、数値としての大小関係が定義されていないためです。
そのため、このコードでは n が NaN である場合、どの条件にも合致せず、最後の else ブロックが実行されることになります。このブロックでは、n の値そのものを {n} という形式で出力しようとしています。
Rustでは、C言語のNULLに相当する値は None です。 通常の変数は None の代入は受付けませんが、Some() を使うと None を取り得る変数が宣言できます。
Some() 及び None は、標準ライブラリ std::option で定義されていますが、初期化済みなので Use することなく、接頭辞Option::なしで使えます。
Rustには、if letという特別な制御構造があります。if letは、match式を簡略化するために使用されます。if let式は、単一のパターンを使用して、変数が指定された値にマッチした場合にのみ式を実行します。if letを使用すると、冗長なマッチングのコードを削減できます。
以下は、if letを使用した例です。
Rustにおけるmatchは、値が複数のパターンのいずれかにマッチする場合に、それぞれに対応する処理を実行する制御構文です。構文は以下の通りです。
パターンは様々なものを指定することができますが、ここではいくつか代表的なものを説明します。
以下に、具体的な例を示します。
C言語のswitch文と異なり、Rustのmatch式は、すべてのパターンをカバーしていない場合は、コンパイル時に警告を出します。これにより、プログラムにエラーが含まれている可能性がある場合に、それを事前に検出することができます。
Rustには、以下のような反復構文があります。
それぞれの構文について、詳しく解説していきます。
Rust の for は、指定された範囲内の値を反復処理するために使用されます。通常、配列、ベクトル、範囲、またはイテレータなどの反復可能オブジェクトに対して使用されます。
Rustにおけるrangeは、範囲を表す型です。範囲の生成には2つの主要な方法があります。
例えば、1..5は1から4までの範囲を生成します。
例えば、1..=5は1から5までの範囲を生成します。
これらの範囲はforループの反復やイテレータの作成など、さまざまな場面で使用されます。例えば、forループやイテレータを使って範囲内の要素を処理することができます。
範囲は整数や文字など、多くの型で使用できます。範囲の使用はイテレーションや特定の範囲内の操作を行う際に便利です。
Rustにおけるiter()は、コレクション(ベクター、配列、ハッシュマップなど)をイテレート可能な形に変換するメソッドです。イテレータは、コレクション内の要素を1つずつ処理するための仕組みを提供します。
基本的な使い方は以下のようになります:
iter()メソッドは、イテレータを作成するための最も基本的な手段ですが、さまざまな応用もあります。
これらはiter()を基盤として利用する機能の一部です。Rustのイテレータは非常に強力で、関数型プログラミングの概念を取り入れながら、効率的で安全なコードを記述するための重要な手段となっています。
iter()メソッドに加えて、rev()メソッドを使用すると、要素を逆順で取り出すこともできます。
enumerate()メソッドを使用すると、要素のインデックスと値を同時に取り出すこともできます。
zip()メソッドを使用すると、複数のイテレータを同時に取り出すことができます。
Rustにおいて、whileは指定した条件式がtrueである限り、ブロック内のコードを繰返し実行する制御構文です。
Rustのwhile letは、ループ処理の一種で、パターンマッチングを行い、パターンにマッチする値をループ内で取り出しながらループを繰り返します。
while letは、match構文の糖衣構文で、一つの値を取り出してパターンマッチングを行い、パターンにマッチする場合は値を取り出し、マッチしない場合はループを終了します。
Rustのwhile letは、反復可能な値に対して、パターンマッチングを行いながら反復処理を行うことも出来ます。ベクトルに対してwhile letを使うと、ベクトルの末尾から要素を取り出しながら反復処理を行うことができます。
loopは、明示的な条件式の指定がない限り、無限に繰り返されます。
continue を実行すると、ループのブロック内の残りの処理がスキップされ、反復処理が続行されます。
Rustのマクロは、macro_rules!を使ったマクロとproc_macroを使ったプロシージャマクロの2種類があります。macro_rules!を使ったマクロはパターンマッチングを用いて簡易的なマクロを定義します。一方、proc_macroを使ったプロシージャマクロは、Rustのコードを受け取り、変換したり、新しいコードを生成するためのより柔軟なマクロです。
macro_rules!は、パターンに基づいてマッチングし、そのパターンに一致した場合に指定されたコードを生成する簡易なマクロを定義します。
例えば、vec!マクロは、可変長のベクタを生成するマクロです。これはmacro_rules!を使って次のように実装されています。
これは、vec![1, 2, 3]を使うと、[1, 2, 3]というベクタを生成します。このマクロは、$( $x:expr ),*のパターンに一致して、指定された式($x)をベクタに挿入するコードを生成します。
macro_rules!を使わずにマクロを定義する方法もあります。これは、プロシージャマクロ(proc_macro)を使用した方法です。proc_macroは、macroキーワードによって定義される関数の一種で、Rustのコードを受け取り、そのコードを操作して変換することができます。
例えば、vec!マクロをmacro_rules!ではなく、プロシージャマクロとして定義する場合は、proc_macroを使います。
この例では、proc_macroとしてmy_vecという新しいマクロを定義しています。my_vecは、proc_macroの関数として定義され、Rustのコードを受け取り、それを操作して新しいコードを生成します。
このプロシージャマクロを使うと、次のようにマクロを呼び出すことができます。
この例では、my_vec!マクロを使用して、引数として42を渡しています。このマクロは、引数を含むベクタを生成するもので、my_vec!(42)は[42]というベクタを生成します。
この方法では、proc_macroを使用して、macro_rules!を使わずに独自のマクロを定義できます。ただし、この方法ではproc_macroと関連するライブラリ(syn、quoteなど)を使用する必要があります。
マクロ関数は、macro_rules!マクロを使って定義されます。 これは、マクロのパターンとそれに対する置換を定義するマクロです。 マクロの呼び出し元は、パターンにマッチする式を渡し、置換が適用されたコードが生成されます。
マクロ属性はRustのコンパイル時にコードを修飾するために使用されます。 通常は、関数や構造体、列挙型、フィールドなどに適用されます。 マクロ属性を使用することで、コンパイル時に生成されるコードに追加の情報を提供できます。
典型的なRustのクレートは、次のような構造を持ちます:
新しいクレートを作成する手順は以下の通りです:
クレートを他の開発者と共有するためには、それをcrates.ioという公式のクレートレジストリに公開する必要があります。公開手順は以下の通りです:
Rustのクレートは、コードのパッケージングや再利用を容易にする重要な概念です。Cargoを使用してクレートを管理し、必要に応じてcrates.ioに公開することで、他の開発者とクレートを共有することができます。 Rustにおいて、パッケージはクレートと呼ばれます。クレートは、Rustのコードやライブラリをパッケージ化して共有できるようにするための仕組みです。クレートは、依存関係を解決するためのメタデータと、コードとその他のファイルから構成されています。
Rustには、crates.ioという公式のクレートレジストリがあり、開発者はそこでクレートを共有したり、他の開発者が作成したクレートを使用したりできます。

Rustにおける代数的データ型は、構造体(struct)と列挙型(enum)を指します。これらは複雑なデータ構造を表現するのに役立ちます。
構造体は異なる型のフィールドを持つことができ、それぞれのフィールドは名前を持ちます。例えば:
列挙型は、いくつかの異なるバリアント(variant)の中から選択することができます。それぞれのバリアントはデータを持つことができます。
これらの代数的データ型は、Rustで柔軟なデータ構造を表現する際に役立ちます。
Rustの属性(Attribute)は、コンパイラに対してコードに対する追加情報や指示を提供するための注釈です。コードに直接書かれる特殊な構文であり、#[...]の形式で記述されます。これらの属性は、コンパイラやコードの振る舞い、コード生成、最適化、データのレイアウトなどを変更したり、制御したりするために使われます。
以下は、よく使用される属性のいくつかとその目的です:
属性は様々な目的に使用され、Rustの柔軟性やコードの特定の振る舞いを制御するための重要なツールです。それぞれの属性は特定のコンテキストで役割を果たし、コードの意図をコンパイラに伝えるのに役立ちます。
このコード例は、属性を使って関数をテスト対象としてマークし、またインライン展開を促進する方法を示しています。ただし、実際にコードを実行する場合は、main関数内のコードが実行されるため、test_addition関数はテストコードとして実行されることになります。
Debugトレイトは、println!マクロで構造体や列挙型の内容を表示するために使用されます。以下は、Debugトレイトを実装することでprintln!で構造体の内容を表示する例です。
この例では、MyStruct構造体にDebugトレイトを#[derive(Debug)]で導出しています。そして、main関数内でmy_dataをprintln!で表示する際に、{:?}フォーマットを使ってDebugトレイトを呼び出しています。
Debugトレイトを導出することで、println!で構造体の内容を簡単に表示することができます。#[derive(Debug)]を使うことで、デバッグ情報を出力するためのメソッドの実装を手動で書く必要がなくなります。
Rustにおけるジェネリクスは、特定の型に依存せず、複数の型で動作するコードを作成するための重要な機能です。ジェネリクスを使用することで、同じコードを複数の型で再利用したり、型安全性を保ちながら柔軟性を持たせたりすることができます。
ジェネリクスは、関数、構造体、列挙型、トレイトなどのRustのさまざまな要素で使用できます。これにより、柔軟性のあるコードを作成し、再利用性を高めることができます。
ジェネリックスにおいて、型制約(type constraint)は、ジェネリックな型パラメータに対して特定の条件やトレイトの制約を課すことを指します。これにより、ジェネリックな型が特定の性質を持つことを保証し、安全性を確保することができます。
Rustでは、traitを使用して型制約を実装します。例えば、std::fmt::Displayトレイトを持つ型に制約を課したい場合、以下のように実装します。
ここでは<T: std::fmt::Display>という構文を使用して、Tがstd::fmt::Displayトレイトを実装している必要があることを宣言しています。この制約により、print_value関数はstd::fmt::Displayトレイトを実装した型に対してのみ呼び出しが可能になります。
また、複数のトレイト制約を持つこともできます。例えば、std::fmt::Debugとstd::fmt::Displayトレイトの両方を実装した型を要求する場合は、次のように書きます。
Tがstd::fmt::Debugとstd::fmt::Displayの両方を実装している必要があります。
これにより、ジェネリックなコードをより安全に、かつ特定の条件下で使用できるように制約を課すことができます。
Rustでは、Result型とpanicによる例外処理が一般的です。Result型は成功または失敗を表す列挙型で、Okは成功時の値、Errはエラー時の情報を持ちます。
まず、Result型を使用した例を見てみましょう:
この例では、read_file_contents関数がResult<String, io::Error>を返します。これは、成功時には文字列をOkで、エラー時にはio::ErrorをErrで返すことを示しています。ファイルを開いたり、読み込んだりするメソッドの呼び出しには?演算子を使用し、エラーが発生した場合は早期リターンしてエラーを返します。
matchブロックでは、read_file_contentsの戻り値に対してOkとErrの両方の可能性に対処し、それぞれ成功時の振る舞いとエラー時の振る舞いを定義しています。これにより、関数の呼び出し元で適切にエラーハンドリングを行うことができます。
また、Rustにはpanic!マクロを使用してプログラムを異常終了させる方法もあります。これは致命的なエラーが発生した場合に使用されますが、エラーを適切に処理するためにResult型を使うことが推奨されます。
この例では、getメソッドはOption型を返し、expectメソッドはSomeの場合は中の値を返し、Noneの場合は指定したメッセージとともにプログラムをpanicさせます。
ただし、expectを使う際には、panicが発生した際に表示されるメッセージは注意深く選ぶ必要があります。
panic!()は通常、予期せぬ状況やプログラムの継続が不可能な状況で使われることがあります。以下はそのような例です。
この例では、divide()関数でbが0の場合にpanic!()が呼ばれています。0で割ることは数学的に定義されていないため、これは致命的なエラーであり、プログラムの実行を中断させます。
panic!()は、このような状況に直面した場合に、プログラムを停止させるための手段として使われます。しかし、このようなエラーは通常、if文やmatch文などの条件分岐を使用して事前にチェックして、エラーハンドリングを行うことが推奨されます。
Resultを使ってエラーハンドリングを行うことで、panic!()に頼らずにエラーを適切に処理できます。
divide()関数はResult<i32, &'static str>を返し、0で割るエラーの場合にはErrを、正常な計算の場合にはOkを返します。matchブロックでは、OkとErrの両方のケースを処理し、エラーが発生した場合にはエラーメッセージを表示します。
このようにResult型を使用することで、エラーハンドリングを柔軟かつ安全に行うことができます。panic!()に頼るよりも、エラーを予測し、適切に処理する方が望ましいです。
Option型は、何らかの値が存在するかどうかを表現するRustの列挙型です。Option型はSomeとNoneの2つのバリアントを持ち、Someは値が存在することを示し、Noneは値が存在しないことを示します。
Option型は、特定の操作が値を返さない可能性がある場合や、値が存在しない場合にエラーを返す代わりにNoneを返すために使われます。このような状況では、Result型を使用せずに、Option型が利用されることがあります。
以下はOption型の例です:
この例では、divide()関数はOption<i32>を返し、0で割るエラーの場合にはNoneを、正常な計算の場合にはSomeを返します。matchブロックでは、SomeとNoneの両方のケースを処理し、Noneの場合はエラーメッセージを表示します。
Option型は、特に値が存在しないことが普通に起こり得る場面で、エラー処理や結果の取り扱いを行う際に有用です。例外的な状況ではなく、むしろ普通の操作の一部として考えられる「値の有無」を扱う際に利用されることが多いです。
RustのIteratorトレイトは、コレクションやデータのシーケンスを反復処理するための非常に強力な機能です。Iteratorは、next() メソッドを提供し、それを使用して次の要素を返し、シーケンスの終わりに達した場合は None を返します。
基本的な使い方は次のようになります:
Iteratorトレイトは、map()、filter()、fold()などの便利なメソッドも提供しており、これらを組み合わせることでデータを効果的に処理できます。
Iteratorトレイトは、Rustでのデータ処理を非常に柔軟で効率的にします。関数型プログラミングの考え方に基づいた強力な機能を提供しています。
Iteratorトレイトを使用して独自のイテレータを実装する例を示します。
例えば、0から始まり、指定されたステップごとに増加するカウンターを作成するイテレータを実装してみましょう。
この例では、Counter構造体はIteratorトレイトを実装しています。next()メソッドは、現在の値を返し、カウンターを指定されたステップで増分させます。また、max値が設定されており、その値に達するとイテレータは終了します。
main()関数内では、Counterイテレータを使用して0から10まで2ずつ増加する数列を生成しています。
Iteratorトレイトを実装することで、独自のイテレータを作成し、柔軟な反復処理を行うことができます。
implキーワードは、Rustで特定の型に対してメソッドやトレイトを実装するために使用されます。基礎から始めて、応用的な使い方まで見ていきましょう。
implブロック内で、MyStructに対するnewメソッドとget_valueメソッドを実装しています。main関数でこれらのメソッドを使用しています。
このコードは、MyGenericをi32型と&str型の両方でインスタンス化しています。ジェネリックなデータ構造体とそのジェネリックなメソッドを利用して、異なる型に対して同じメソッドを使用する様子を示しています。println!マクロ内の{:?}は、Debugトレイトを実装する型の値を表示するためのフォーマット指定子です。これにより、異なる型の値も出力できます。
implを使ったさまざまな例を挙げてみましょう。
これらの例は、implを使って様々なタイプの型に対してメソッドやトレイトを実装する方法を示しています。この機能を利用することで、Rustの柔軟で型安全なコーディングを行うことができます。
Rustでの関数は、プログラム内で再利用可能なコードブロックを定義するために使われます。関数は特定のタスクを実行するための手続きを含み、必要に応じて引数を受け取り、結果を返すことができます。基本的な関数の定義と使用方法を以下に示します。
この例では、addという名前の関数が定義されています。aとbは整数型(i32)の引数を受け取ります。-> i32は関数がi32型の値を返すことを示しています。
add関数は3と5を引数に取り、それらを足して8を返します。println!マクロを使ってその結果を出力しています。
Rustの関数は複数の値を返すこともできます。
Rustの関数は安全性、速度、パターンマッチング、ジェネリクス、所有権など、言語の多くの特徴を活用しています。これらの特性は、Rustを強力なプログラミング言語にしています。
Rustの関数とライフタイムは、関連性がありますが、関数のシグネチャ内でライフタイムを使用することは必ずしも必要ではありません。しかし、関数が参照を含む場合や、ジェネリクスを使う場合には、ライフタイムの指定が必要になることがあります。
この例では、longest関数は2つの文字列スライスを引数として受け取り、それらのうち長さが長い方の参照を返します。'aはライフタイムパラメータであり、2つの引数と返り値の参照のライフタイムが同じことを示しています。これにより、返される参照が有効なスコープを保証します。
Rustでは、ライフタイムの省略規則があります。特定のパターンにおいては、コンパイラが暗黙的にライフタイムを推論することができます。例えば、次のような関数シグネチャではライフタイムの省略が行われます。
このような場合、コンパイラは適切なライフタイムを自動的に推論します。ただし、ライフタイムの省略は特定の条件に限定され、全ての場面で使えるわけではありません。
ライフタイムは主に、参照の有効期間を指定するために使用され、特に関数内で参照を扱う際に重要な役割を果たします。関数が複数の参照を扱い、それらの有効期間を整理する必要がある場合には、ライフタイムの指定が必要になることがあります。
Rustではクロージャも関数として扱われます。クロージャは自身のスコープ外の変数をキャプチャして利用できます。これは非常に便利で、関数よりも柔軟な振る舞いを提供します。
次のコード例では、クロージャと関数の組み合わせを使って、外部スコープの変数をキャプチャして利用する方法を示します。
この例では、base_numberという変数がadd_to_baseクロージャにキャプチャされ、後でクロージャ内で使用されています。クロージャは外部の変数をキャプチャすることができ、そのコンテキストを保持して使用できる点が関数とは異なる特徴です。
Rustの関数は、パターンマッチングやジェネリクス、ライフタイム、クロージャなどの機能と組み合わせて、安全で効率的なコードを記述するための強力なツールです。
Rustは、関数型プログラミングの要素を備えた汎用プログラミング言語です。Rustでは、関数を変数やデータ構造に格納したり、関数を関数のパラメータとして渡したりすることができます。これらの機能は、高階関数として知られています。
Rustで高階関数を使用すると、コードの再利用性と保守性を向上させることができます。また、コードをより簡潔で読みやすくすることもできます。
Rustで高階関数を使用する方法はいくつかあります。
Rustでは、関数を変数に格納することができます。これにより、関数を繰り返し使用したり、関数を別の関数に渡したりすることができます。
このコードでは、square()関数をsquare_function変数に格納しています。その後、square_function()関数を呼び出すことで、square()関数と同じ結果を得ることができます。
Rustでは、関数を関数のパラメータとして渡すことができます。これにより、関数を別の関数に処理させることができます。
このコードでは、map_numbers()関数は、numbers配列の各要素をf関数に渡し、その結果を新しい配列に格納します。
Rustでは、クロージャを使用して高階関数を作成することができます。クロージャは、関数本体の一部として定義された関数です。クロージャは、変数やデータ構造を捕捉して、関数本体内で使用することができます。
このコードでは、filter_numbers()関数は、numbers配列の各要素をfクロージャに渡し、その結果がtrueである場合、その要素を新しい配列に格納します。
Rustで高階関数を使用すると、コードの再利用性と保守性を向上させることができます。また、コードをより簡潔で読みやすくすることもできます。
Rustの標準ライブラリー(Standard Library)は、Rustコンパイラにバンドルされており、基本的なデータ構造、OSとのやり取り、スレッド、ファイルI/O、ネットワーキングなどの多くの機能を提供しています。以下に、標準ライブラリーの主要なカテゴリを紹介します。
これらは標準ライブラリーの一部であり、Rustの基本的な機能を提供しています。開発者はこれらのモジュールや機能を組み合わせて、安全で効率的なプログラムを構築できます。
このコードギャラリーは、さまざまなRustの機能やパターン、ベストプラクティスを示すためのサンプルコード集です。
このRustのコードは、エラトステネスの篩を使用して与えられた範囲内の素数を見つけるものです。
このアルゴリズムは素数を見つけるための効率的な方法の一つであり、与えられた範囲内の素数を見つけることができます。
このコードは高階関数を利用しています。fold関数は特に重要で、与えられた配列内の要素に対して特定の操作を順番に適用することができます。
まず、gcd関数では、ints配列内の要素に対してfold関数を使って最大公約数(gcd2関数)を計算しています。foldは初期値としてints[0]を受け取り、各要素valueに対してgcd2(acc, value)を適用し、次の要素に対して再帰的にgcd2を適用します。これにより、配列内のすべての要素の最大公約数が計算されます。
同様に、lcm関数もfoldを利用しています。ここではlcm2関数が利用され、各要素に対して最小公倍数を求めるための計算が行われます。
高階関数の利用により、配列内の要素に対して繰り返し処理を行う必要がある場合でも、シンプルで効率的なコードを書くことができます。
二分法
このRustのコードは、二分法(bisection method)を使って与えられた関数の根を見つけるものです。
bisection関数は、lowからhighの範囲で与えられた関数 f の根を探します。f は Fn(f64) -> f64 のトレイトを実装しており、実際の関数の定義は呼び出し時に与えられます。
この関数は再帰的に呼び出されます。与えられた区間 [low, high] の中央値 x を求め、その点での関数の値 f(x) を計算します。この値が非常に小さいか(ここでは 1.0e-10未満)、または非常に近い数になるまで low または high を更新して、区間を狭めていきます。
main関数では、2つの異なる関数 x - 1 と x^2 - 1 に対して bisection 関数を呼び出して、それぞれの関数の根を探し、println! マクロを使って根を表示しています。
Rustにクラスはありませんが、構造体がメソッドを持つことが出来ます。
このRustのコードは、Helloという名前の構造体を定義し、その構造体に関連するメソッドや、main()関数を含んでいます。
まず、Hello構造体はString型のsフィールドを持っています。#[derive(Debug)]アトリビュートは、この構造体にDebugトレイトを自動的に実装するようコンパイラに指示しています。Debugトレイトを実装することで、デバッグ目的で構造体の内容を出力できるようになります。
impl Helloブロックでは、Hello構造体に対するメソッドが定義されています。
main()関数では、Hello構造体を使ってインスタンスを生成し、メソッドを呼び出しています。println!マクロを使用して、構造体やそのフィールドをデバッグ出力しています。最後のprintln!マクロでは、hello1のデバッグ表示({:?})とhello2のsフィールドを出力しています。
Go/メソッドとインターフェースからの移植です。
逆ポーランド記法は、数式の演算子を後置記法で表現する方法です。通常の中置記法では演算子がオペランドの間に置かれますが、逆ポーランド記法では演算子がオペランドの後ろに置かれます。これにより、括弧や演算子の優先順位を考える必要がなくなり、計算機で容易に評価できる形式になります。
例えば、中置記法での式 3 + 4 * 5 は、逆ポーランド記法では 3 4 5 * + と表現されます。この記法では、演算子が対象のオペランドに対して順番に適用されます。
このコードは、Tokenという列挙型を使って逆ポーランド記法の式を評価する関数を実装しています。
まず、TokenはAdd、Sub、Mul、Div、Operandの5つのバリアントを持ちます。Operandは整数値を保持します。
Tokenにはevaluateというメソッドが実装されています。このメソッドでは、Tokenの各バリアントに対する処理が行われます。Add、Sub、Mul、Divの場合は、スタックから2つの値を取り出して、それらを演算し結果をスタックに積みます。Operandの場合は、その値をスタックに積みます。
evaluate_expression関数では、与えられた式をトークン化してTokenのベクターに変換し、それぞれのトークンに対してevaluateメソッドを実行します。各トークンの評価においてエラーが発生した場合、そのエラーメッセージが直ちに返されます。最終的に、スタックに残った値が1つでない場合もエラーが返されます。
main関数では、evaluate_expressionの結果に応じて結果を出力するか、エラーを表示します。これにより、逆ポーランド記法の式を評価し、正常な結果またはエラーメッセージを表示できます。
このコードは、与えられた文字列を逆ポーランド記法(RPN)に変換するプログラムです。以下にその構造を解説します:
このコードは、入力された文字列を数値と演算子に分割し、それらを逆ポーランド記法に変換する機能を持っています。特定の演算子の優先順位を考慮しながら適切な順序で演算子を配置し、RPNを生成します。
コードは、与えられた数式を逆ポーランド記法に変換するためのプログラムです。ここでは、Lexer(字句解析器)とParser(構文解析器)という2つの主要な構成要素があります。
逆ポーランド記法は、演算子がオペランドの後ろに置かれるので、式を解析してトークン列に変換することで、演算の優先順位を反映した形で数式を表現することができます。
これらのコードは、与えられた数学式を逆ポーランド記法(Reverse Polish Notation, RPN)に変換する方法を示していますが、アプローチが異なります。
1番目のコードは、文字列を直接解析してトークンに分割し、その後逆ポーランド記法に変換しています。一方、2番目のコードは、字句解析器(lexer)とパーサー(parser)を使用して、トークンに分割し、その後パースして逆ポーランド記法に変換しています。
1番目のコードは、基本的な数値と演算子の処理に集中しています。一方で、2番目のコードは字句解析や構文解析の段階を厳密に分離しています。また、2番目のコードは小数点もサポートしており、より柔軟な数値表現を可能にしています。
どちらのコードも同じ目的を果たしていますが、アプローチの違いが見られます。1番目のコードはシンプルで直感的ですが、拡張性に欠けるかもしれません。
一方で、2番目のコードはより複雑ですが、より柔軟で拡張性があります。それぞれのコードには長所と短所がありますが、どちらも与えられた数式を逆ポーランド記法に変換する点では同等の結果を提供します。実際には2番めのコードは不動小数点数やカッコに対応しています。
このコードは、nomというパーサーコンビネータライブラリを使用して、与えられた文字列を解析し、トークンに分割する機能を持っています。前のコードと比較してみましょう。
このコードは、nomを使ってトークン分割を行い、より柔軟なパースを可能にしています。nomを使用することで、トークンのパースやスペースの処理など、より複雑なルールを柔軟に記述できるようになります。
このコードは、数式をパースして複素数を計算する簡単な計算機の基本的な実装です。Rustの機能を活用して、トークン列を生成するLexerと、そのトークン列を解析して計算を行うParserを定義しています。
Tokenは、パーサーが認識するトークンの種類を表すenumです。Lexerは文字列を受け取り、その文字列をトークンに分割する役割を果たします。各トークンは、演算子や数値、括弧などを表現しています。Parserは、Lexerが生成したトークン列を受け取り、それを解析して数式を計算します。
Lexerは空白をスキップし、文字列を一文字ずつ見ていき、トークン列を生成します。Parserはトークン列を再帰的に解析し、四則演算を行って複素数を計算します。演算子の優先順位や括弧の処理も考慮されています。
このコードは、入力文字列 (2+ 3i)*4i を受け取り、それを計算して結果を表示します。各段階でトークンが正しく識別され、演算子や数値が正しく解釈されることを期待しています。
コード内のパニックは、予期しないトークンや構文エラーがあった場合に発生します。これらのエラーは、コードが期待する形式に文字列が合致しなかった場合に発生します。
このコードを用いると、複雑な数式も計算できますが、入力の検証やエラー処理についてはまだ改善の余地があります。
このコードは、num-complexクレートを使用して複素数を扱うRustの例です。
b: {}", a * b);、println!("a / b: {}", a / b); は、それぞれ複素数 a と b の加算、減算、乗算、除算を行っています。結果を文字列として出力しています。
修正されたコードは次のようになります:
Goから順列・組合わせを移植