Rustの所有権システム

完全に理解した

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古川亘

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1991年生まれ

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今日のお話

Rustの所有権システム

完全に理解した

本日の献立

Rust is 何
値の所有権
借用
ライフタイム

Rust is 何

Rustとは

use std::process::exit;
use std::env;

fn main() {
    let cli_args: Vec<String> = env::args().collect();

    let name = match cli_args.get(1) {
        Some(a) => a,
        None => exit(0)
    };
    
    println!("Hello, {}!", name);
}

Rustとは

2010年頃に登場
コンパイル型のモダンなシステムプログラミング言語
Mozilla従業員の個人プロジェクトから始まった
チェックが非常に厳格でとても安全にコードを書ける
ゼロランタイムなため極めて高速に動作する
採用例：Firefox、Discord、Dropbox、など

Rustの特徴

全ての値に対する

「所有権」が存在する

Rustの特徴

😗

値の所有権

所有権

（ownership）

値の所有権（ownership）

fn main() {
    let val = String::from("Hello");
    let val2 = val;
    
    println!("{} {}", val, val2);
}

error[E0382]: borrow of moved value: `val`
 --> src/main.rs:5:23
  |
2 |     let val = String::from("Hello");
  |         --- move occurs because `val` has type `String`, which does not implement the `Copy` trait
3 |     let val2 = val;
  |                --- value moved here
4 |     
5 |     println!("{} {}", val, val2);
  |                       ^^^ value borrowed here after move

↓コンパイルエラー

値の所有権（ownership）

fn main() {
    // ここで値がvalに束縛される
    let val = String::from("Hello");
    
    // val2に所有権がムーブし、valは所有権を失う
    let val2 = val;
    
    // valは既に所有権を失っているので
    // ここでアクセスするとエラー
    println!("{} {}", val, val2);
}

Why？？？

What's？

所有権とムーブセマンティクス

値の使用者をコンパイル時に完全に決定したい
- メモリが安全に解放されることが保証できる
- メモリ安全でないコードは全てエラー
- これを実現するための所有権システム
RustにGCは存在しないがメモリの明示的解放は不要
- allocした値を自動的にfreeしてくれる
- 値の有効範囲がコンパイル時に確定できる

所有権とムーブセマンティクス

ムーブセマンティクス
- 値をコピーするのではなくムーブする挙動
- Rustではこれがデフォルト
- C++ではunique_ptrとmoveで実現可能
⇆ コピーセマンティクス
- 一般的な言語はこっち
- Rustでも一部のプリミティブはコピーする
- Rustではtrait（mix-inみたいなの）で実現可能

所有権とムーブセマンティクス

fn main() {
    let val = String::from("Hello");
    
    {
        let _list = vec![val]; // valがVectorにmoveする
    } // ここで_listもvalもfreeされてしまう
    
    println!("{}", val); // もう戻ってこない
}

所有者のスコープを抜けると

freeされてしまう

借用

（borrowing）

ムーブの問題

fn string_len(text: String) -> usize {
    // returnしているのがusizeなので
    // 受け取ったString自体は元の場所にムーブしない……
    text.len()
}

fn main() {
    let val = String::from("Hello");
    
    // ムーブしたStringが戻ってこない
    let len = string_len(val);
    
    // エラー！元のStringはfreeされてしまった……
    println!("{} {}", val, len);
}

借用（borrowing）

所有権をムーブせず借りることができる
- 借用（borrowing）
借用は参照（ポインタ）の形で行われる
- ポインタで渡せば自動的に借用になる
ムーブしないので返す必要もない
- ただし所有はしていないので制限は大きい

借用してみる

fn string_len(text: &String) -> usize {
    // Stringを借用しているだけなので
    // 返す必要はない
    text.len()
}

fn main() {
    let val = String::from("Hello");
    
    // Stringは貸してるだけ
    // 所有権はvalの元にある
    let len = string_len(&val);
    
    // 動く！！！！
    println!("{} {}", val, len);
}

可変参照の借用

fn string_len(text: &String) -> usize {
    // エラー！借用しているだけなので
    // mutateできない…
    text.push_str(" World!");
    text.len()
}

fn string_len_2(text: &mut String) -> usize {
    // &mut で明示的に可変な借用をする
    text.push_str(" World!");
    text.len()
}

fn main() {
    // 可変な値として束縛する
    let mut val = String::from("Hello");
    
    let len = string_len(&val); // エラー！
    let len2 = string_len_2(&mut val); // 可変参照を生成する
    
    println!("{} {}", val, len2);
}

ぶら下がりポインタ

fn dangle() -> &String {
    let s = String::from("Hello");
    return &s;
} // sはここでfreeされる
// よって&sは危険！エラー！

fn main() {
    let val = dangle();
}

ライフタイム

（lifetime）

借用のライフタイム

fn main() {
    let val = String::from("Hello");
    
    // xのライフタイム 'a
    let x = &val;
    
    {
        let y = &val; // yのライフタイム 'b
    } // 'b ここまで
}// 'a ここまで

'a 'b 'c…と自動的に振られていく！

スコープに名前付けてるイメージ

ライフタイムが確定しない場合

// エラー
// xのライフタイム'aとyのライフタイム'bが自動的に振られるが
// どちらが返るかわからない → 戻り値のライフタイムも確定しない
fn longer(x: &String, y: &String) -> &String {
    if x.len() > y.len() {
        x
    } else {
        y
    }
}

fn main() { 
    let a = String::from("aa");
    let b = String::from("aaa");
    
    let result = longer(&a, &b);
    println!("{}", result)
}

ライフタイムを明示してあげる

// ライフタイムを明示する
fn longer<'a>(x: &'a String, y: &'a String) -> &'a String {
    if x.len() > y.len() {
        x
    } else {
        y
    }
}

fn main() { 
    let a = String::from("aa");
    let b = String::from("aaa");
    
    let result = longer(&a, &b);
    println!("{}", result)
}

まとめ！！

💯 Rustの所有権システム完全に理解した 💯

Rustでは値の所有権がある
- 使用範囲をコンパイル時検出して自動でfreeする
所有権をムーブしたくないときはポインタで借用する
- 関数の引数とか
借用にはライフタイムがある
- コンパイラが自動検出できない時は明示する