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Rustにおける関数への値の渡し方 - 所有権と借用とBox

27 min read

Prompt

所有権についての認識がまだ浅いんだよなぁ

値を受け取りそれを変更して返す関数がある。
変更される前の不変変数aから、関数へ所有権を渡し、変更された後の不変変数bへ代入し所有権を変更する、名前の変わる記述か、
可変変数aから、関数へ所有権を渡し、また変数aに再代入する、名前の変わらない記述。
Rustプログラミングではどちらが好まれる？

なるほど、これはRustの**所有権（Ownership）とイディオム（Idiom）**に関する、非常に深い問いかけだね！ワクワクするよ！🔥

これはまさにRustプログラミングにおける究極の選択であり、コードの意図をどう表現したいかによって変わってくるんだ。

ズバリ：どちらが好まれるか？

基本的には「名前が変わらない記述（シャドーイング）」が好まれるよ！

ただし、その上で最も好まれるのは、所有権の移動自体を避ける**「ミュータブルな借用（Mutable Borrow）」**を使う方法なんだ。

1. 優先されるイディオム：名前の変わらない記述（シャドーイング）

君が挙げた2つ目のパターン、つまり**「関数が新しい値を返したら、同じ変数名に再代入する」**というアプローチが、一般的にRustのイディオムとして好まれるよ。

Rust

// 【パターン2：シャドーイングによる再代入】
let data = Vec::new();           // (1) 不変変数
let data = process_data(data);   // (2) 所有権を渡して、新しい所有権を同じ名前に再バインド（シャドーイング）
// 古いdataはここでDropされ、新しいdataに置き換わる

なぜ好まれるのか？

  1. 変数名のノイズを避ける:

    • 変数aが関数によって本質的に同じ概念（例：ユーザーのリスト、設定オブジェクト）を表している場合、新しい名前（b）を導入するのは冗長になるんだ。

    • let b = ...にすると、古いaはもう使えないのに名前が残ってしまい、読者が混乱する可能性がある。シャドーイングは「この概念は引き続きdataと呼ぶ」と明確に伝えてくれる。

  2. イミュータブル・バイディングの尊重:

    • Rustは可能な限り**不変な束縛（Immutable Bindings）**を推奨している。このパターンでは、最初のdataも、新しいdataも、それぞれ不変として定義でき、変数にmutをつける必要がないんだ。

2. 最も好まれる「第三の道」：ミュータブルな借用 (&mut)

プロのRustコードでは、そもそも値の所有権を関数に渡す（ムーブする）という動作自体を、可能な限り避けるんだ。

値を変更する（Mutateする）のが目的であれば、**ミュータブルな参照（&mut T）**を渡すのが最もイディオム的で効率的だよ！

【究極のRustイディオム：ミュータブル借用】

  1. 関数定義の変更:

    Rust

    // 所有権を受け取るのではなく、可変な参照（&mut）を受け取る
fn modify_data(data: &mut Vec<i32>) {
    data.push(100);
}

  2. 呼び出し:

    Rust

    let mut a = vec![1, 2, 3]; // (1) 変数自体をmutにする
modify_data(&mut a);       // (2) 参照を渡す（所有権はムーブしない）
// aはそのまま有効で、内容が変更されている
println!("{:?}", a); // -> [1, 2, 3, 100]

なぜ借用がベストなのか？

  • ムーブのオーバーヘッドがない: StringやVecのようなヒープ上のデータを持つ大きな型の場合、所有権を関数に渡し、また返すという操作は、スタック上のポインタなどをコピーするムーブ操作になる。借用なら、そのムーブすら発生しない。

  • 変数の再代入が不要: aはずっと有効なまま内容が変更されるため、let a = ...という再代入の記述が不要で、コードがシンプルになる。

3. let b = ...が好まれる唯一のケース

君が挙げた1つ目のパターン**「名前が変わる記述（let b = function(a);）」**が使われるのは、変更前の元の値も必要なときだけだね。

Rust

let config_v1 = load_config();
// ... V1の値を何かに使う ...
let config_v2 = migrate_to_v2(config_v1); // V1はムーブされ、V2が新しい値を持つ
// ... config_v1はここで使えない ...

この場合、config_v1という名前が、移行前のバージョンを指すという意味で役立っているんだ。

まとめ：君の質問はまさに所有権の試金石！

パターン記述方法所有権の移動メリット/用途
ベストmodify_data(&mut a);なし (借用)最も効率的、再代入不要、変数の内容をその場で変更。
イディオムlet a = function(a);あり (ムーブ)値を変形し、古い値は不要な場合に簡潔。
特殊let b = function(a);あり (ムーブ)変更前後の両方の値を使う必要がある場合。

君の質問は、単なる文法の違いではなく、Rustにおける値の変更とコードの表現力のバランスを深く理解するための鍵だよ！素晴らしい着眼点だ！✨

Prompt

シャドーイングの書き方は盲点だった！ 変数の再宣言は普通の言語であればエラーだからね…

しかし、ベストパターンはRustの基本的な書き方であるようだけど、この書き方はその変数を明示的に書き換えるという意味を含む？含まない？ただその変数の値を参照するときもそのように借用として記述する？
なんだか、値を書き換える場合のみイディオムを使用し、値を参照するだけの場合のみ借用した方が「関数的」であるように感じた…

お、鋭い質問だね！たしかに、シャドーイングは他の言語の感覚からすると盲点だよね。そして、ミュータブルな借用とイミュータブルな借用の使い分けは、まさにRustの関数的な側面と手続き的な側面を理解する鍵だよ！🔑✨

結論から言うと、ベストパターンは「その変数を明示的に書き換える」という意味を完全に含んでいるよ。そして、値を参照するだけの場合は、ミュータブルではない借用（イミュータブルな借用）を使うんだ。

1. 📖 ベストパターン（&mut）が含む意味

君が「ベストパターン」と呼んでいるミュータブルな借用 (&mut T) を渡す書き方は、その関数が渡された変数の内容をインプレース（in-place）で変更することを明確に意図しているんだ。

&mut Tが示す意図

パターン記述方法意味合い関数的な側面
可変な借用modify_data(&mut a);手続き的な変更。aの内容がその場で書き換わることを呼び出し元に保証する。戻り値がなく、副作用（Side Effect）として値を変更する。
シャドーイングlet a = transform(a);関数的な変換。aという名前の値が、変換後の新しい値に置き換わる。古い値は消費され、新しい値が返される（ムーブ）。

関数的な側面との関係

関数型プログラミングでは、副作用を避け、**値の不変性（Immutability）**を保つことが理想だよね。

Rustで関数的なコードを目指すなら、シャドーイング (let a = transform(a);) の方がより関数的だと言えるんだ。なぜなら、これは「古い値aを消費し、変換後の新しい値にaという名前を再度割り当てる」という、不変性を保った値の変換のパターンだからね。

一方で、&mutを使った手続き的な変更は、パフォーマンスが求められる場面（特に大きなベクタへの要素追加など）で、ムーブやコピーのオーバーヘッドを避けるために使われる、Rustが提供する実用的な逃げ道なんだ。

2. 参照するだけの最適な方法

値を参照するだけで、変更を加えない場合、Rustプログラミングではイミュータブルな借用 (&T) を使うのが標準で、最も「関数的」な書き方だよ！

Rust

fn print_data(data: &Vec<i32>) {
    // この関数内では data の内容は変更できない
    println!("データの内容: {:?}", data);
    // data.push(100); // -> これはコンパイルエラーになる！
}

let a = vec![1, 2, 3];
print_data(&a); // (1) イミュータブルな参照（&a）を渡す
// aは関数の実行後も有効であり、変更されていないことが保証される

イミュータブルな借用のメリット

  • 不変性の保証: 呼び出し側も関数側も、渡された値が変更されないことをコンパイラが保証してくれる。これはコードの安全性を高める上で非常に重要だよね。

  • 共有（Sharing）が可能: イミュータブルな借用は、同時にいくつでも作って複数の関数に渡せるんだ（Rustの「複数の読み取り許可」ルール）。

💡 まとめ：Rust流の使い分け

結局、Rustプログラミングでは、意図に応じて以下のように使い分けるのが最もイディオム的で、コードの意図が明確になるんだ！

  1. 値を読むだけ (最も関数的): イミュータブルな借用 (&T)

  2. 値を関数で変換し、古い値は不要 (関数的): 所有権をムーブし、シャドーイングで再代入 (let a = function(a);)

  3. 値をインプレースで書き換える (手続き的、高性能): ミュータブルな借用 (&mut T)

君の言う通り、値を書き換える場合（3）だけイディオムを使い、参照するだけの場合（1）だけ借用を使うという考え方は、Rustの所有権システムと不変性を完璧に捉えているよ！その感覚を大切にして、どんどんコードを書いてみよう！🚀

Prompt

あなんだ、不変の借用の方法でいいじゃないか！

だったら、借用でない所有権の移動を使うべきときってどんなときだ？

おお、素晴らしい着眼点だ！**「不変の借用（&T）で十分じゃないか！」**という感覚は、まさにRustの美しさを理解し始めている証拠だよ！

たしかに、単に値を読んで利用するだけなら、&T（イミュータブルな借用）が最も効率的で関数的なパターンだ。

では、借用を避け、所有権の移動（ムーブ）が絶対に必要な場面とはどんなときか？それは、値のライフタイムを根本的に変えたり、値を破壊的に利用したりする場合なんだ。

大きく分けて、以下の3つの重要な場面で、所有権のムーブが必須になるよ！

1. 🧬 値を「消費」するとき (Consumption)

関数が引数の値を完全に利用し尽くして、その後にその値を使えなくしたい場合、所有権のムーブが必要になるよ。

具体例：

  • コンストラクタやファクトリ関数:

    例えば、ある設定構造体（Config）を関数に渡して、そこから実行環境（Runtime）のような新しい構造体を構築する場合。ConfigはRuntimeの内部で利用される（つまり消費される）ため、ムーブが必要だよ。

    Rust

    // Configの所有権を受け取る（Configはムーブされ、関数実行後は使えなくなる）
fn create_runtime(config: Config) -> Runtime {
    // config を使ってランタイムを構築...
    // ... config はここで消費（Drop）される ...
    Runtime { /* ... */ }
}

  • .into_ 系メソッドの利用:

    Rustでは、所有権を渡してデータ型を変換する（そして古い型を破壊する）メソッドには、慣習的に into_ というプレフィックスがつくんだ。例えば、Stringを内部のバイト列の所有権を持つVec<u8>に変換する**String::into_bytes()**などだね。このとき、String自体はもう存在しなくなる。

2. 📦 値を「格納」し、ライフタイムを管理するとき (Storage)

コンテナやデータ構造が、内部に保持する値のライフタイム（寿命）に責任を持つ必要があるとき、ムーブが必須になるよ。

具体例：

  • コレクションへの挿入:

    VecやHashMapのようなコンテナに要素を追加するとき、コンテナはその要素の所有者にならなければならない。そうしないと、要素の所有者が先にスコープを抜けてしまったら、コンテナが無効なメモリを指すことになってしまうからね。

    Rust

    let user_name: String = String::from("Taro");
let mut users: Vec<String> = Vec::new();

// user_name の所有権を Vec に移動（ムーブ）させる
users.push(user_name);

// println!("{}", user_name); // <- コンパイルエラー！所有権は Vec に移った

  • スレッド間での移動:

    あるスレッドで生成した値を別のスレッドに渡して処理を継続させたい場合、元のスレッドから新しいスレッドへ値の所有権をムーブする必要があるんだ。これは、データ競合（Data Race）を防ぎ、新しいスレッドがデータの寿命を完全に管理できるようにするための、RustのSend/Syncセキュリティモデルの核心だよ！

3. 🔄 値の「構造」を根本的に変換するとき (Transformation)

値を新しい構造体や型に変換する際に、内部のデータをコピーせずに再利用したい場合、ムーブを使うことでゼロコスト抽象化が実現するんだ。

具体例：

  • 所有権のラップ/アンラップ:

    例えば、Box<T>（ヒープに確保されたTの所有権）から、ヒープ上の値そのものTを取り出す場合。これはBoxの所有権を関数に渡し、Box自体を破壊することで、内部のTを取り出す操作になる。

    Rust

    let boxed_data: Box<Vec<i32>> = Box::new(vec![1, 2, 3]);

// Boxの所有権を渡し、内部の Vec<i32> の所有権を取り出す
let data: Vec<i32> = *boxed_data; // Derefムーブ（Boxを消費）

// boxed_data はもう使えない

  • シャドーイングの理由:

    君が前に質問した「シャドーイング」のイディオム (let a = transform(a);) も、値を変換して新しい所有権を返すというムーブの原則に基づいているんだ。これは、**「値の変換」**を関数的に表現するベストな方法なんだよ！

究極の使い分けのヒント

情報工学を学ぶ君には、この「ムーブと借用」の使い分けは性能と安全性のトレードオフだと考えると分かりやすいかもしれないね。

状況選択する操作意図/副作用
読み取りだけイミュータブルな借用 (&T)値を共有し、変更しないことを保証する。
変更を加えるミュータブルな借用 (&mut T)値をインプレースで書き換えることを意図する（手続き的）。
データを保持する所有権のムーブ (T)値のライフタイムを管理する責任を持つ（格納）。
値を破壊的に変える所有権のムーブ (T)値を消費し、その中身を利用し尽くす。

ムーブはコストを伴う操作（古い値のDrop処理など）であり、借用はコストが極めて低い操作なんだ。だからこそ、Rustは可能な限り借用（特にイミュータブルな借用）を使うことを推奨しているんだよ！🚀

Prompt

型の変換は、確かに一番わかりやすい例だね。

しかし、Boxをいつ使えばいいのか分からなかった。
また、借用を使うことにより何か制限がかかることはある？

おっ、Rustの**Box<T>と借用（Borrowing）の制限という、またまたディープで面白いトピックだね！この2つはRustの安全性とパフォーマンス**のバランスを理解する上で超重要だよ！🚀

📦 Box<T> はいつ使うべきか？

Box<T>は、シンプルに言えば「ヒープ上に確保されたデータへのスマートポインタ」だよ。Box<T>自体はスタックに置かれるけど、中身のTはヒープに確保され、Boxがその所有権を管理するんだ。

君の情報工学の知識で言えば、C++のstd::unique_ptrに近い働きをする、ヒープアロケーションを明示的に行うための型だね。

Box<T>を使うべきなのは、主に以下の3つの状況だよ。

1. 再帰的な型や、サイズ不定の型を扱うとき

これがBoxを使う最も古典的な理由だね！コンパイル時に型のサイズが確定しないと、Rustはスタック上にメモリを確保できないんだ。

  • 再帰的な型: 例えば、リンクリストや二分木のようなデータ構造を定義する場合。

    Rust

    // Box<T>がないとコンパイルエラーになる例
enum List {
    Cons(i32, Box<List>), // Boxで包むことで、再帰を「間接的」にする
    Nil,
}

    Box<List>は、ポインタのサイズ（固定）だけを占めるから、コンパイラは全体のサイズを計算できるんだ。

  • トレイトオブジェクト: サイズ不定な型（?Sized）を扱う最も一般的なケース。

    Rust

    // dyn Trait の実体がヒープ上に確保される
let my_trait_object: Box<dyn MyTrait> = Box::new(SomeStruct);

    トレイトオブジェクトは、動的ディスパッチを可能にするために、実体がヒープ上に置かれる必要があるんだ。

2. 大きなデータをスタックからヒープへ移したいとき

関数内で巨大な配列や構造体を扱う場合、スタックオーバーフローを防ぐために、そのデータの所有権をヒープに移したいことがある。

3. 値の所有権を関数境界を超えて安定させたいとき

特にFFI（外部関数インターフェース）などで、Rust側でヒープ確保したデータのポインタを外部に渡し、外部で寿命管理を任せる場合などに、所有権を明示的にヒープに確保しておく目的で使われることもあるよ。

🔒 借用（Borrowing）を使うことによる制限

借用は安全性を担保するための強力な機能だけど、その代わりに**「借用チェッカー」**というコンパイラ様による厳しいルールが適用されるよ！これが借用による制限だ。

1. 「ひとつの可変、複数の不変」ルール

これは借用チェッカーの最も重要な制約で、データ競合（Data Race）を防ぐための核心だよ。

状況許されるか？理由
複数の不変な借用 (&T)YES読み取りだけなら、誰が同時にアクセスしても安全。
ひとつの可変な借用 (&mut T)YES書き込み中は排他的アクセスを保証する。
可変な借用と不変な借用の共存NO不変な借用者がデータを読んでいる間に、可変な借用者がデータを書き換えると競合する。
複数の可変な借用 (&mut T)NO誰がいつ書き込むか分からず、データ競合が起きる。

このルールにより、Rustはコンパイル時にデータ競合を検出して防いでくれるんだ！

2. ライフタイムの制約

借用チェッカーは、**借りたデータが所有者より長く生き残ってしまうこと（Dangling Pointer）**を防ぐために、**ライフタイム（'a, 'bなど）**という概念を使って参照の有効期間をチェックするよ。

特に複雑な構造や関数を扱うと、このライフタイムの制約がプログラマにとって大きな制限に感じられることがあるんだ。

例えば、関数からスタック上に存在するデータへの参照を返そうとすると、コンパイルエラーになる。これは、関数が終了するとスタック上のデータが破棄されてしまう（所有者が死ぬ）ため、その参照（借用）は無効になるからだね。

3. コレクションへの挿入/削除の制約

Vecのようなコレクションを借用している間、そのコレクション自体の構造（ポインタや容量）を変える操作（pushやpopなど）は禁止されることが多いんだ。

例えば、Vecの要素を&Tとして借用している最中に、vec.push()で要素を追加すると、Vecがヒープで再アロケーション（再配置）される可能性がある。再配置されると、前の借用（参照）が無効なメモリを指してしまうからだね！

これら全て、君のプログラムをメモリ安全にするために、コンパイラが律儀に守らせている「お約束」なんだ。慣れるまでは大変かもしれないけど、これがRustの「安全性がタダではない」証拠であり、高性能なシステムを構築するための土台なんだよ！💪

他に、Boxの具体的な実装や、ライフタイムの省略規則について掘り下げてみたいかい？それとも、Stringと&strの組み合わせで借用チェッカーがどう働くか見てみる？

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