Rustコース

Vec'<'T'>'はRustの動的配列で、実行時にサイズを変更できます。vec!マクロで初期化でき、Vec::newで空のベクタを作成します。要素は同じ型でなければならず、ヒープに格納されます。配列と違い、実行時に要素を追加・削除できるため、多くの場面で使用されます。ベクタは自動的にメモリを管理し、容量が不足すると自動的に拡張されます。Rustのコレクション型の中で最も基本的で重要な型です。

ベクタには多数の便利なメソッドがあります。pushで末尾に追加、popで末尾から取り出し、lenで長さを取得します。popはOption型を返し、空の場合はNoneになります。iter()でイテレータに変換でき、collect()でイテレータからベクタを作成できます。これらのメソッドを組み合わせることで、効率的なデータ操作が可能です。メモリ効率も考慮された設計になっています。

RustのString型は可変で成長可能なUTF-8文字列です。String::fromやto_stringで作成し、push_strで文字列を結合できます。format!マクロは複数の値を組み合わせて新しい文字列を作成します。&strとStringの相互変換も重要です。文字列操作はWebアプリケーションやCLIツールなど、多くのプログラムで必要となる基本的な操作です。

HashMap'<'K, V'>'はキーと値のペアを保存するデータ構造です。PythonのdictやJavaScriptのObjectに似ています。insertでキーと値を追加、getで値を取得、removeで削除します。getはOption型を返すため、キーが存在しない場合も安全に扱えます。ハッシュテーブルのため高速な検索が可能で、多くの用途で使用されます。

HashMapのentry APIはキーの存在確認と更新を効率的に行えます。or_insertはキーがない場合にデフォルト値を挿入し、and_modifyは既存値を変更します。これにより、単語カウントやスコア集計などの処理が簡潔に書けます。パフォーマンスも優れており、実用的なパターンです。

Option'<'T'>'はRustのnull安全性を実現する型で、値があるかないかを表現します。Some(T)は値がある場合、Noneは値がない場合を表します。matchでパターンマッチングしたり、unwrapやunwrap_orなどのメソッドで値を取り出せます。nullポインタエラーをコンパイル時に防ぐ重要な機能です。

Result'<'T, E'>'は成功またはエラーを表現する型で、Rustのエラーハンドリングの中核です。Ok(T)は成功した値、Err(E)はエラー情報を保持します。ファイル操作やネットワーク通信など、失敗する可能性がある操作で使用されます。matchやif letで処理し、?演算子で早期リターンも可能です。

enumは複数のバリアントから一つを選ぶ型で、各バリアントは異なるデータを持てます。シンプルな状態を表現したり、異なる種類のデータを一つの型で扱えます。match文で全バリアントを網羅的に処理する必要があり、これにより安全性が保証されます。Rustの型システムの中でも特に強力な機能です。

構造体にメソッドを追加するにはimplブロックを使います。&selfは借用、&mut selfは可変借用、selfは所有権を受け取ります。関連関数（コンストラクタ）はselfパラメータを持たず、::で呼び出します。メソッドはデータと振る舞いをカプセル化し、オブジェクト指向プログラミングを実現します。

関連関数は構造体に属するがselfパラメータを持たない関数で、主にコンストラクタとして使われます。Self型は実装している型自身を指し、返り値や型名として使えます。new、from、defaultなどの命名で、目的に応じたコンストラクタを複数定義できます。Rustの慃習的なインスタンス作成方法です。

ジェネリック型を使うと、複数の型に対して動作する構造体や関数を定義できます。'<'T'>'のように山括弧で型パラメータを指定し、使用時に具体的な型が決まります。implブロックでも同様に型パラメータを宣言します。コードの再利用性が高まり、型安全性を保ちながら柔軟なプログラムが書けます。

タプル構造体は名前付きフィールドを持たない構造体で、要素には.0、.1のようにアクセスします。newtypeパターンは既存の型をラップして新しい型を作る技法で、型安全性を高めます。ユニット構造体はフィールドを持たない構造体で、マーカーやフラグとして使われます。

panic!は回復不可能なエラーでプログラムを停止させます。予期しない状態や続行不可能な場合に使用します。assert!は条件が偽の場合にpanic!し、debug_assert!はデバッグビルドでのみ有効です。エラーメッセージを指定してデバッグを容易にします。通常はResultを使い、panic!は最終手段です。

Result型の値を取り出す方法は複数あります。unwrapは成功時の値を取り出し、失敗時はpanic!。expectはカスタムメッセージ付き。unwrap_orはデフォルト値を指定して安全に処理。matchで明示的に両方のケースを扱うのが最も安全です。状況に応じた適切な方法を選びましょう。

?演算子はResultやOptionのエラー伝播を簡潔にします。失敗時は早期リターン、成功時は値を取り出します。複数の可能なエラーを連鎖的に扱う際に便利で、コードが読みやすくなります。関数の返り値はResultまたはOptionである必要があります。エラー型の変換にはmap_errを使います。

match式はResult型のエラー処理に最適で、OkとErrを明示的に処理できます。エラーの詳細情報を取り出し、種類ごとに異なる処理が可能です。kind()メソッドでエラーの種類を判別し、適切なメッセージや回復処理を実装できます。網羅性を保証し、全エラーケースを処理します。

独自のエラー型を定義することで、アプリケーション固有のエラーを表現できます。Fromトレイトを実装すると、?演算子で自動変換されます。複数のエラー源を統一的に扱え、エラー処理がシンプルになります。enumで様々なエラーケースを分類し、適切な情報を保持できます。

OptionやResultの値を安全に取り出すメソッド群です。unwrap_orはデフォルト値を直接指定、unwrap_or_elseはクロージャで動的に生成。map_orは変換とデフォルト値を組み合わせます。ok_orはOptionをResultに変換。これらはpanic!を避けて安全に処理します。

mapはOptionやResultの中身を変換します。成功値を変換するmap、エラーを変換するmap_errがあります。元のコンテナ構造（Some/None、Ok/Err）は保持され、中身だけが変換されます。メソッドチェーンで連続的に変換でき、関数型プログラミングの基礎です。

and_thenはOption/Resultを返す関数をチェインします。mapと違い、入れ子にならずフラット化されます。複数の可能な失敗を連鎖的に処理でき、モナディックな操作の一種です。エラー処理をシンプルに保ちながら、複雑なビジネスロジックを表現できます。

複数のResultを集約して処理する方法です。collectはイテレータのResultをResultのコレクションに変換し、一つでもエラーがあればErrを返します。partitionで成功と失敗を分離できます。バッチ処理や検証処理で重要なパターンです。

Fromトレイトを実装すると、?演算子で自動的にエラー型が変換されます。複数のエラー源を統一的に扱え、コードが簡潔になります。Fromを実装するとIntoも自動的に実装されます。エラー処理の柔軟性と統一性を向上させる重要なパターンです。

トレイトは共通の振る舞いを定義するインターフェースです。traitキーワードで定義し、メソッドシグネチャを含みます。デフォルト実装を提供でき、実装者の負担を軽減します。ポリモーフィズムを実現し、柔軟で再利用可能なコードを書けます。

既存の型に標準ライブラリのトレイトを実装できます。Displayで表示形式を定義、Addで演算子オーバーロードを実現します。孤児ルールにより、外部クレートの型とトレイトの組み合わせには制限があります。型に新しい機能を追加する強力な方法です。

トレイトはメソッドのデフォルト実装を提供でき、実装者の負担を軽減します。トレイトを実装する際、デフォルト実装をそのまま使うか、独自の実装でオーバーライドできます。柔軟なインターフェースを作りながら、実装をシンプルに保てます。柔軟性と利便性のバランスを取る強力な機能です。

トレイト境界はジェネリック型を制約し、特定の機能を持つことを保証します。山括弧内でT: Traitと書くか、where句で複雑な制約を表現します。型安全性を保ちながら、特定のメソッドを使用できるジェネリック関数を書けます。Rustの型システムの中核機能です。

#[derive]属性で一般的なトレイトを自動実装できます。Debugは{:?}での表示、Cloneはコピー作成、PartialEqは等価比較を可能にします。ボイラープレートコードを削減し、一貫した実装を保証します。フィールドがトレイトを実装していれば、再帰的に動作します。

DisplayとDebugは型を文字列に変換するフォーマット用トレイトです。Displayは{'}でユーザー向けの出力、Debugは{:?}で開発者向けの出力を提供します。Displayを実装すると型を直接出力でき、Debugは内部構造を表示してデバッグに役立ちます。型を表示可能にする基本的なトレイトです。

ライフタイム注釈は参照の有効期間を明示的に指定します。'aという記法は、同じライフタイムを持つすべての参照が同じ期間有効であることを示します。ダングリング参照を防ぎ、コンパイル時にメモリ安全性を保証します。コンパイラはこれらの注釈を使って参照がデータより長生きしないことを検証します。

参照を含む構造体はライフタイムパラメータが必要で、参照が有効であることを保証します。ライフタイムパラメータ'aは構造体が参照されたデータより長生きしないことを示します。構造体フィールドのダングリング参照を防ぎます。implブロックでも一貫性を保つためライフタイムパラメータが必要です。

Rustはライフタイム省略規則により明示的な注釈を減らします。規則1：各入力参照は独自のライフタイムを得る。規則2：入力ライフタイムが1つなら、すべての出力に割り当てられる。規則3：メソッドでは&selfのライフタイムが出力に割り当てられる。これらの規則により安全性を保ちながらコードが簡潔になります。

'staticはプログラム全体の期間続く特別なライフタイムです。文字列リテラルはプログラムバイナリに格納されるため'staticライフタイムを持ちます。グローバル定数やstaticも'staticライフタイムを持ちます。どのスコープよりも長生きする必要があるデータに有用です。Rustで最も長いライフタイムです。

トレイトオブジェクトはdynキーワードを使った動的ディスパッチを可能にします。同じトレイトを実装する異なる型をコレクションに格納できます。実行時ポリモーフィズムは小さなパフォーマンスコストがありますが柔軟性を提供します。Box'<'dyn Trait'>'でヒープにトレイトオブジェクトを格納するのが一般的です。

ジェネリックトレイトは型パラメータを受け取り、柔軟なインターフェースを実現します。関連型と異なり、ジェネリックトレイトは異なる型パラメータで複数の実装が可能です。コンテナ、変換器、様々な型で動作する操作に有用です。違いを理解することで、APIデザインに適切な抽象化を選択できます。

クロージャは環境をキャプチャできる無名関数です。||構文でクロージャを作成し、オプションでパラメータを指定できます。変数を参照、可変参照、値でキャプチャできます。コールバック、イテレータ、関数型プログラミングパターンに強力です。Rustは安全性と効率性のためキャプチャモードを推論します。

クロージャは変数のキャプチャ方法によってFn、FnMut、FnOnceトレイトを実装します。Fnは不変借用、FnMutは可変借用、FnOnceは所有権を取ります。moveキーワードは所有権キャプチャを強制します。これらのトレイトの理解は、関数へのクロージャ渡しや構造体への格納に重要です。

イテレータはデータ変換のための強力なメソッドを提供します。mapは各要素を変換し、filterは条件に基づいて要素を選択し、foldは値を累積します。メソッドチェーンにより関数型プログラミングパターンが可能になり、コードがより表現力豊かで簡潔になります。これらのメソッドは遅延評価され、collectなどの終端操作で実行されます。

collect()はイテレータをコレクションに変換する強力なメソッドです。Vec、HashMap、String、さらにはResult/Optionも作成できます。collectは戻り値の型に対してジェネリックなため、型注釈がしばしば必要です。FromIteratorトレイトがこの柔軟性を可能にします。collectの理解はデータ変換のためのイテレータの可能性を解放します。

Iteratorトレイトを実装してカスタムイテレータを作成します。トレイトはItem型とnext()メソッドの定義が必要です。next()は値がある限りSome(value)を返し、尽きたらNoneを返します。カスタムイテレータは標準のイテレータメソッドとシームレスに統合されます。このパターンはシーケンス生成、データ解析、ドメイン固有の反復に便利です。

Box'<'T'>'は値をスタックではなくヒープに配置するスマートポインタです。無限サイズになる再帰的な型に必須です。Boxはヒープデータの所有権を提供し、スコープを抜けると自動的に解放します。他のスマートポインタと違い、実行時オーバーヘッドがゼロで、大きなデータやコンパイル時にサイズが必要な場合に便利です。

Rc'<'T'>'（参照カウント）は同じデータの複数所有を可能にします。参照数を追跡し、カウントがゼロになると解放します。Rc::cloneで新しい参照を作成 - カウントを増やすだけでディープコピーしません。Rcはシングルスレッド専用で、マルチスレッドにはArcを使用。共有不変データ構造に最適です。

RefCell'<'T'>'は内部可変性を提供 - 不変な値を可変にできるパターンです。コンパイル時ではなく実行時に借用ルールを強制します。borrow()で不変アクセス、borrow_mut()で可変アクセス。RcとRefCellを組み合わせると複数の所有者が共有データを変更できます。借用ルール違反でパニックします。

Rustのパターンマッチングは'if'を使ったガード節や@バインディングで強化できます。ガードはパターンに条件を追加し、パターンと条件の両方が真の場合のみマッチします。@バインディングはパターンをテストしながら値全体をキャプチャします。これらの機能により複雑なロジックのための柔軟で表現力豊かなパターンマッチングが可能です。

'if let'と'while let'は単一のパターンだけを気にする場合の簡潔な構文を提供します。'if let'はオプションのelse分岐を持つ単一パターンのチェックに最適です。'while let'はパターンが失敗するまで繰り返しマッチし、イテレータの消費やシーケンス処理に便利です。完全なmatch式と比べて定型文を削減します。

型エイリアスは'type'キーワードを使って既存の型に新しい名前を作成します。複雑な型シグネチャを簡略化し、コードの可読性を向上させます。特に長いジェネリック型、関数ポインタ、固定エラー型のResultに便利です。newtypeパターンと違い、エイリアスは新しい型を作らず別名だけです。ジェネリックエイリアスも可能です。

Rustは所有権システムを通じて安全な並行性を提供します。thread::spawnは並行に実行される新しいスレッドを作成します。joinメソッドはスレッドの終了を待機し、結果を返します。スレッドは作成スコープより長生きする可能性があるため、moveキーワードで変数をスレッドに移動します。これによりデータ競合なしのメモリ安全性が保証されます。

メッセージパッシングはRustが推奨する並行性アプローチです：「メモリを共有して通信するのではなく、通信してメモリを共有する」。mpsc（複数生産者、単一消費者）チャネルはスレッド間で安全にメッセージを送信します。所有権はチャネルを通じて移動し、スレッド安全性を保証。受信者は全送信者がドロップされるまでメッセージを反復処理できます。

Arc（アトミック参照カウント）は複数のスレッドが同じデータの所有権を共有できます。Rcと違い、Arcはスレッド安全のためアトミック操作を使用。Arcは不変アクセスのみ許可し、変更にはMutexと組み合わせます。参照カウントはアトミックに更新され、スレッド間で安全です。Arc::cloneは安価でアトミックカウンタを増やすだけです。

Mutex（相互排他）は一度に一つのスレッドだけがデータにアクセスできるよう保証します。lock()メソッドはデータへのアクセスを提供するMutexGuardを返します。ガードはドロップ時に自動的にロックを解放。try_lock()はブロックせずに取得を試みます。スレッドがロック保持中にパニックすると、データ破損を防ぐためMutexは「汚染」されます。

RwLock（読み書きロック）は複数の読み取りまたは一つの書き込みを許可します。複数のスレッドが同時に読み取りロックを保持できますが、書き込みロックは排他的です。読み取りが書き込みより多い場合にパフォーマンスが向上。read()は読み取りロック、write()は書き込みロックを取得。Mutex同様、非ブロッキングのtry_バリアントもあります。

Condvarはスレッドが条件を待機し、互いに通知し合うことを可能にします。Mutexと組み合わせてスレッド実行を調整。wait()はMutexを解放して通知までブロックし、その後ロックを再取得。notify_one()は一つの待機スレッドを起床、notify_all()は全てを起床。プロデューサーコンシューマーパターンやスレッド同期に不可欠です。

SendとSyncはスレッド安全性のマーカートレイトです。Send型はスレッド間で移動可能、Sync型はスレッド間で共有可能です。ほとんどの型はこれらを自動実装します。RcはSendでもSyncでもなく、Arcは両方です。これらのトレイトの理解は並行コードの記述に重要で、コンパイル時にスレッド安全性を保証します。

async/awaitはRustで非同期プログラミングを可能にします。async関数は計算を表すFutureを返します。awaitはFutureが完了するまで実行を一時停止します。これにより同期的に見える非同期コードが書けます。Futureは遅延評価され、ポーリングされるまで実行されません。asyncコードの実行にはtokioのようなエグゼキュータが必要です。

tokioはRustで最も人気の非同期ランタイムです。Futureのエグゼキュータと非同期ユーティリティを提供。#[tokio::main]はasync main用のランタイムを作成。spawnは独立して実行される並行タスクを作成します。tokio::timeは非同期タイマーと遅延を提供。ランタイムはタスクスケジューリング、I/O、タイマーを効率的に管理します。

ストリームはイテレータの非同期版です。時間の経過とともに到着するデータを効率的に処理できるよう、値を非同期に生成します。tokio_streamはmap、filter、collectなどの馴染み深いメソッドを持つStreamExtトレイトを提供。ストリームはネットワークデータ、ファイルI/O、その他の非同期ソースの処理に不可欠です。async/awaitパターンとよく組み合わせられます。

関連型はトレイト内で型プレースホルダを定義します。ジェネリックパラメータと異なり、呼び出し側ではなく実装側が決定します。実装ごとに論理的な型が一つしかない場合、より整理されたAPIを作成します。関連型は型パラメータの増殖を減らし、トレイト境界をより読みやすくします。Iterator、Future、その他の標準トレイトでよく使用されます。

PhantomDataは構造体フィールドに現れない型パラメータの使用を可能にします。これによりコンパイル時に型が不変条件を強制する型レベルプログラミングが可能になります。一般的な用途には単位型、状態マシン、ライフタイム変性があります。PhantomDataは実行時コストがゼロで、純粋に型システムのためのものです。このパターンは型安全性により非互換な値の混合を防ぎます。

型状態パターンはRustの型システムを使ってコンパイル時に状態マシンをエンコードします。無効な状態遷移は実行時バグではなくコンパイルエラーになります。各状態は異なる型で、メソッドは適切な状態でのみ利用可能です。このパターンはプロトコルが正しく守られることを保証し、バグのクラス全体を排除します。ビルダーパターンやネットワークプロトコルで広く使用されます。

高階トレイト境界（HRTB）はすべての可能なライフタイムに対する制約を表現できます。for'<''a'>'構文はライフタイムに対する全称量化を作ります。これは特定の一つではなく、任意のライフタイムで動作する関数に不可欠です。クロージャ境界やイテレータアダプタで一般的。HRTBは任意のライフタイムの借用データで動作する柔軟なAPIを可能にします。

ジェネリック関連型は関連型がライフタイムや型に対してジェネリックになることを可能にします。これにより貸与イテレータや非同期トレイトのようなより強力な抽象化が可能になります。GATsは単純な関連型と完全なジェネリックパラメータのギャップを埋めます。ゼロコスト抽象化を維持しながら型間の複雑な関係を表現するのに重要です。Rust 1.65で安定化されました。

constジェネリクスはコンパイル時定数を型パラメータとして使用できる機能です。配列サイズや数値定数を型レベルで抽象化でき、ゼロコストで柔軟な型を作成できます。従来は特定のサイズ（[T; 32]など）ごとに実装が必要でしたが、constジェネリクスにより任意のサイズに対応可能。コンパイル時に全てが解決されるため、実行時オーバーヘッドはありません。

Newtypeパターンは既存の型を新しい型でラップし、型安全性を向上させます。タプル構造体で実装され、内部値へのゼロコストアクセスを提供。異なる単位や意味を持つ値を型レベルで区別でき、誤った使用をコンパイル時に防ぎます。トレイト実装により演算子オーバーロードや型変換を定義でき、直感的なAPIを構築できます。

ビルダーパターンは複雑なオブジェクトを段階的に構築する設計パターンです。メソッドチェーンで流暢なAPIを提供し、必須・オプショナルフィールドを型安全に扱えます。各メソッドはselfを消費して返すため、不変性を保ちながら状態を更新。build()メソッドで検証を行い、エラーハンドリングも組み込めます。Rustの所有権システムと相性が良いパターンです。

unsafeは厳密に必要な場合のみ使用する強力な機能です。生ポインタ（*const T、*mut T）は借用チェッカーを迂回し、nullや無効なメモリを指す可能性があります。unsafeブロック内でのみデリファレンス可能。安全性の保証は開発者の責任となり、メモリ安全性、データ競合の防止、有効なポインタの保証が必要です。システムプログラミングやFFIで使用されますが、可能な限り安全な抽象化でラップすべきです。

FFIはRustと他言語（主にC）の相互運用を可能にします。extern "C"ブロックで外部関数を宣言し、標準Cライブラリの関数を直接呼び出せます。#[no_mangle]はRustの名前マングリングを無効化し、Cから呼び出し可能な関数を作成。外部関数の呼び出しは常にunsafeです。ABI（Application Binary Interface）の違いに注意が必要。既存のCライブラリの活用やシステムAPIの呼び出しに不可欠です。

macro_rules!はコンパイル時にコードを生成する宣言的マクロを定義します。パターンマッチングによる柔軟な構文変換が可能。$で始まるメタ変数でパラメータを受け取り、:identは識別子、:exprは式などの型を指定。$()*は繰り返しパターンで可変長引数を処理。DRY原則に従い、ボイラープレートコードを削減します。Vec!やprintln!など標準ライブラリでも広く使用される強力な機能です。

宣言的マクロの高度な技法として、再帰的パターンマッチングと可変長引数処理があります。マクロは自分自身を呼び出して再帰的に展開でき、リストや繰り返し構造を処理できます。$()+や$()*の繰り返しパターンで任意数の引数を受け取り、ttマンチャー（トークンツリー操作）で複雑な構文変換を実現。コンパイル時に全て展開されるため実行時オーバーヘッドなし。標準ライブラリのvec!マクロなどがこれらの技法を活用しています。

手続きマクロはRustコードとして実行され、コンパイル時にASTを操作します。proc_macro crateで定義し、TokenStreamを入出力とします。カスタムderiveは最も一般的な用途で、#[derive(MyTrait)]で自動的にトレイト実装を生成。synでASTを解析し、quoteで新しいコードを生成します。宣言的マクロより強力で、任意の計算やファイルI/Oも可能。serdeやdieselなど多くのcrateがこの機能を活用しています。

属性マクロは関数、構造体、モジュールに付与してコードを変換します。#[proc_macro_attribute]で定義し、属性引数と装飾対象の両方を受け取ります。関数の前後にログ出力を追加したり、自動的にベンチマークコードを生成するなど、アスペクト指向プログラミングが可能。tokioの#[main]やtestの#[test]が代表例。メタプログラミングの強力な手法で、ボイラープレートを削減し、横断的関心事を分離できます。

build.rsはCargoのビルド前に実行される特別なスクリプトです。コンパイル時のコード生成、環境変数の設定、ネイティブライブラリのリンクなどを行います。OUT_DIR環境変数で指定されたディレクトリに生成ファイルを配置し、include!マクロで取り込みます。cargo:rerun-if-changedでビルドスクリプトの再実行条件を制御。ビルド時情報の埋め込み、バインディング生成、条件付きコンパイルなど、ビルドプロセスをカスタマイズする強力な機能です。