Rustの始め方 — Cargoで実行し、所有権・借用を小さな例で学ぶ

ひよこ

Rustって、安全で速いって聞くけど、どんな言語なの？

ペンギン先生

所有権や借用のルールをコンパイラが検査する言語だよ。通常のメモリ管理にGCを必要とせず、安全なRustでは解放後の参照などを防ぐ仕組みがあるんだ。ただし、すべてのバグを防ぐという意味ではないし、速度は作る処理によって変わるよ。

ひよこ

最初から所有権を全部覚えないと使えない？

ペンギン先生

まずはCargoで小さなプログラムを動かそう。rustupでコンパイラとCargoをそろえ、cargo newでプロジェクトを作るよ。Windowsはリンク用のビルドツールが必要になる場合があるので、OS別の準備を下にまとめたよ。

ひよこ

Cargoって何をしてくれるの？

ペンギン先生

プロジェクトの作成、コンパイル、実行、テスト、依存ライブラリの管理を助ける道具だよ。cargo runは必要ならビルドして実行し、cargo checkは実行ファイルを作らずコンパイル上の問題を調べる。checkが通っても、プログラムを動かした結果まで正しいとは限らないよ。

ひよこ

所有権が移ると、元の変数が使えなくなるんだよね？

ペンギン先生

下のStringの例ではそうなるよ。let second = firstと渡すと、文字列の所有権が移るから元のfirstは使えなくなる。ただし整数などCopyに対応する型はコピーされる。すべての代入で元の変数が使えなくなるわけではないんだ。

ひよこ

読みたいだけなのに、渡したら使えなくなるのは困るな…

ペンギン先生

そこで借用だよ。&で参照を渡すと、所有権を渡さずに相手に読んでもらえる。共有して読む参照と、書き換える可変参照には両立の制限があるんだ。最初は「読むだけなら借りる」を、文字列の短い例で試してみよう。

ひよこ

エラー処理も独特なの？

ペンギン先生

Resultは成功のOkか失敗のErr、Optionは値があるSomeかないNoneを表す型だよ。数値の読み取りに失敗したらmatchで分岐できる。unwrapで取り出すと失敗時にpanicになる場合があるので、利用者の入力には失敗を扱う道を残そう。

ひよこ

ライフタイムやライブラリは、いつ勉強すればいい？

ペンギン先生

参照を返したり構造体へ保存したりするときに、参照の有効期間であるライフタイムを学ぶとつながりやすいよ。依存ライブラリはCargo.tomlで管理し、cargo addでも追加できる。まずは標準ライブラリだけで実行・借用・エラー処理を試すと、確認することを絞れるね。

ひよこ

コンパイルが通れば、もう安全だと思っていい？

ペンギン先生

処理の間違い、panic、メモリリークなどは起こりうるよ。unsafeや外部ライブラリの境界では、開発者が安全条件を守る責任もある。コンパイラの検査に加えて、テストや依存関係の確認も使おう。Goとの選び方は比較記事へ進むと分かりやすいよ。

最初の目標は「動かす・借りる・渡す」

この入門では、Cargoで実行した後に、文字列を借りる場合と所有権を渡す場合の違いを確かめます。最初から非同期処理や複雑なライフタイムを書ける必要はありません。

1. OSに合った方法で準備する

Windows: rustup公式サイトからインストーラーを取得します。MSVCツールチェーンではVisual StudioのC++ビルドツール等が必要です。インストーラーの案内と公式のWindows向け要件を確認してください。

macOS・Linux: 公式のrustup手順を確認して、ターミナルで実行します。macOSではCコンパイラ用のCommand Line Tools、Linuxでは配布元に応じたCコンパイラ・リンカーも必要です。

curl --proto '=https' --tlsv1.2 -sSf https://sh.rustup.rs | sh

インストール後はターミナルを開き直します。Unix系でPATHがまだ反映されない場合は、対応するシェルで source "$HOME/.cargo/env" を実行します。WindowsのPowerShellへこのUnix用コマンドを貼り付ける必要はありません。

rustc --version
cargo --version
cargo new hello-rust
cd hello-rust
cargo run

Hello, world! が表示されれば、最初のプロジェクトをコンパイルして実行できています。以降のコマンドは Cargo.toml があるディレクトリで実行します。

2. Stringを借りてから、所有権を渡してみる

src/main.rs を置き換え、もう一度 cargo run します。

fn main() {
    let first = String::from("ひよこ");
    show(&first); // 借用。所有権は渡さない
    println!("借りた後: {}", first);

    let second = first; // Stringの所有権を移す
    println!("渡した先: {}", second);
    // println!("{}", first); // コメントを外すと移動後の使用でエラー

    let count = 3;
    let copied_count = count; // i32はCopyに対応する
    println!("コピー: {} / {}", count, copied_count);
}

fn show(value: &str) {
    println!("借りて読む: {}", value);
}

通常の表示結果は次のとおりです。

借りて読む: ひよこ
借りた後: ひよこ
渡した先: ひよこ
コピー: 3 / 3

次に、コメントにした println!("{}", first); の行を有効にして cargo check を試します。移動後の値を使ったことがエラーになります。確認したら再びコメントに戻してください。

Stringの移動と整数のコピーを区別することが最初のポイントです。参照 &str は文字列を所有するのではなく借りて見るための型で、無効になった文字列を参照し続ける使い方は検査されます。

3. 失敗する処理はResultで分ける

次は main を次のコードに置き換えます。

fn main() {
    for input in ["42", "ひよこ"] {
        match input.parse::<i32>() {
            Ok(number) => println!("数値: {}", number),
            Err(_) => println!("数値に変換できません: {}", input),
        }
    }
}

42 は数値になり、ひよこ は失敗側へ進みます。失敗も通常の分岐として扱える例です。Optionは「該当する値が見つからない」など、エラーの内容を伴わない不在を表す場合に使います。型があるだけでアプリに適した対処まで決まるわけではありません。

Cargoの使い分け

つまずいたら

• cargoが見つからない: ターミナルを開き直し、rustupのインストール先がPATHに入っているか確認します。
• linker not found: OS別のCコンパイラ・ビルドツールの要件を確認します。Rustの文法エラーとは別です。
• 移動後の値を使えない: 相手に所有権が必要か、参照で読むだけでよいかを先に考えます。独立したコピーが必要なら clone() を使えますが、Stringではデータの複製コストがあります。
• ライフタイムが難しい: 最初は関数の中で作った値を使い切る短い例から始めます。短命なローカル変数への参照を返す問題は、注釈を付けるだけでは直りません。

Rustの安全性は、プログラムの全挙動を保証するものではありません。安全なRustのメモリ検査、unsafeに求められる責任、実行時の処理ミスを分けて考えましょう。

次に読む記事

用途から言語を選びたい人はRustとGoの比較、別の言語で同じ小さな処理を試したい人はGo入門へ進めます。所有権・借用を詳しく学ぶ場合は、下記の公式Bookの第4章が次の一歩です。

参考資料

• The Rust Programming Language — Installation

• Hello, Cargo!

• What is Ownership?

• References and Borrowing

• The Slice Type

• Recoverable Errors with Result

• Unsafe Rust

• Reference Cycles Can Leak Memory