プログラミング

Rustのクロージャ完全ガイド

Last Updated: 28/02/2025
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Rustのクロージャ（Closures）についての完全かつ包括的な記事

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Rustはシステムプログラミング言語として、安全性と並行性を強調している一方、関数型プログラミングの特徴も多く取り入れています。その中でも、クロージャ（closures）は非常に強力なツールであり、Rustのコードにおける柔軟性と表現力を向上させる要素です。本記事では、Rustにおけるクロージャについて、基本的な概念から応用的な使い方までを詳細に解説します。

1. クロージャとは？

クロージャは、関数のように動作するコードの塊ですが、他の関数とは異なり、その定義と同時に変数をキャプチャすることができるという特徴を持っています。クロージャは、関数の引数として渡したり、戻り値として返したりすることが可能で、これにより、関数型プログラミングの要素をRustのコードに統合することができます。

2. クロージャの基本的な構文

Rustのクロージャの構文は非常に簡単です。通常の関数と異なり、クロージャは |引数| 式 という形式で定義します。

rust
let add = |a, b| a + b;
println!("{}", add(2, 3)); // 5

上記のコードでは、addというクロージャが2つの引数 a と b を受け取り、それらを足し算して結果を返しています。

3. クロージャの特徴とキャプチャ

クロージャの特徴的な点は、外部の変数をキャプチャできる点です。Rustでは、クロージャがどのように外部変数をキャプチャするかに関して3つの主要な方法があります。これらは以下の通りです：

  • 参照によるキャプチャ（Borrowing）
    クロージャが外部の変数を借用して使う場合です。参照によるキャプチャはデフォルトで可能ですが、借用される変数がクロージャの外で変更されないことが保証されます。

    rust
    let x = 5;
let add_x = |y| y + x;
println!("{}", add_x(10)); // 15

  • 可変参照によるキャプチャ（Mutable Borrowing）
    クロージャが外部の変数を可変参照としてキャプチャすることもできます。これにより、クロージャ内で変数を変更することが可能になります。

    rust
    let mut x = 5;
let mut increment = |y| {
    x += y;
    println!("{}", x);
};
increment(10); // 15

  • 所有権の移動（Taking Ownership）
    クロージャが外部の変数を所有権ごとキャプチャすることもできます。この場合、クロージャ内でその変数を自由に変更することができますが、外部からはもうその変数を使えなくなります。

    rust
    let x = String::from("hello");
let take_ownership = move || {
    println!("{}", x);
};
take_ownership(); // "hello"
// println!("{}", x); // これはコンパイルエラーになる

4. クロージャの型推論と明示的な型指定

Rustではクロージャの引数や戻り値の型を推論できますが、必要に応じて明示的に型を指定することも可能です。以下の例では、クロージャの引数と戻り値の型を明示的に指定しています。

rust
let multiply = |a: i32, b: i32| -> i32 { a * b };
println!("{}", multiply(3, 4)); // 12

ここで、multiply クロージャは i32 型の引数を2つ受け取り、i32 型の結果を返すことが明示されています。

5. クロージャのライフタイム

Rustではクロージャもライフタイムを持っています。クロージャが外部の変数をキャプチャする際、その変数のライフタイムに依存することがあります。以下の例では、ライフタイムの関係を意識したクロージャの使用を示しています。

rust
fn apply(f: F)
where
    F: Fn() -> i32,
{
    println!("{}", f());
}

fn main() {
    let x = 5;
    let closure = || x;
    apply(closure); // xのライフタイムに依存
}

6. クロージャと関数ポインタ

Rustではクロージャと関数ポインタは似ているように見えますが、いくつかの重要な違いがあります。関数ポインタは固定された型を持つ一方、クロージャはその型が動的に決まります。関数ポインタはそのまま関数を指すポインタですが、クロージャは内部状態を持つ可能性があるため、関数ポインタとは異なります。

例えば、次のように関数ポインタとクロージャを使い分けます。

rust
// 関数ポインタ
fn add(a: i32, b: i32) -> i32 {
    a + b
}

fn apply_fn(f: fn(i32, i32) -> i32, x: i32, y: i32) {
    println!("{}", f(x, y));
}

// クロージャ
fn apply_closure(f: F, x: i32, y: i32)
where
    F: Fn(i32, i32) -> i32,
{
    println!("{}", f(x, y));
}

fn main() {
    let closure = |a, b| a + b;
    apply_fn(add, 3, 4); // 7
    apply_closure(closure, 3, 4); // 7
}

7. クロージャの応用

Rustのクロージャは、高階関数と組み合わせて非常に強力になります。高階関数とは、他の関数を引数として受け取ったり、関数を返り値として返す関数のことです。以下は、クロージャを利用した高階関数の例です。

rust
fn apply_to_10(f: F) -> i32
where
    F: Fn(i32) -> i32,
{
    f(10)
}

fn main() {
    let add_five = |x| x + 5;
    println!("{}", apply_to_10(add_five)); // 15
}

この例では、apply_to_10という関数がクロージャを受け取り、そのクロージャを使って10に対して計算を行っています。

結論

Rustのクロージャは非常に強力なツールであり、関数型プログラミングをRustで活用するための基盤となります。クロージャを使うことで、関数を引数として渡したり、値をキャプチャして状態を持たせたりすることができます。また、クロージャはRustの型システムと密接に関連しており、型推論やライフタイムの管理を理解することが、Rustを使いこなすためには非常に重要です。

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