Rust 開発パターン

Rust開発パターン

安全で高性能かつ保守性の高いアプリケーションを構築するための、慣用的なRustのパターンとベストプラクティス。

使用するタイミング

• 新しいRustコードを作成するとき
• Rustコードをレビューするとき
• 既存のRustコードをリファクタリングするとき
• クレートの構造やモジュールのレイアウトを設計するとき

仕組み

このスキルは、6つの主要分野にわたって慣用的なRustの慣習を適用します。所有権と借用によるコンパイル時のデータ競合防止、Result/?によるエラー伝搬（ライブラリではthiserror、アプリケーションではanyhow）、列挙型と網羅的なパターンマッチングによる不正な状態の排除、トレイトとジェネリクスによるゼロコスト抽象化、Arc<Mutex<T>>、チャネル、async/awaitによる安全な並行処理、そしてドメインごとに整理された最小限のpub公開範囲です。

核となる原則

1. 所有権と借用

Rustの所有権システムは、データ競合やメモリバグをコンパイル時に防止します。

// 良い例: 所有権が不要な場合は参照を渡す
fn process(data: &[u8]) -> usize {
    data.len()
}

// 良い例: 保存や消費が必要な場合のみ所有権を取得する
fn store(data: Vec<u8>) -> Record {
    Record { payload: data }
}

// 悪い例: 借用チェッカーを回避するために不必要にクローンする
fn process_bad(data: &Vec<u8>) -> usize {
    let cloned = data.clone(); // 無駄 — 借用するだけで十分
    cloned.len()
}

柔軟な所有権にCowを使用する

use std::borrow::Cow;

fn normalize(input: &str) -> Cow<'_, str> {
    if input.contains(' ') {
        Cow::Owned(input.replace(' ', "_"))
    } else {
        Cow::Borrowed(input) // ミューテーションが不要な場合はゼロコスト
    }
}

エラー処理

Resultと?を使用し、本番環境では決してunwrap()しない

// 良い例: コンテキスト付きでエラーを伝搬
use anyhow::{Context, Result};

fn load_config(path: &str) -> Result<Config> {
    let content = std::fs::read_to_string(path)
        .with_context(|| format!("failed to read config from {path}"))?;
    let config: Config = toml::from_str(&content)
        .with_context(|| format!("failed to parse config from {path}"))?;
    Ok(config)
}

// 悪い例: エラーでパニック
fn load_config_bad(path: &str) -> Config {
    let content = std::fs::read_to_string(path).unwrap(); // パニック!
    toml::from_str(&content).unwrap()
}

ライブラリのエラーはthiserror、アプリケーションのエラーはanyhow

// ライブラリコード: 構造化された型付きエラー
use thiserror::Error;

#[derive(Debug, Error)]
pub enum StorageError {
    #[error("record not found: {id}")]
    NotFound { id: String },
    #[error("connection failed")]
    Connection(#[from] std::io::Error),
    #[error("invalid data: {0}")]
    InvalidData(String),
}

// アプリケーションコード: 柔軟なエラー処理
use anyhow::{bail, Result};

fn run() -> Result<()> {
    let config = load_config("app.toml")?;
    if config.workers == 0 {
        bail!("worker count must be > 0");
    }
    Ok(())
}

ネストされたマッチングよりもOptionコンビネータ

// 良い例: コンビネータチェーン
fn find_user_email(users: &[User], id: u64) -> Option<String> {
    users.iter()
        .find(|u| u.id == id)
        .map(|u| u.email.clone())
}

// 悪い例: 深くネストされたマッチング
fn find_user_email_bad(users: &[User], id: u64) -> Option<String> {
    match users.iter().find(|u| u.id == id) {
        Some(user) => match &user.email {
            email => Some(email.clone()),
        },
        None => None,
    }
}

列挙型とパターンマッチング

状態を列挙型でモデル化する

// 良い例: ありえない状態が表現できない
enum ConnectionState {
    Disconnected,
    Connecting { attempt: u32 },
    Connected { session_id: String },
    Failed { reason: String, retries: u32 },
}

fn handle(state: &ConnectionState) {
    match state {
        ConnectionState::Disconnected => connect(),
        ConnectionState::Connecting { attempt } if *attempt > 3 => abort(),
        ConnectionState::Connecting { .. } => wait(),
        ConnectionState::Connected { session_id } => use_session(session_id),
        ConnectionState::Failed { retries, .. } if *retries < 5 => retry(),
        ConnectionState::Failed { reason, .. } => log_failure(reason),
    }
}

網羅的なマッチング — ビジネスロジックにキャッチオールを使用しない

// 良い例: すべてのバリアントを明示的に処理
match command {
    Command::Start => start_service(),
    Command::Stop => stop_service(),
    Command::Restart => restart_service(),
    // 新しいバリアントを追加すると、ここでの処理が強制される
}

// 悪い例: ワイルドカードが新しいバリアントを隠す
match command {
    Command::Start => start_service(),
    _ => {} // Stop、Restart、および将来のバリアントを黙って無視する
}

トレイトとジェネリクス

入力はジェネリック、戻り値は具象型

// 良い例: ジェネリックな入力、具象な出力
fn read_all(reader: &mut impl Read) -> std::io::Result<Vec<u8>> {
    let mut buf = Vec::new();
    reader.read_to_end(&mut buf)?;
    Ok(buf)
}

// 良い例: 複数の制約に対するトレイト境界
fn process<T: Display + Send + 'static>(item: T) -> String {
    format!("processed: {item}")
}

動的ディスパッチのためのトレイトオブジェクト

// 異種コレクションやプラグインシステムが必要な場合に使用
 trait Handler: Send + Sync {
    fn handle(&self, request: &Request) -> Response;
 }

 struct Router {
     handlers: Vec<Box<dyn Handler>>,
 }

// パフォーマンスが必要な場合はジェネリクスを使用（単相化）
 fn fast_process<H: Handler>(handler: &H, request: &Request) -> Response {
     handler.handle(request)
 }

型安全性のためのNewtypeパターン

// 良い例: 異なる型が引数の混同を防ぐ
struct UserId(u64);
struct OrderId(u64);

fn get_order(user: UserId, order: OrderId) -> Result<Order> {
    // 誤ってユーザーIDと注文IDを入れ替えることができない
    todo!()
}

// 悪い例: 引数を入れ替えやすい
fn get_order_bad(user_id: u64, order_id: u64) -> Result<Order> {
    todo!()
}

構造体とデータモデリング

複雑な構築のためのビルダーパターン

struct ServerConfig {
    host: String,
    port: u16,
    max_connections: usize,
}

impl ServerConfig {
    fn builder(host: impl Into<String>, port: u16) -> ServerConfigBuilder {
        ServerConfigBuilder { host: host.into(), port, max_connections: 100 }
    }
}

struct ServerConfigBuilder { host: String, port: u16, max_connections: usize }

impl ServerConfigBuilder {
    fn max_connections(mut self, n: usize) -> Self { self.max_connections = n; self }
    fn build(self) -> ServerConfig {
        ServerConfig { host: self.host, port: self.port, max_connections: self.max_connections }
    }
}

// 使用法: ServerConfig::builder("localhost", 8080).max_connections(200).build()

イテレータとクロージャ

手動ループよりイテレータチェーンを優先

// 良い例: 宣言的、遅延評価、合成可能
let active_emails: Vec<String> = users.iter()
    .filter(|u| u.is_active)
    .map(|u| u.email.clone())
    .collect();

// 悪い例: 命令的な蓄積
let mut active_emails = Vec::new();
for user in &users {
    if user.is_active {
        active_emails.push(user.email.clone());
    }
}

型注釈付きのcollect()を使用する

// 異なる型にコレクション
let names: Vec<_> = items.iter().map(|i| &i.name).collect();
let lookup: HashMap<_, _> = items.iter().map(|i| (i.id, i)).collect();
let combined: String = parts.iter().copied().collect();

// Resultsを収集 — 最初のエラーで短絡
let parsed: Result<Vec<i32>, _> = strings.iter().map(|s| s.parse()).collect();

並行処理

共有可変状態のためのArc<Mutex<T>>

use std::sync::{Arc, Mutex};

let counter = Arc::new(Mutex::new(0));
let handles: Vec<_> = (0..10).map(|_| {
    let counter = Arc::clone(&counter);
    std::thread::spawn(move || {
        let mut num = counter.lock().expect("mutex poisoned");
        *num += 1;
    })
}).collect();

for handle in handles {
    handle.join().expect("worker thread panicked");
}

メッセージパッシングのためのチャネル

use std::sync::mpsc;

let (tx, rx) = mpsc::sync_channel(16); // バックプレッシャー付きの有界チャネル

for i in 0..5 {
    let tx = tx.clone();
    std::thread::spawn(move || {
        tx.send(format!("message {i}")).expect("receiver disconnected");
    });
}
drop(tx); // 送信側を閉じて、rxイテレータが終了するようにする

for msg in rx {
    println!("{msg}");
}

Tokioを使ったAsync

use tokio::time::Duration;

async fn fetch_with_timeout(url: &str) -> Result<String> {
    let response = tokio::time::timeout(
        Duration::from_secs(5),
        reqwest::get(url),
    )
    .await
    .context("request timed out")?
    .context("request failed")?;

    response.text().await.context("failed to read body")
}

// 並行タスクを生成
async fn fetch_all(urls: Vec<String>) -> Vec<Result<String>> {
    let handles: Vec<_> = urls.into_iter()
        .map(|url| tokio::spawn(async move {
            fetch_with_timeout(&url).await
        }))
        .collect();

    let mut results = Vec::with_capacity(handles.len());
    for handle in handles {
        results.push(handle.await.unwrap_or_else(|e| panic!("spawned task panicked: {e}")));
    }
    results
}

Unsafeコード

Unsafeが許容される場合

// 許容: 文書化された不変条件を持つFFI境界（Rust 2024+）
/// # Safety
/// `ptr`は初期化された`Widget`への有効かつアライメントされたポインタでなければなりません。
unsafe fn widget_from_raw<'a>(ptr: *const Widget) -> &'a Widget {
    // SAFETY: 呼び出し元がptrの有効性とアライメントを保証
    unsafe { &*ptr }
}

// 許容: 正当性の証明を伴うパフォーマンスクリティカルなパス
// SAFETY: ループ境界によりindexは常にlen未満
unsafe { slice.get_unchecked(index) }

Unsafeが許容されない場合

// 悪い例: 借用チェッカーをバイパスするためにunsafeを使用
// 悪い例: 便利さのためにunsafeを使用
// 悪い例: Safetyコメントなしでunsafeを使用
// 悪い例: 無関係な型間でのtransmute

モジュールシステムとクレート構造

種類ではなくドメインで整理する

my_app/
├── src/
│   ├── main.rs
│   ├── lib.rs
│   ├── auth/          # ドメインモジュール
│   │   ├── mod.rs
│   │   ├── token.rs
│   │   └── middleware.rs
│   ├── orders/        # ドメインモジュール
│   │   ├── mod.rs
│   │   ├── model.rs
│   │   └── service.rs
│   └── db/            # インフラストラクチャ
│       ├── mod.rs
│       └── pool.rs
├── tests/             # 統合テスト
├── benches/           # ベンチマーク
└── Cargo.toml

可視性 — 最小限に公開する

// 良い例: 内部共有にはpub(crate)を使用
pub(crate) fn validate_input(input: &str) -> bool {
    !input.is_empty()
}

// 良い例: lib.rsからパブリックAPIを再エクスポート
pub mod auth;
pub use auth::AuthMiddleware;

// 悪い例: すべてをpubにする
pub fn internal_helper() {} // pub(crate)またはプライベートであるべき

ツール連携

必須コマンド

# ビルドとチェック
cargo build
cargo check              # コード生成なしの高速型チェック
cargo clippy             # リントと提案
cargo fmt                # コードフォーマット

# テスト
cargo test
cargo test -- --nocapture    # println出力を表示
cargo test --lib             # ユニットテストのみ
cargo test --test integration # 統合テストのみ

# 依存関係
cargo audit              # セキュリティ監査
cargo tree               # 依存関係ツリー
cargo update             # 依存関係の更新

# パフォーマンス
cargo bench              # ベンチマークを実行

クイックリファレンス: Rustのイディオム

イディオム	説明
借用して、クローンしない	所有権が必要でない限り、クローンではなく&Tを渡す
不正な状態を表現不可能にする	列挙型を使用して有効な状態のみをモデル化する
unwrap()より?	エラーを伝搬し、ライブラリ/本番コードでは決してパニックしない
検証するよりパースする	境界で非構造化データを型付き構造体に変換する
型安全性のためのNewtype	プリミティブをnewtypeでラップして引数の入れ替えを防ぐ
ループよりイテレータを優先	宣言的なチェーンはより明確で、多くの場合高速
Resultに#[must_use]	呼び出し元に戻り値の処理を強制する
柔軟な所有権にCow	借用で十分な場合にアロケーションを回避する
網羅的なマッチング	ビジネスクリティカルな列挙型にはワイルドカード_を使用しない
最小限のpub公開範囲	内部APIにはpub(crate)を使用する

避けるべきアンチパターン

// 悪い例: 本番コードでの.unwrap()
let value = map.get("key").unwrap();

// 悪い例: 理由もなく借用チェッカーを満たすために.clone()する
let data = expensive_data.clone();
process(&original, &data);

// 悪い例: &strで十分なのにStringを使用する
fn greet(name: String) { /* &str であるべき */ }

// 悪い例: ライブラリでのBox<dyn Error>（代わりにthiserrorを使用）
fn parse(input: &str) -> Result<Data, Box<dyn std::error::Error>> { todo!() }

// 悪い例: must_use警告を無視する
let _ = validate(input); // Resultを黙って破棄

// 悪い例: asyncコンテキストでのブロッキング
async fn bad_async() {
    std::thread::sleep(Duration::from_secs(1)); // エグゼキュータをブロック!
    // 代わりに: tokio::time::sleep(Duration::from_secs(1)).await;
}

覚えておいてください: コンパイルが通れば、おそらく正しいです — ただし、unwrap()を避け、unsafeを最小限に抑え、型システムを活用している場合に限ります。