Rustでジェネリック関連型を理解する

ジェネリック関連型をRustで理解する

ジェネリック関連型に飛び込もう：Rustにおける高階型の入り口です。

ジェネリック関連型（GATs）についての少しばかりの洞察

その名前はとても長い！一体これは何でしょう？

心配しないでください。最初から分解していきましょう。Rustの構文構造をいくつか復習することから始めましょう。Rustプログラムは何で構成されていますか？答えは：_アイテム_です。

すべてのRustプログラムは、個々のアイテムで構成されています。たとえば、main.rsで構造体を定義し、2つのメソッドを持つimplブロックを追加し、最後にmain関数を記述すると、これらはクレートのモジュールアイテム内の3つのアイテムです。

_アイテム_を網羅したので、次は_関連アイテム_について話しましょう。関連アイテムはスタンドアロンのアイテムではありません！重要なのは「関連」という言葉です。何に「関連」しているのでしょうか？それは「特定の型に関連している」という意味であり、この関連付けによってSelfという特殊なキーワードを使用できます。このキーワードは、関連付けている型を指します。

関連アイテムは、トレイト定義の中括弧内、または実装ブロック内で定義できます。

関連アイテムには、関連定数、関連関数、関連型（エイリアス）の3種類があります。これらは、一般的なRustの3つのアイテム型（定数、関数、型（エイリアス））に直接対応しています。

例を見てみましょう！

#![feature(generic_associated_types)]
#![allow(incomplete_features)]
const A: usize = 42;
fn b<T>() {}
type C<T> = Vec<T>;

trait X {
    const D: usize;
    fn e<T>();
    type F<T>; // ← これが新しい部分です！以前は、ここに<T>を記述できませんでした。
}

struct S;
impl X for S {
    const D: usize = 42;
    fn e<T>() {}
    type F<T> = Vec<T>;
}

それの使い道は何ですか？

非常に便利ですが、特定の状況でのみです。Rustコミュニティでは、ジェネリック関連型の2つの古典的なユースケースがあります。それらを紹介してみましょう。

しかし、飛び込む前に、ジェネリクスを簡単に復習しましょう。「ジェネリック」という言葉は、英語で「汎用」を意味します。では、ジェネリック型とは何でしょうか？簡単に言うと、いくつかのパラメータが欠落している型です。パラメータはユーザーによって埋められます。

簡単な注意：以前の翻訳者は、「generic」を「泛型」（文字通り「汎用型」を意味する）としてレンダリングすることを選択しました。多くのシステムでは、型をパラメータ化できるためです。しかし、Rustでは、ジェネリクスは型に限定されません。実際には、型、ライフタイム、および定数の3種類のジェネリックパラメータがあります。

さて、ジェネリック型の具体的な例を次に示します：Rc<T>。これは、1つのパラメータを持つジェネリック型です。Rc自体は型ではないことに注意してください。型引数（Rc<bool>のboolなど）を指定して初めて、実際の型が得られます。

内部でデータを共有する必要があるデータ構造を記述していると想像してください。ただし、ユーザーがRcまたはArcのどちらを使用したいかを事前に知ることができません。どうすればいいでしょうか？最も簡単な方法は、コードを2回記述することです。少し不格好ですが、機能します。ちなみに、クレートimとim-rcは、一方がArcを使用し、もう一方がRcを使用することを除いて、ほぼ同一です。

実際、GATは、この問題を解決するのに最適です。ジェネリック関連型の最初の古典的なユースケースである型ファミリを見てみましょう。

タスク＃1：GATを使用して型ファミリをサポートする

さて、コンパイラにRc<T>またはArc<T>のどちらを使用するかを決定させる「セレクター」を作成しましょう。コードは次のようになります。

trait PointerFamily {
    type PointerType<T>;
}

struct RcPointer;

impl PointerFamily for RcPointer {
    type PointerType<T> = Rc<T>;
}

struct ArcPointer;

impl PointerFamily for ArcPointer {
    type PointerType<T> = Arc<T>;
}

とても簡単ですよね？これで、RcまたはArcを使用するかどうかを示すために使用できる2つの「セレクター」型を定義しました。これが実際にどのように機能するかを見てみましょう。

struct MyDataStructure<T, PointerSel: PointerFamily> {
    data: PointerSel::PointerType<T>
}

この設定では、ジェネリックパラメータはRcPointerまたはArcPointerのいずれかになり、それがデータの実際の表現を決定します。これにより、前述の2つのクレートを1つにマージできます。

タスク＃2：GATを使用してストリーミングイテレーターを実装する

別の問題があります。これはRustに固有のものです。他の言語では、この問題が存在しないか、解決を諦めています（えへん）。

問題は次のとおりです。APIで依存関係を表したいのです。入力値間、または入力と出力の間。これらの依存関係は、必ずしも表現しやすいとは限りません。Rustの解決策は何でしょうか？

あの小さなライフタイムマーカー'_です。誰もがそれを見たことがあるでしょう。これは、APIレベルでこれらの依存関係を表すために使用されます。

これを実際に見てみましょう。誰もが標準ライブラリのIteratorトレイトにおそらく精通しているでしょう。それは次のようになります。

pub trait Iterator {
    type Item;

    fn next(&'_ mut self) -> Option<Self::Item>;
    // ...
}

素晴らしいように見えますが、小さな問題があります。Item型は、Iterator自体の型（Self）にまったく依存していません。それはなぜですか？

nextを呼び出すと、一時的なライフタイムスコープ（'_'）が作成されます。これはnext関数のジェネリックパラメータです。一方、Itemはスタンドアロンの関連型です。それをライフタイムに関連付ける方法はありません。

ほとんどの場合、これは問題ではありません。ただし、一部のライブラリでは、この表現力の欠如が真の制限になります。一時ファイルを提供するイテレーターを想像してください。ユーザーは好きなときにファイルを閉じることができます。この場合、Iteratorトレイトは正常に機能します。

ただし、イテレーターが一時ファイルを生成し、そこにデータをロードし、ユーザーが使い終わった_後_にファイルを削除する必要がある場合はどうでしょうか？または、次のファイルのストレージスペースを再利用することをお勧めします。この場合、イテレーターはユーザーがアイテムの使用をいつ終了したかを知る必要があります。

これはまさにGATが役立つ場所です。これらを使用して、次のようなAPIを設計できます。

pub trait StreamingIterator {
    type Item<'a>;

    fn next(&'_ mut self) -> Option<Self::Item<'_>>;
    // ...
}

これで、実装はItemを依存型（参照など）にすることができます。型システムは、nextを再度呼び出すか、イテレーターをドロップする前に、Item値が使用されなくなったことを保証します。

あなたはとても地に足が着いていました-もう少し抽象的にできますか？

それでは、ここから、人間の言葉を話すのをやめましょう。（冗談ですが、これから抽象的になります。）注：この説明はまだ簡略化されています。たとえば、バインダーと述語は脇に置きます。

まず、ジェネリック型コンストラクターと具象型の関係を確立することから始めましょう。本質的に、それはマッピングです。

/// 疑似コード
fn generic_type_mapping(_: GenericTypeCtor, _: Vec<GenericArg>) -> Type;

たとえば、Vec<bool>では、Vecはジェネリック型の名前であり、コンストラクターでもあります。<bool>は型引数のリストです。この場合は1つだけです。両方をマッピングにフィードすると、特定の型Vec<bool>が得られます。

次に：トレイト。トレイトとは一体何でしょうか？トレイトもマッピングです。

/// 疑似コード
fn trait_mapping(_: Type, _: Trait) -> Option<Vec<AssociateItem>>;

ここで、Traitは述語と考えることができます。型について判断を下すものです。結果は、None（「このトレイトを実装していない」の意味）またはSome(items)（「この型はトレイトを実装している」の意味）のいずれかで、関連アイテムのリストが付属しています。

/// 疑似コード
enum AssociateItem {
    AssociateType(Name, Type),
    GenericAssociateType(Name, GenericTypeCtor), // ← これは新しい追加です
    AssociatedFunction(Name, Func),
    GenericFunction(Name, GenericFunc),
    AssociatedConst(Name, Const),
}

これらのうち、AssociateItem::GenericAssociateTypeは現在、Rustでgeneric_type_mappingが_間接的に_呼び出される唯一の場所です。

異なるTypeを最初のパラメーターとしてtrait_mappingに渡すことにより、同じTraitから異なるGenericTypeCtorを取得できます。次に、generic_type_mappingを適用すると、Rustの構文フレームワーク内で、異なるジェネリック型コンストラクターが特定のVec<GenericArg>引数と組み合わされます。

ちょっと寄り道：GenericTypeCtorのような構造は、一部の記事でHKTと呼ばれるものです-高階型。上記のアプローチのおかげで、Rustは初めてHKTのユーザー向けサポートを提供します。この1つの形式でしか表示されませんが、他の使用パターンをそこから構築できます。

要するに：奇妙な新しい力がアンロックされました！

歩くことを学ぶ：GATで高度な構造を模倣する

さて、まとめとして、GATを使用して他の言語のいくつかの構造を模倣してみましょう。

#![feature(generic_associated_types)]
#![allow(incomplete_features)]

trait FunctorFamily {
    type Type<T>;

    fn fmap<T, U, F>(value: Self::Type<T>, f: F) -> Self::Type<U>
    where
        F: FnMut(T) -> U;
}

trait ApplicativeFamily: FunctorFamily {
    fn pure<T>(inner: T) -> Self::Type<T>;

    fn apply<T, U, F>(value: Self::Type<T>, f: Self::Type<F>) -> Self::Type<U>
    where
        F: FnMut(T) -> U;
}

trait MonadFamily: ApplicativeFamily {
    fn bind<T, U, F>(value: Self::Type<T>, f: F) -> Self::Type<U>
    where
        F: FnMut(T) -> Self::Type<U>;
}

次に、これらのトレイトを特定の「セレクター」に実装してみましょう。

struct OptionType;

impl FunctorFamily for OptionType {
    type Type<T> = Option<T>;

    fn fmap<T, U, F>(value: Self::Type<T>, f: F) -> Self::Type<U>
    where
        F: FnMut(T) -> U,
    {
        value.map(f)
    }
}

impl ApplicativeFamily for OptionType {
    fn pure<T>(inner: T) -> Self::Type<T> {
        Some(inner)
    }

    fn apply<T, U, F>(value: Self::Type<T>, f: Self::Type<F>) -> Self::Type<U>
    where
        F: FnMut(T) -> U,
    {
        value.zip(f).map(|(v, mut f)| f(v))
    }
}

impl MonadFamily for OptionType {
    fn bind<T, U, F>(value: Self::Type<T>, f: F) -> Self::Type<U>
    where
        F: FnMut(T) -> Self::Type<U>,
    {
        value.and_then(f)
    }
}

さて、これでOptionTypeを「セレクター」として使用して、Optionの動作をFunctor、Applicative、およびMonadとして表現および実装できます。

それで-どう感じますか？まったく新しい世界の可能性を解き放ったのでしょうか？

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