構造体に別の構造体Ａ又はＢのポインタを持たせたい

Question

前提・実現したいこと

私はこれまでC言語とPerlを使って趣味でプログラムを作ってきました。Rustは初心者です。

構造体のフィールドに、別の構造体Ａ又はＢのポインタ(Box)を持たせたいと思い
コードを自作してみたのですが、コンパイルが通りませんでした。
エラーメッセージから、型注釈が必要、matchのアームが同じ型になっていない、というあたりを
汲み取ってネットで検索したり、書籍を頼ったりしたのですが、解決できません。
型を抽象化しないといけないのではと思いimpl Traitを調べたり、
トレイトオブジェクトを調べたり、クロージャを調べたり…したのですが、
コードがどんどん複雑になってエラーも増える一方で、手に負えませんでした。

Rustにおける定番の書き方のようなものがあれば、教えて頂けないでしょうか。

該当のソースコード

fn main() {
    let x = StructX::new( TypeA );
    let y = StructX::new( TypeB );
}

enum EnumX {
    TypeA,
    TypeB,
}
use self::EnumX::*;

struct StructA {} //StructXのフィールドに入れたい構造体A
struct StructB {} //StructXのフィールドに入れたい構造体B

struct StructX<T> {
    box_pt: Box<T>, // Boxで StructA 又は StructB をくるみたい
}

impl<T> StructX<T> {
    fn new( t: EnumX ) -> Self {
        let pt = match t {
            TypeA => Box::new( StructA {} ),
            TypeB => Box::new( StructB {} ),
        };
        StructX {
            box_pt: pt,
        }
    }
}

発生している問題・エラーメッセージ

error[E0282]: type annotations needed for `StructX<T>`
 --> src/main.rs:2:13
  |
2 |     let x = StructX::new( TypeA );
  |         -   ^^^^^^^^^^^^ cannot infer type for type parameter `T`
  |         |
  |         consider giving `x` the explicit type `StructX<T>`, where the type parameter `T` is specified

error[E0308]: match arms have incompatible types
  --> src/main.rs:23:22
   |
21 |           let pt = match t {
   |  __________________-
22 | |             TypeA => Box::new( StructA {} ),
   | |                      ---------------------- this is found to be of type `std::boxed::Box<StructA>`
23 | |             TypeB => Box::new( StructB {} ),
   | |                      ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ expected struct `StructA`, found struct `StructB`
24 | |         };
   | |_________- `match` arms have incompatible types
   |
   = note: expected type `std::boxed::Box<StructA>`
            found struct `std::boxed::Box<StructB>`

error: aborting due to 2 previous errors

Some errors have detailed explanations: E0282, E0308.
For more information about an error, try `rustc --explain E0282`.
error: could not compile `tmp2`.

To learn more, run the command again with --verbose.

補足情報（FW/ツールのバージョンなど）

OS： Windows10 ＋ WSL1 ＋ Ubuntu
Rust：1.41.0

Answer 1

元のコードがコンパイルエラーになる理由ですが、impl<T> StructX<T>の型パラメータTがコンパイル時に決まらないといけないのに、new()関数にはmatch式があるためにTが実行時まで決まらないためです。（ジェネリクスの型パラメータはコンパイル時に決まらないといけません）

解決法は二つあります。

一つ目の解決法はStructAとStructBという二つの型を定義するのではなく、enumで一つの型として定義することです。

fn main() {
    let x = StructX::new(TypeA);
    let y = StructX::new(TypeB);
}

enum EnumX {
    TypeA,
    TypeB,
}

use self::EnumX::*;

enum EnumAB {
    A {},  // enumの個々のバリアントはstructのようにフィールドを持てる
    B {},
}

struct StructX {
    ab: EnumAB, // Boxは特に持たなくてよい
}

impl StructX {
    fn new(t: EnumX) -> Self {
        let ab = match t {
            TypeA => EnumAB::A {},
            TypeB => EnumAB::B {},
        };
        Self { ab }
    }
}

二つ目の解決法はトレイトを定義して、トレイトオブジェクト化することです。

// main()とEnumXの定義は上と同じなので省略

trait TraitAB {}

struct StructA {}
struct StructB {}

impl TraitAB for StructA {}
impl TraitAB for StructB {}

struct StructX {
    box_pt: Box<dyn TraitAB>,
}

impl StructX {
    fn new(t: EnumX) -> Self {
        // ptに型アノテーションを付けることで、Box<StructA>とBox<StructB>を
        // トレイトオブジェクトBox<dyn TraitAB>へ型強制（type coercion）する
        let pt: Box<dyn TraitAB> = match t {
            TypeA => Box::new(StructA {}),
            TypeB => Box::new(StructB {}),
        };
        StructX { box_pt: pt }
    }
}

もしこのプログラムをライブラリ化して、そのライブラリを使う側でTraitABを実装する型を自由に追加できるようにしたいなら、二つ目の方法を使います。そうでないなら、どちらの方法を使っても構わないです。

Comments

[hito4]

Rustのenumは、機能がリッチで驚きました。データの構造をコード化するとき、struct一辺倒ではだめなのですね。
enumとトレイトオブジェクトとの使い分けも教えて頂き、ありがとうございます。自分のコードにどちらが合っているか、参考にさせていただきます。
ご教授ありがとうございました。

Answer 2

Boxに入れる型を抽象化するには、入れたいstructに共通のトレイトを実装した上でBox<dyn Trait>を使うとよいです。

fn main() {
    let x = StructX::new( TypeA );
    let y = StructX::new( TypeB );
}

enum EnumX {
    TypeA,
    TypeB,
}
use self::EnumX::*;

struct StructA {} //StructXのフィールドに入れたい構造体A
struct StructB {} //StructXのフィールドに入れたい構造体B

/* ここより下、変更箇所 */

trait GenericStruct{} // 共通のトレイト
impl GenericStruct for StructA {} // それぞれについてトレイトを実装
impl GenericStruct for StructB {} // それぞれについてトレイトを実装

struct StructX {
    box_pt: Box<dyn GenericStruct>, // Boxに格納する型にdyn GenericStructを指定
}

impl StructX {
    fn new( t: EnumX ) -> Self {
　　　　　// 変数に型注釈をつけないとmatchで型エラーが出る
        let pt: Box<dyn GenericStruct> = match t {
            TypeA => Box::new( StructA {} ),
            TypeB => Box::new( StructB {} ),
        };
        StructX {
            box_pt: pt,
        }
    }
}

Comments

[hito4]

ご教授ありがとうございました。
トレイトオブジェクトを自分で調べた際は、確かオブジェクト安全性のエラーが出てしまい、先に進めなかったのです。今思うと、StructA/Bの方にコンストラクタを書いてしまい、そのコードにSelfが入っていたせいかもしれません…。いろいろ試して、記憶があやふやなのですが(汗)。
Box<dyn Trait>について勉強を進めてみます。