【Rust】クロージャ(ラムダ)に絡むコードがRubyなら簡単に動くがRustではコンパイルエラーになるのを解決したい。

Question

Rubyなら簡単に動かせるコードをRustでも実現したい

こんにちは。Rustでソフトウェアを開発しています。

問題が二つあるので簡単に説明します。まずは記事中「問題のRustのコード」を確認していただきたいのですが、

• (*self.renderer)()でクロージャ実行をしたいが共有参照&mutが関与しているのが原因なのかFのムーブが関与しているのが原因なのか、型サイズが不明なのが原因なのか、クロージャが呼べません。
• ライフタイムの関係でクロージャ内の一時変数がドロップされるのが理由なのか、構造体にそのクロージャを持たせたいのですが上手くできません。(こちらの方が特に問題)

これらを解決したいです。

検証のため問題を再現した最小のRustのコードを以下に用意しました。

もしご存じの方いらっしゃれば教えていただけないでしょうか。

（Rubyでは実行できることを確認したので追記しました。）

本題

動作するRubyのコード

Rubyでなら同じ問題は起こりません。

class Card
  def initialize(renderer)
    @renderer = renderer
  end
  def render
    @renderer[]
  end
end

class Presenter
  def get
    "Message"
  end
end

class App
  def initialize
    @presenter = Presenter.new
    @card = Card.new(->() { "" })
  end
  def setup
    @presenter = Presenter.new
    @card = Card.new(->() { @presenter.get() })
  end
  def update
    puts @card.render # => "Message"と表示される
  end
end

def main
    app = App.new
    app.setup
    app.update
end

main

問題のRustのコード（検証用）

そしてこちらが問題です。

struct Presenter;

impl Presenter {
    pub fn get(&self) -> String {
        "Message".to_string()
    }
}

struct Card<'a, F>
where
    F: ?Sized + FnOnce() -> String,
{
    renderer: &'a F,
}

impl<'a, F> Card<'a, F>
where
    F: ?Sized + FnOnce() -> String,
{
    pub fn new(renderer: &'a F) -> Self {
        Self { renderer: renderer }
    }
    pub fn render(&self) -> String {
        (*self.renderer)() // コンパイルエラー
    }
}

struct App<'a> {
    presenter: Presenter,
    card: Card<'a, dyn FnOnce() -> String>,
}

impl<'a> App<'a> {
    pub fn new() -> Self {
        Self {
            presenter: Presenter,
            card: Card::new(&|| "".to_string()),
        }
    }
    pub fn setup(&mut self) {
        self.card = Card::new(&|| self.presenter.get()); // コンパイルエラー
    }
    pub fn update(&mut self) {
        println!("{:?}", self.card.render());
    }
}

fn main() {
    let mut app = App::new();
    app.setup();
    app.update();
}

エラーメッセージ抜粋

error[E0161]: cannot move a value of type F: the size of F cannot be statically determined
  --> src/main.rs:24:9
   |
24 |         (*self.renderer)()
   |         ^^^^^^^^^^^^^^^^

error[E0507]: cannot move out of `*self.renderer` which is behind a shared reference
  --> src/main.rs:24:9
   |
24 |         (*self.renderer)()
   |         ^^^^^^^^^^^^^^^^ move occurs because `*self.renderer` has type `F`, which does not implement the `Copy` trait

error: lifetime may not live long enough
  --> src/main.rs:41:31
   |
40 |     pub fn setup(&mut self) {
   |                  - let's call the lifetime of this reference `'1`
41 |         self.card = Card::new(&|| self.presenter.get());
   |                               ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ cast requires that `'1` must outlive `'static`

error[E0716]: temporary value dropped while borrowed
  --> src/main.rs:41:32
   |
33 | impl<'a> App<'a> {
   |      -- lifetime `'a` defined here
...
41 |         self.card = Card::new(&|| self.presenter.get());
   |         -----------------------^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^-
   |         |                      |
   |         |                      creates a temporary which is freed while still in use
   |         assignment requires that borrow lasts for `'a`
42 |     }
   |     - temporary value is freed at the end of this statement

ご回答のほどよろしくお願いいたします。

Answer 1

コンパイルエラーの解消法はひとつではなく、どれも一長一短になりそうです。CardのrendererがFnOnceという一回だけ呼べるクロージャーになっているので、この回答ではFnOnceは保ったまま、他を変えることでコンパイルエラーを解消してみました。

以下のように修正すると、コンパイルエラーが解消します。

use std::rc::Rc;

struct Presenter;

impl Presenter {
    pub fn get(&self) -> String {
        "Message".to_string()
    }
}

struct Card<F> {
    // クロージャーを借用するのではなく、所有する
    // Rustの値（クロージャーなど）は所有者がいないと存在できないため、誰かが所有者に
    // なる必要がある
    // また、FnOnceは1回しかコールできないので、Option型にして、コール時にNoneにする
    renderer: Option<F>,
}

impl<F> Card<F>
where
    F: FnOnce() -> String,
{
    pub fn new(renderer: Option<F>) -> Self {
        Self { renderer }
    }

    pub fn render(&mut self) -> String {
        // Option型のtakeメソッドは、参照先の値をNoneと交換することで、
        // 値をムーブアウトさせる。（self.rendererがNoneになる）
        let renderer = self.renderer.take().expect("renderer is none");
        // クロージャーをコールする
        // FnOnceクロージャーは環境を無名関数内へムーブして消費する
        renderer()
    }
}

struct App {
    // Rcは参照カウント式のスマートポインター
    // Rcを使うと1つの値に対して複数の所有者を持たせられる
    // ここでは、所有者の一人はApp、もう一人はCardが持つrendererクロージャーになる
    //
    // Rustでは自己参照構造体は作れないので
    // self -> card -> renderer -> self -> presenterのように
    // selfから始まる参照の連鎖の先にselfを含めることはできない
    // Rcを使って、self.presenterとcard.redererの両方をPresenterの所有者にさせる
    presenter: Rc<Presenter>,
    // クロージャーの型はコンパイラーが自動生成する匿名型になるので、ここでFの型に
    // その具象型を指定できない。トレイトオブジェクト型にしておく
    card: Card<Box<dyn FnMut() -> String>>,
}

impl App {
    pub fn new() -> Self {
        Self {
            presenter: Rc::new(Presenter),
            card: Card::new(None),
        }
    }

    // &selfを&mut selfに変更
    pub fn setup(&mut self) {
        // presenterを所有するためのRCポインターを作る
        let my_presenter = Rc::clone(&self.presenter);
        // そのRcポインターをクロージャーの環境にムーブすることで、自己参照を回避する
        self.card = Card::new(Some(Box::new(move || my_presenter.get())));
    }

    pub fn update(&mut self) {
        println!("{:?}", self.card.render());
    }
}

fn main() {
    let mut app = App::new();
    app.setup();
    app.update();
}

発生していたエラーについて説明します。

error[E0507]: cannot move out of `*self.renderer` which is behind a shared reference
  --> src/main.rs:24:9
   |
24 |         (*self.renderer)()

(*self.renderer)()でクロージャ実行をしたいが共有参照&mutが関与しているのが原因なのかFのムーブが関与しているのが原因なのか、型サイズが不明なのが原因なのか、クロージャが呼べません。

Fのムーブが関与しています。

クロージャーは捕捉した環境と無名関数からなるデーター構造です。FnOnceクロージャーをコールすると、環境の所有権が無名関数に移動し、消費されます。そのため1度だけコールできます。上のエラーは、環境をself.renderフィールドから、無名関数へムーブしなければならないのに、selfが不変参照&の先にありrenderの値がムーブできないために起こっています。

エラーを解消するには、上のコードのようにOption::takeでムーブする、または、FnOnceをやめて、FnMutなどの他のクロージャーに変える必要があります。（FnMutは環境の可変参照&mutをとり、Fnは環境の不変参照&をとりますので、環境をムーブしません）

error: lifetime may not live long enough
  --> src/main.rs:41:31
   |
40 |     pub fn setup(&mut self) {
   |                  - let's call the lifetime of this reference `'1`
41 |         self.card = Card::new(&|| self.presenter.get());
   |                               ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ cast requires that `'1` must outlive `'static`

self.cardに、self.presenterという自分（self）への参照をもつクロージャーをセットしようとしていますが、SafeなRustでは、このような自己参照構造体を作れません。それぞれの&selfが異なるライフタイムを持つことが求められ、矛盾が生じてコンパイルエラーになります。

エラーを解消するには、上のコードのようにRcなどを使って自己参照を断ち切る必要があります。

error[E0716]: temporary value dropped while borrowed
  --> src/main.rs:41:32
   |
33 | impl<'a> App<'a> {
   |      -- lifetime `'a` defined here
...
41 |         self.card = Card::new(&|| self.presenter.get());
   |         -----------------------^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^-
   |         |                      |
   |         |                      creates a temporary which is freed while still in use
   |         assignment requires that borrow lasts for `'a`
42 |     }
   |     - temporary value is freed at the end of this statement

ライフタイムの関係でクロージャ内の一時変数がドロップされるのが理由なのか、構造体にそのクロージャを持たせたいのですが上手くできません。

クロージャーに所有者がいないためにライフタイム関係のエラーになっています。

Rustの値は所有者がいる間だけ存在できます。参照&は、誰か他に所有者がいる値を一時的に借用するためのものです。上のコードではクロージャーを作って、それの参照をCardに持たせています。しかし、クロージャーの所有者がいませんので、この式を抜けるとクロージャーがドロップされ、参照が無効（ダングリングポインター）になってしまいます。

エラーを解消するには、クロージャーをCardに所有させる必要があります。

Comments

[akira_kano1101]

やりたかったことはこれです。
質問、二つとも腑に落ちました。

非常に助かりました。分かりやすかったです。ありがとうございます。