Rust における derive とは何か？

Rust 言語において、derive はコンパイラが特定のトレイトの基本的な実装を提供できるようにする属性です。これらのトレイトは手動で実装することもでき、より複雑な動作を実現できます。

derive の登場によって解決された問題とは？

derive 属性の登場によって、一部のトレイトを手動で実装する際に発生する大量の重複コードの問題が解決されました。コンパイラがこれらのトレイトの基本実装を自動生成できるため、プログラマが記述するコードの量を減らすことができます。

derive の使い方

derive 属性を使用するには、型定義（例えば構造体や列挙型）に #[derive(...)] を追加するだけです。この ... の部分には、基本実装を提供したいトレイトのリストを記述します。

例えば、以下のシンプルな例では、derive を使って PartialEq と Debug トレイトを実装しています。

#[derive(PartialEq, Debug)]
struct Point {
    x: f64,
    y: f64,
}

fn main() {
    let p1 = Point { x: 1.0, y: 2.0 };
    let p2 = Point { x: 1.0, y: 2.0 };
    assert_eq!(p1, p2);
    println!("{:?}", p1);
}

よく使われる derive 属性

derive で自動実装できる一般的なトレイトには、多くの種類があります。例えば、比較用のトレイト（Eq、PartialEq、Ord、PartialOrd）、クローン用のトレイト（Clone）、デバッグ用のトレイト（Debug）などです。これらのトレイトは、より複雑な動作を必要とする場合には手動で実装することもできます。

以下に、それぞれの derive をどのように使用するかについての具体的なコード例を示します。

Eq と PartialEq

この 2 つのトレイトは、2 つの値が等しいかどうかを比較するために使用されます。
PartialEq は部分的な等価性を許可し、Eq は完全な等価性を要求します。

以下のシンプルな例では、derive を使って PartialEq と Eq トレイトを実装しています。

#[derive(PartialEq, Eq)]
struct Point {
    x: i32,
    y: i32,
}

fn main() {
    let p1 = Point { x: 1, y: 2 };
    let p2 = Point { x: 1, y: 2 };
    assert_eq!(p1, p2);
}

Ord と PartialOrd

この 2 つのトレイトは、2 つの値の大小を比較するために使用されます。
PartialOrd は部分的な比較を許可し、Ord は完全な比較を要求します。

以下のシンプルな例では、derive を使って PartialOrd と Ord トレイトを実装しています。

#[derive(PartialOrd, Ord)]
struct Point {
    x: i32,
    y: i32,
}

fn main() {
    let p1 = Point { x: 1, y: 2 };
    let p2 = Point { x: 2, y: 1 };
    assert!(p1 < p2);
}

Copy

このトレイトは、値のコピーを作成するために使用されます。
&T から T を作成できるようになります。

ある変数を別の変数に代入する際、その型が Copy トレイトを実装していれば、新しいコピーが作成されます。
これは、ムーブセマンティクスとは異なり、元の変数も引き続き使用できます。

derive を使って Copy トレイトを自動実装するには、型定義の前に #[derive(Copy)] を追加するだけです。
例えば、以下のように記述します。

#[derive(Copy)]
struct Point {
    x: i32,
    y: i32,
}

fn main() {
    let p1 = Point { x: 1, y: 2 };
    let p2 = p1;
    assert_eq!(p1.x, p2.x);
    assert_eq!(p1.y, p2.y);
}

ただし、すべての型が Copy トレイトを実装できるわけではありません。
例えば、ヒープメモリに割り当てられるフィールド（String や Vec<T> など）を持つ型は Copy を実装できません。
また、Drop トレイトを実装している型も Copy を実装できません。
なぜなら、値が破棄されるときにデストラクタが呼び出されますが、Copy を実装している場合、コピーが作成されることでデストラクタが複数回実行される可能性があり、未定義の動作を引き起こすからです。

ヒープに割り当てられたリソースをコピーしたい場合は、Clone トレイトを使用します。

Clone

このトレイトは、値のコピーを作成するために使用されます。
&T から T を作成できるようになります。

ほぼすべての型は Clone トレイトを実装できます。
Clone トレイトは clone メソッドを提供し、型のインスタンスのディープコピーを作成します。

Copy トレイトと異なり、Clone トレイトはビット単位のコピーを要求しません。
そのため、ヒープメモリに割り当てられたフィールド（String や Vec<T> など）を持つ型でも Clone を実装できます。

derive を使って Clone トレイトを自動実装するには、型定義の前に #[derive(Clone)] を追加するだけです。
例えば、以下のように記述します。

#[derive(Clone)]
struct Point {
    x: i32,
    y: i32,
}

fn main() {
    let p1 = Point { x: 1, y: 2 };
    let p2 = p1.clone();
    assert_eq!(p1.x, p2.x);
    assert_eq!(p1.y, p2.y);
}

ただし、すべての型が derive を使用して Clone を自動実装できるわけではありません。
型の一部のフィールドが Clone を実装していない場合、その型は手動で Clone を実装する必要があります。

Debug

このトレイトは、値のデバッグ用の文字列表現を生成するために使用されます。

以下は、derive を使って Debug トレイトを実装するシンプルな例です。

#[derive(Debug)]
struct Point {
    x: i32,
    y: i32,
}

fn main() {
    let p = Point { x: 1, y: 2 };
    println!("{:?}", p);
}

derive の欠点や制約

derive 属性を使用すると、特定のトレイトの基本的な実装を素早く作成できますが、いくつかの欠点や制約もあります。

自動生成された実装の柔軟性の欠如
コンパイラが生成する実装は基本的なものに限られます。より複雑な動作が必要な場合は、手動でトレイトを実装する必要があります。
使用できるトレイトが限定されている
derive を適用できるのは、一部の特定のトレイトに限られています。例えば、カスタムのトレイトには derive を使用できず、手動での実装が必要になります。