RustにおけるTraitの解説：基本から応用まで

Posted at 2025-03-02

trait とは

Rust において、trait は共有の振る舞いを定義する方法です。trait を使うことで、特定の型が実装しなければならないメソッドを指定でき、ポリモーフィズムやインターフェースの抽象化を実現できます。

以下に、Printable という名前の trait を定義する簡単な例を示します。この trait には print というメソッドが含まれています。

trait Printable {
    fn print(&self);
}

trait の定義と実装

trait を定義するには、trait キーワードを使用し、その後に trait 名と中括弧 {} を続けます。中括弧内に、この trait に含めるメソッドを定義します。

trait を実装するには、impl キーワードを使用し、続けて trait 名と for キーワードを記述し、その後に trait を実装する型を指定します。中括弧 {} の中で、その型に対して trait に含まれるすべてのメソッドを実装する必要があります。

以下の例では、先ほど定義した Printable trait を i32 型に対して実装しています。

impl Printable for i32 {
    fn print(&self) {
        println!("{}", self);
    }
}

この例では、i32 型に対して Printable trait を実装し、print メソッドのシンプルな実装を提供しています。

trait の継承と合成

Rust では、既存の trait を拡張するために、継承や合成を使用できます。継承を使うと、親 trait に定義されたメソッドを新しい trait で再利用できます。一方、合成を使うと、複数の異なる trait を新しい trait に組み合わせることができます。

以下は、継承を使って Printable trait を拡張する方法を示した例です。

trait PrintableWithLabel: Printable {
    fn print_with_label(&self, label: &str) {
        print!("{}: ", label);
        self.print();
    }
}

この例では、新しい PrintableWithLabel trait を定義し、Printable trait を継承しています。つまり、PrintableWithLabel を実装する型は、必ず Printable trait も実装しなければなりません。さらに、PrintableWithLabel には print_with_label という新しいメソッドが定義されており、値を出力する前にラベルを表示できます。

次に、合成を使用して新しい trait を定義する例を示します。

trait DisplayAndDebug: Display + Debug {}

この例では、新しい DisplayAndDebug trait を定義し、標準ライブラリの Display と Debug trait を組み合わせています。したがって、DisplayAndDebug trait を実装する型は、Display と Debug の両方を実装している必要があります。

trait をパラメータや戻り値として使用する

Rust では、関数のシグネチャ内で trait をパラメータや戻り値として使用できます。これにより、より汎用的で柔軟なコードを記述できます。

以下に、先ほど定義した PrintableWithLabel trait を関数のパラメータとして使用する例を示します。

fn print_twice<T: PrintableWithLabel>(value: T) {
    value.print_with_label("First");
    value.print_with_label("Second");
}

この例では、print_twice という関数を定義し、汎用型 T を引数として受け取ります。この T は PrintableWithLabel trait を実装している必要があります。そして、関数内では value の print_with_label メソッドを 2 回呼び出しています。

次に、trait を関数の戻り値として使用する例を示します。

fn get_printable() -> impl Printable {
    42
}

しかし、fn get_printable() -> impl Printable { 42 } というコードは正しくありません。なぜなら 42 は整数型であり、Printable trait を実装していないためです。

正しい方法としては、Printable trait を実装した型を戻り値として返すことです。例えば、i32 型に対して Printable trait を実装すれば、次のように記述できます。

impl Printable for i32 {
    fn print(&self) {
        println!("{}", self);
    }
}

fn get_printable() -> impl Printable {
    42
}

この例では、i32 型に Printable trait を実装し、シンプルな print メソッドを定義しています。そして、get_printable 関数は i32 型の値 42 を返します。i32 は Printable trait を実装しているため、このコードは正しく動作します。

trait オブジェクトと静的ディスパッチ

Rust では、ポリモーフィズムを実現するために、静的ディスパッチと動的ディスパッチの 2 つの方法を使用できます。

静的ディスパッチ

静的ディスパッチは、ジェネリクスを使用することで実現されます。ジェネリクスを使うと、コンパイラはそれぞれの型ごとに個別のコードを生成します。これにより、どのメソッドを呼び出すかがコンパイル時に決定されます。

動的ディスパッチ

一方、動的ディスパッチは trait オブジェクトを使用することで実現されます。trait オブジェクトを使用すると、コンパイラは汎用的なコードを生成し、どのメソッドを呼び出すかは実行時に決定されます。

以下に、静的ディスパッチと動的ディスパッチを使用してポリモーフィズムを実現する例を示します。

fn print_static<T: Printable>(value: T) {
    value.print();
}

fn print_dynamic(value: &dyn Printable) {
    value.print();
}

この例では、2 つの関数 print_static と print_dynamic を定義しています。

print_static 関数はジェネリクス T を使用しており、T は Printable trait を実装している必要があります。この関数を呼び出すと、コンパイラはそれぞれの型に対して個別のコードを生成します（静的ディスパッチ）。
print_dynamic 関数は &dyn Printable という trait オブジェクトを受け取ります。この場合、コンパイラは 1 つの汎用的なコードを生成し、実行時にどのメソッドを呼び出すかを決定します（動的ディスパッチ）。