～状態遷移の型安全な表現と型レベルプログラミング～

第19回：型システムの応用

～状態遷移の型安全な表現と型レベルプログラミング～

はじめに

Rustの型システムを活用して、コンパイル時に安全性を保証する高度なプログラミングパターンについて解説します。

状態遷移の型安全な表現

// 状態を表す型レベルマーカー
pub trait State {}

// 初期状態
pub struct Initial;
impl State for Initial {}

// 検証済み状態
pub struct Validated;
impl State for Validated {}

// 処理済み状態
pub struct Processed;
impl State for Processed {}

// 完了状態
pub struct Completed;
impl State for Completed {}

// 状態遷移を持つデータ構造
pub struct StatefulData<S: State> {
    data: Vec<u8>,
    metadata: HashMap<String, String>,
    _state: PhantomData<S>,
}

impl StatefulData<Initial> {
    pub fn new(data: Vec<u8>) -> Self {
        Self {
            data,
            metadata: HashMap::new(),
            _state: PhantomData,
        }
    }
    
    pub fn validate(self) -> Result<StatefulData<Validated>, ValidationError> {
        // バリデーションロジック
        if self.data.is_empty() {
            return Err(ValidationError::EmptyData);
        }
        
        Ok(StatefulData {
            data: self.data,
            metadata: self.metadata,
            _state: PhantomData,
        })
    }
}

impl StatefulData<Validated> {
    pub fn process(mut self) -> Result<StatefulData<Processed>, ProcessError> {
        // 処理ロジック
        self.metadata.insert("processed_at".to_string(), 
                           SystemTime::now().to_string());
        
        Ok(StatefulData {
            data: self.data,
            metadata: self.metadata,
            _state: PhantomData,
        })
    }
}

依存型のエミュレーション

// サイズ制約を持つベクター
pub struct SizedVector<T, const N: usize> {
    data: Vec<T>,
    _size: PhantomData<[T; N]>,
}

impl<T, const N: usize> SizedVector<T, N> {
    pub fn new() -> Self {
        Self {
            data: Vec::with_capacity(N),
            _size: PhantomData,
        }
    }
    
    pub fn push(&mut self, value: T) -> Result<(), CapacityError> {
        if self.data.len() >= N {
            return Err(CapacityError::Overflow);
        }
        self.data.push(value);
        Ok(())
    }
}

// 範囲制約を持つ数値型
pub struct Bounded<T, const MIN: i64, const MAX: i64> {
    value: T,
}

impl<T: Into<i64> + From<i64>, const MIN: i64, const MAX: i64> Bounded<T, MIN, MAX> {
    pub fn new(value: T) -> Result<Self, BoundError> {
        let numeric_value: i64 = value.into();
        if numeric_value < MIN || numeric_value > MAX {
            return Err(BoundError::OutOfRange);
        }
        Ok(Self { value })
    }
    
    pub fn get(&self) -> T {
        self.value
    }
}

型レベルプログラミング

// 型レベル数値
pub trait TypeNum {
    const VALUE: usize;
}

// 型レベルゼロ
pub struct Zero;
impl TypeNum for Zero {
    const VALUE: usize = 0;
}

// 型レベル後続
pub struct Succ<N: TypeNum>;
impl<N: TypeNum> TypeNum for Succ<N> {
    const VALUE: usize = N::VALUE + 1;
}

// 型レベルリスト
pub struct TypeNil;
pub struct TypeCons<H, T>;

pub trait TypeList {
    type Length: TypeNum;
}

impl TypeList for TypeNil {
    type Length = Zero;
}

impl<H, T: TypeList> TypeList for TypeCons<H, T> {
    type Length = Succ<T::Length>;
}

// 型レベル演算
pub trait Add<Rhs> {
    type Output;
}

impl<Rhs: TypeNum> Add<Rhs> for Zero {
    type Output = Rhs;
}

impl<N: TypeNum, Rhs: TypeNum> Add<Rhs> for Succ<N>
where
    N: Add<Rhs>,
{
    type Output = Succ<N::Add<Rhs>>;
}

実装例：型安全なステートマシンの実装

// ステートマシンの実装例
pub trait Transition<From, To> {
    fn execute(from: Machine<From>) -> Result<Machine<To>, TransitionError>;
}

pub struct Machine<S: State> {
    state: PhantomData<S>,
    context: StateContext,
}

// 状態遷移の定義
pub struct StartTransition;
impl Transition<Initial, Running> for StartTransition {
    fn execute(from: Machine<Initial>) -> Result<Machine<Running>, TransitionError> {
        // 起動処理
        Ok(Machine {
            state: PhantomData,
            context: from.context.start()?,
        })
    }
}

pub struct PauseTransition;
impl Transition<Running, Paused> for PauseTransition {
    fn execute(from: Machine<Running>) -> Result<Machine<Paused>, TransitionError> {
        // 一時停止処理
        Ok(Machine {
            state: PhantomData,
            context: from.context.pause()?,
        })
    }
}

// 使用例
async fn run_state_machine() -> Result<(), MachineError> {
    let initial = Machine::<Initial>::new();
    
    // 型安全な状態遷移
    let running = StartTransition::execute(initial)?;
    let paused = PauseTransition::execute(running)?;
    
    // コンパイル時エラー:
    // let error = PauseTransition::execute(paused); // すでにPaused状態なのでコンパイルエラー
    
    Ok(())
}

// 高度なステートマシンの実装
pub struct AdvancedStateMachine<S: State> {
    state: PhantomData<S>,
    data: StatefulData<S>,
    transitions: TransitionRegistry,
}

impl<S: State> AdvancedStateMachine<S> {
    pub fn transition<T, To>(self) -> Result<AdvancedStateMachine<To>, TransitionError>
    where
        T: Transition<S, To>,
        To: State,
    {
        // 遷移の実行
        let next = T::execute(self.into_machine())?;
        
        Ok(AdvancedStateMachine {
            state: PhantomData,
            data: next.data,
            transitions: self.transitions,
        })
    }
    
    pub fn register_observer<O: StateObserver<S>>(&mut self, observer: O) {
        self.transitions.register_observer(observer);
    }
}

今回のまとめ

1. 型を利用した状態遷移の安全性保証
2. 依存型のエミュレーション手法
3. 型レベルプログラミングの実践
4. 型安全なステートマシンの実装

次回予告

第20回では、WITとシリアライゼーションについて解説します。Component Model統合とクロスプラットフォームデータ交換の実装について詳しく見ていきます。

参考資料

• Type-Level Programming in Rust
• State Machine Design Patterns
• Advanced Type System Features
• Type-Safe API Design