Day 005 — 所有権の基礎（ムーブセマンティクス）

📚 背景知識（読んでから問題へ）

Day 003では「代入・関数呼び出しでムーブが起きること」、Day 004では「Vecの要素に対する部分ムーブが禁止されていること」を学びました。今日は一歩進んで、「関数に値を渡した後、その値をもう一度使いたい場合はどうするか」を考えます。

なぜ「渡したらもう使えない」のか

📋 コピーfn add_exclamation(msg: String) {
    println!("{}!", msg);
}

fn main() {
    let greeting = String::from("Hello");
    add_exclamation(greeting);
    println!("{}", greeting); // ← ここでエラー
}

add_exclamation(greeting)という呼び出しは、greetingが持つStringの所有権を関数の引数msgへムーブします。関数を抜けるときmsgはスコープを外れてDrop（メモリ解放）されるため、呼び出し元のgreetingはもう有効な値を指していません。Rustはこれを「ムーブ済みの値を借用しようとした」エラー（E0382）としてコンパイル時に拒否します。

解決策1: Take & Return パターン

まだ&mut（可変参照）を習っていない今の時点でも、「所有権を受け取って、変換して、返す」という形にすれば同じ変数を使い続けられます。

📋 コピーfn add_exclamation(msg: String) -> String {
    format!("{}!", msg)
}

fn main() {
    let greeting = String::from("Hello");
    let greeting = add_exclamation(greeting); // 所有権を受け取り直す
    println!("{}", greeting); // OK
}

関数がStringを引数で受け取り、変換したStringを戻り値として返す。呼び出し側はその戻り値を同じ変数名に再束縛（シャドーイング）することで、あたかも「その場で書き換えた」かのように扱えます。これは値を消費（consume）して新しい値を生成する、関数型プログラミングに近い発想です。

Copy型ならこの問題自体が起きない

i32のようなCopy型を関数に渡した場合は話が別です。

📋 コピーfn increment(n: i32) -> i32 {
    n + 1
}

fn main() {
    let n = 10;
    let n2 = increment(n);
    println!("n = {}, n2 = {}", n, n2); // n はそのまま使える
}

i32はCopyトレイトを実装しているため、increment(n)の呼び出しはnの複製を関数に渡すだけで、元のnは影響を受けません。「渡した後も元の変数が使えるかどうか」は、その型がCopyかどうかで根本的に挙動が変わる——これがRustの所有権システムの核心です。

📝 問題

1. デバッグ課題: 冒頭のadd_exclamation（戻り値なし版）のコードをコンパイルすると発生するエラーについて、エラーコード（E0xxx）とおおまかなメッセージ内容を予想してください
2. 実装課題A: 次の2つの関数を実装してください
   • fn add_prefix(msg: String, prefix: &str) -> String — msgの先頭にprefixを付けた新しいStringを返す
   • fn add_suffix(msg: String, suffix: &str) -> String — msgの末尾にsuffixを付けた新しいStringを返す
3. 実装課題B: mainの中で、let mut s = String::from("Hello");から始めて、上記2関数をTake & Returnパターンで連続して呼び出し、最終的に"[LOG] Hello [END]"という文字列を作ってください
4. 比較実装課題: fn increment(n: i32) -> i32 を実装し、increment呼び出し後も元のi32変数がそのまま使えることを確認するコードを書いてください。「なぜStringはTake & Returnが必要でi32は不要なのか」をコメントで1〜2行説明してください
5. 修正課題: 冒頭のエラーになるコードを、Take & Returnパターンを使って修正してください（add_exclamationがStringを返すように変更する）

🔍 ヒント（段階的開示）

📋 コピーfn add_prefix(msg: String, prefix: &str) -> String {
    // format!("{}{}", prefix, msg) を返す
}

fn add_suffix(msg: String, suffix: &str) -> String {
    // format!("{}{}", msg, suffix) を返す
}

fn increment(n: i32) -> i32 {
    n + 1
}

fn add_exclamation(msg: String) -> String {
    // format!("{}!", msg) を返す
}

fn main() {
    let mut s = String::from("Hello");
    s = add_prefix(s, "[LOG] ");
    s = add_suffix(s, /* ここに suffix を渡す */);
    println!("{}", s);

    let n = 10;
    let n2 = increment(n);
    // n はここでも使える。理由をコメントで書く

    let greeting = String::from("Hello");
    let greeting = add_exclamation(greeting);
    println!("{}", greeting);
}

✅ 模範解答

📋 コピーfn add_prefix(msg: String, prefix: &str) -> String {
    format!("{}{}", prefix, msg)
}

fn add_suffix(msg: String, suffix: &str) -> String {
    format!("{}{}", msg, suffix)
}

fn increment(n: i32) -> i32 {
    n + 1
}

fn add_exclamation(msg: String) -> String {
    format!("{}!", msg)
}

fn main() {
    // --- 実装課題A・B: Take & Return パターンでStringを変換チェーンする ---
    let mut s = String::from("Hello");
    s = add_prefix(s, "[LOG] "); // sの所有権をadd_prefixへ渡し、戻り値を再度sへ束縛
    s = add_suffix(s, " [END]"); // 同様にadd_suffixへ渡して受け取り直す
    println!("{}", s); // => [LOG] Hello [END]

    println!("---");

    // --- 比較実装課題: Copy型(i32)は所有権が移動しない ---
    let n = 10;
    let n2 = increment(n);
    // i32はCopy トレイトを実装しているため、increment(n) は n の複製を渡すだけ。
    // 関数呼び出し後もnの所有権はmainに残ったままなので、そのまま使い続けられる。
    println!("n = {}, n2 = {}", n, n2); // => n = 10, n2 = 11

    println!("---");

    // --- 修正課題: Take & Returnでadd_exclamationを安全に呼び出す ---
    let greeting = String::from("Hello");
    let greeting = add_exclamation(greeting); // 戻り値を同名でシャドーイング
    println!("{}", greeting); // => Hello!
}

#[cfg(test)]
mod tests {
    use super::*;

    #[test]
    fn test_pipeline() {
        let mut s = String::from("Hello");
        s = add_prefix(s, "[LOG] ");
        s = add_suffix(s, " [END]");
        assert_eq!(s, "[LOG] Hello [END]");
    }

    #[test]
    fn test_copy_type_unaffected_after_call() {
        let n = 10;
        let n2 = increment(n);
        assert_eq!(n, 10); // Copy型なのでincrement呼び出し後もnは無傷
        assert_eq!(n2, 11);
    }

    #[test]
    fn test_add_exclamation_take_and_return() {
        let greeting = String::from("Hello");
        let greeting = add_exclamation(greeting);
        assert_eq!(greeting, "Hello!");
    }
}

$ cargo run
[LOG] Hello [END]
---
n = 10, n2 = 11
---
Hello!

$ cargo test
running 3 tests
test tests::test_add_exclamation_take_and_return ... ok
test tests::test_copy_type_unaffected_after_call ... ok
test tests::test_pipeline ... ok

test result: ok. 3 passed; 0 failed; 0 ignored; 0 measured; 0 filtered out

🪜 Step-by-Step 解説

📋 コピーfn add_exclamation(msg: String) {
    println!("{}!", msg);
}

fn main() {
    let greeting = String::from("Hello");
    add_exclamation(greeting); // ここでgreetingの所有権がmsgへムーブ
    println!("{}", greeting);  // ← E0382
}

📋 コピーfn add_exclamation(msg: String) -> String {
    format!("{}!", msg)
}

let greeting = String::from("Hello");
let greeting = add_exclamation(greeting);

📋 コピーlet mut s = String::from("Hello");
s = add_prefix(s, "[LOG] ");
s = add_suffix(s, " [END]");

📋 コピーlet n = 10;
let n2 = increment(n);
println!("n = {}, n2 = {}", n, n2);

💡 設計思想・なぜこう書くのか

🛑 コンパイルエラーが出た場合

冒頭の戻り値なし版add_exclamationをそのままコンパイルすると、次のようなエラーが出ます。

📋 コピーfn add_exclamation(msg: String) {
    println!("{}!", msg);
}

fn main() {
    let greeting = String::from("Hello");
    add_exclamation(greeting);
    println!("{}", greeting);
}

読み方:

• error[E0382]: 「ムーブ済みの値を借用しようとした」エラー。所有権が既に別の場所へ移動した後の変数を、読み取ろうとしたときに出ます
• move occurs because ... does not implement the Copy trait: StringがCopyを実装していないため、add_exclamation(greeting)の呼び出しがムーブとして扱われたことを説明しています
• value moved here / value borrowed here after move: それぞれ「ここでムーブが起きた」「その後ここで使おうとした」という2箇所を対応付けて示してくれます

修正方法: 「模範解答」セクションのように、add_exclamationがStringを返すように変更し、呼び出し側でlet greeting = add_exclamation(greeting);と受け取り直します。

🌐 他言語との比較

Go/Java/TypeScriptのようにGCがある言語では「値を渡した後も元の変数を自由に使い続けられる」のが当たり前の感覚です。Rustで初めてこのE0382エラーに出会うと戸惑いやすいですが、これは「GCの代わりに、コンパイル時の所有権チェックで安全性を担保する」というRustの根本設計から来る、意図的な制約です。

🏆 実務での使いどころ

• Builder風のメソッドチェーン: 今日学んだ「値を消費して新しい値を返す」考え方は、後のテーマで学ぶselfを消費する（fn method(self) -> Self）ビルダーパターンの土台になります。implとメソッドチェーンを学ぶDay 006以降で、この考え方がそのまま活きます
• イテレータチェーン: vec.into_iter().map(|x| x + 1).collect()のような処理も、内部的には「所有権を受け取り、変換し、次に渡す」という今日のTake & Returnパターンと同じ思想で設計されています
• 不変性を重視した設計: 「値を書き換える」のではなく「新しい値を作って返す」設計は、並行処理（Phase 3で学ぶArc<Mutex<T>>等）において、共有状態の書き換えによるバグを避けるための基本戦略にもつながります
• APIシグネチャ設計の判断材料: 「呼び出し後に元のデータが必要かどうか」を考えるとき、不要ならTake & Returnやinto_iter()のようにムーブで良く、必要なら次テーマで学ぶ&mutを使う、という判断基準が今日の内容で身につきます

⚠️ よくある誤解・ミス

🚀 次のステップ

• 発展: 今日実装したadd_prefix・add_suffixを、&mut Stringを引数に取る形（fn add_prefix(msg: &mut String, prefix: &str)、内部でmsg.insert_str(0, prefix)を使う）に書き換えてみてください。戻り値を受け取り直す必要がなくなることを体感できます
• 次回予告: Day 006以降で借用と参照（& と &mut）へ本格的に進みます。「同時に複数の可変参照を持てない」という借用規則の意味と、今日のTake & Returnパターンとの使い分けを学びます

🎯 自己評価

自分の回答

気づき・メモ