Chat 'ChatTitle(text=String型の内部実装と挙動, isCustom=true)' (8a4a9318-8258-4dbe-844e-390df6678c66)
User: 添付コードのwrite!の第1引数はmut Stringだと思いますが、Stringが内部的にはVecであることから書き込みが成立する、と考えて良いケースですか？ String（実態はバイト列）を便利に使えるのは type String = Vec; impl String { fn as_ptr(&self) ... } こんな感じの実装になってるんでしょうか
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Attachment Name: Information about open file in the editor Attachments Kind: Visible Attachments Text:
use std::sync::Arc; // Rcの代わりにArcを使用
use std::thread::spawn;
use std::fmt::Write;
fn main() {
let a: String = "Hello, world!".to_string();
dbg!(&a);
println!("{:?}", &a.len());
println!("{:?}", &a.as_ptr());
println!("{:?}", a.capacity());
println!();
let mut b = String::with_capacity(64);
write!(b, "Hello, world!").unwrap();
dbg!(&b);
println!("{:?}", &b.len());
println!("{:?}", &b.as_ptr());
println!("{:?}", b.capacity());
// spawn({
// let a = Arc::clone(&a); // Arcの参照を安全にクローニング
// move || {
// dbg!(a);
// }
// }).join().unwrap(); // スレッドを待機（エラー回避のため追加）
}Attachment Name: Selection Attachments Kind: Visible Attachments Text:
let mut b = String::with_capacity(64);
write!(b, "Hello, world!").unwrap();
dbg!(&b);
println!("{:?}", &b.len());
println!("{:?}", &b.as_ptr());
println!("{:?}", b.capacity());
Assistant:
String型について、その内部実装やwrite!マクロの動作の理解に役立つ情報を整理してお答えします。
String型の内部は実際にはVec<u8>に基づいています。このため、Stringは可変で容量を拡張可能なバイト列を操作しますが、UTF-8エンコードされた文字列のみを保持します。Rustの標準ライブラリでは、概ね以下のような関連があります：
pub struct String {
vec: Vec<u8>,
}ですので、Stringの操作（例: capacity, as_ptr, lenなど）はVec<u8>が持つ機能をラップして提供しています。
write!マクロはstd::fmt::Writeトレイトを利用して動作します。「write!の第一引数が&mut String（またはmut String）の場合に書き込みが成立するか」という質問についてですが、これが可能である理由は、StringがWriteトレイトを実装しているためです。
以下に簡単なWriteトレイトの実装例を示します（Rust標準ライブラリの実際の方法ではありませんが、概念的にはこうなります）：
impl Write for String {
fn write_str(&mut self, s: &str) -> std::fmt::Result {
self.push_str(s);
Ok(())
}
}基本的には、StringがWriteトレイトを実装しており、そのwrite_strメソッドを通じて文字列を追加しているということです。write!(...)はこの機能を使って文字列を動的に構築しています。
write!(b, "Hello, world!")のコードでは、以下が起きています：
bは容量を64に設定した空のStringです（String::with_capacity(64)を使用）。write!マクロを呼び出すことで、"Hello, world!"をbに書き込みます。Writeトレイトのwrite_strメソッドが呼ばれ、内部的にpush_str関数を利用して文字列がbに追加されます。
そのため、書き込みが成立するのは、StringがWriteトレイトを適切に実装しているからだといえます。
String型がVec<u8>に基づいているのはStringのメソッドや標準ライブラリの挙動とそのソースコードから確認できます。以下のような形式でメソッドが使われます：
as_ptr: 内部データの生ポインタを取得（Vec<u8>のもつ機能に委譲）。capacity: メモリに割り当てられた現在の容量を返す（Vec<u8>のcapacityに委譲）。len: 有効な文字列のバイト長を返す（Vec<u8>のlenに委譲）。
具体的な実装イメージ：
impl String {
pub fn as_ptr(&self) -> *const u8 {
self.vec.as_ptr()
}
pub fn len(&self) -> usize {
self.vec.len()
}
pub fn capacity(&self) -> usize {
self.vec.capacity()
}
}一見するとtype String = Vec<u8>のように考えるかもしれませんが、実際にはStringはこれとは異なり、新しい型です（型エイリアスではありません）。そのため、以下のような定義は正しくありません：
type String = Vec<u8>;実際のString型は新しい構造体型として定義されています。その上で、Vec<u8>の操作を借りて方便的に動作を提供しています。
上記のように、「Stringが便利なのはVec<u8>に基づいているから」と考えていただいて問題ありません。
String型は内部的にVec<u8>をラップしている。write!がStringに対して動作するのは、StringがWriteトレイトを実装しているため。- Rustの
StringはVec<u8>を借用しているものではなく、新しい型として実装されています（型エイリアスではありません）。 String型が提供するメソッド（例：as_ptr,len,capacityなど）はVec<u8>の類似メソッドに大部分を委譲しています。
User: ありがとうございます。色々整理できそうです。ところで最後の項目、StringはVecの型エイリアスではない という話なのですが、私がこれまで読んできた書籍等のコードではこういった場合、 struct Hoge { items: Vec } みたいなところから始まる物が多かった気がするんですよね（初学者向け故かもしれません） このケースでitemsという名前のフィールドで一段階深く辿らなければデータそのものにアクセスできない、これを回避することが「Stringは型エイリアスである」と想像し質問するに至った理由なんですが、標準Stringの実装のように自作の構造体を定義する方法はありますか？
Assistant:
ご質問ありがとうございます！ Stringのように「Vec<u8>を内部に持った構造体で、そのまま便利にアクセスできるような方法を自作で実装するには？」という疑問ですね。以下に具体的な説明とサンプルコードを提供します！
Rust標準ライブラリのStringが持つ便利な特性：
- 内部的には
Vec<u8>をラップしているが、直接データへアクセスできる（as_ptr,len,capacityなど）。 - フィールド名を意識せずに、
&Stringや&mut Stringとして利用可能。 - 必要なときには低レベルの操作を行うことができる。
これを実現するには、標準ライブラリが行うように独自の構造体を作成し、必要なトレイトやメソッドを実装すれば可能です。
まず、自作の構造体をVec<u8>に基づいて設計し、DerefとDerefMutのトレイトを利用することでフィールドを意識せずに操作可能な構造体を作る方法を紹介します。
use std::ops::{Deref, DerefMut};
struct MyString {
data: Vec<u8>, // Vec<u8>を内部フィールドとして保持
}
impl MyString {
// コンストラクタ（初期化用）
pub fn new() -> Self {
MyString {
data: Vec::new(),
}
}
pub fn with_capacity(capacity: usize) -> Self {
MyString {
data: Vec::with_capacity(capacity),
}
}
// 要素を追加する（UTF-8の文字列を追加する場合）
pub fn push_str(&mut self, s: &str) {
self.data.extend_from_slice(s.as_bytes());
}
// 長さを取得する
pub fn len(&self) -> usize {
self.data.len()
}
// キャパシティを取得する
pub fn capacity(&self) -> usize {
self.data.capacity()
}
// 生ポインタを取得する
pub fn as_ptr(&self) -> *const u8 {
self.data.as_ptr()
}
}
// Derefトレイトを実装して、Vec<u8>として振る舞えるようにする
impl Deref for MyString {
type Target = Vec<u8>;
fn deref(&self) -> &Self::Target {
&self.data
}
}
// DerefMutトレイトを実装して、&mut Vec<u8>に変換可能にする
impl DerefMut for MyString {
fn deref_mut(&mut self) -> &mut Self::Target {
&mut self.data
}
}
impl std::fmt::Write for MyString {
fn write_str(&mut self, s: &str) -> std::fmt::Result {
self.push_str(s);
Ok(())
}
}
fn main() {
let mut my_str = MyString::with_capacity(64); // 容量64で初期化
my_str.push_str("Hello");
my_str.push_str(", world!");
println!("String: {:?}", String::from_utf8(my_str.data.clone()).unwrap());
println!("Length: {}", my_str.len());
println!("Capacity: {}", my_str.capacity());
println!("Pointer: {:?}", my_str.as_ptr());
// write!マクロも動作
write!(my_str, " How are you?").unwrap();
println!(
"After write!: {:?}",
String::from_utf8(my_str.data.clone()).unwrap()
);
}-
構造体の作成
MyString構造体を作り、内部にVec<u8>を保持。- 初期化方法やストレージ操作が行いやすいようにメソッドを作成（
new、with_capacityなど）。
-
標準ライブラリのような便利なメソッドを再現
push_str: UTF-8エンコードの文字列を追加。len,capacity,as_ptrなど、Vec<u8>の持つ機能をラップ。
-
Derefトレイトを実装
DerefとDerefMutトレイトを実装することで、MyStringが暗黙のうちにVec<u8>のように使える。- これにより、
MyStringのインスタンスを直接Vec<u8>として操作可能。
-
トレイトの実装でさらに柔軟に
std::fmt::Writeトレイトを実装することで、write!マクロも利用可能に。
-
フィールドを意識せずに使える:
Derefトレイトのおかげで、MyStringをまるでVec<u8>そのもののように操作可能です。例えば、len()やcapacity()をフィールド名を介さずに呼び出せます。 -
標準
Stringに似た操作感:write!(my_str, ...)のように、標準Stringで使えるメソッドを再現できます。- 生ポインタや文字列長などを提供するインターフェースは、完全に標準
Stringと一致させることも可能です。
自作型の場合、UTF-8エンコードを保証するのは開発者の責任です。Vec<u8>を直接操作した結果、UTF-8でないデータが含まれる可能性があるため、標準のStringのような安全性を完全に達成したい場合は、さらなるチェックが必要です。たとえば、文字列を操作するメソッド内で常にUTF-8検証を行う必要があります。
標準Stringの実装に似た仕組みを自作の構造体で実現することは可能です。この回答で示した方法ではMyStringがVec<u8>の便利さを活かしつつ、フィールド名を意識せずに操作できる構造を作る方法を説明しています。また、write!などの既存のマクロも活用できる設計になっています。ぜひ試してみてください！
User: Deref, DerefMutを実装することで「自動参照外しのされ方」を定義可能になり、それにより今回はmy_string.data.len()のように本来書かねばならないところをmy_string.len()のように記述できるようにした って感じなんですかね？ これによって、MyStringに実装した関連関数と、Vecがもともと持っているメソッド群を、インスタンスから直接生えているかのように呼び出し可能になる（Vecのものと重複する名前の関連関数をMyStringに実装することはできない？）？
Assistant:
はい、その認識は非常に的確です！DerefとDerefMutを実装することで、Rustの「自動参照外し」が形づくられ、結果として以下のような振る舞いを可能にしています：
Derefトレイトは、構造体のインスタンスが特定の型として「振る舞う」ように見せる仕組みを提供します。今回の場合、MyStringがあたかもVec<u8>であるかのように動作できます。
- 具体例:
my_string.len()を呼び出すと、本来はMyString型のメソッドlenが呼ばれるべきですが、DerefによってMyStringがVec<u8>として解釈されるため、Vec<u8>のlen()が呼び出されます。このプロセスを「自動参照外し」と呼びます。
DerefMutの場合、これを&mut参照に対しても同様に適用できます。
Derefを使うことで、以下のように両方の世界を活用可能になります：
-
MyString独自のメソッドを直接呼び出し可能:- 例:
my_string.push_str("hello!");は、MyStringの独自メソッドを直接利用しています。
- 例:
-
Vec<u8>のメソッドを呼び出し可能:- 例:
my_string.len()は、Vec<u8>のlen()が呼ばれます。
- 例:
Rustでは、構造体（または型）固有のメソッドが、Derefで参照外しされた型のメソッドよりも優先されます。
たとえば、Vec<u8>が元々持つlenと同名のメソッドをMyString側に実装した場合、my_string.len()はMyString側のlenが呼び出され、Vec<u8>のlenは呼び出されません。
struct MyString {
data: Vec<u8>,
}
impl MyString {
pub fn len(&self) -> usize {
println!("Calling MyString's len()");
self.data.len() // 内部のVec<u8>のlenを利用
}
}
impl std::ops::Deref for MyString {
type Target = Vec<u8>;
fn deref(&self) -> &Self::Target {
&self.data
}
}
fn main() {
let my_string = MyString {
data: vec![1, 2, 3],
};
// MyStringのlenが呼ばれる
println!("Length: {}", my_string.len()); // "Calling MyString's len()"
}もしMyStringに同名のメソッドがある場合で、それを避けて「元のVec<u8>のメソッドを使いたい」ときには、以下のように参照を明示的に使うことができます：
println!("Vec<u8> length: {}", MyString::deref(&my_string).len());このように、deref()メソッドを用いれば元の型(Vec<u8>)にアクセスできます。
自動参照外しメカニズムにより：
MyStringに実装されたメソッドと、Vec<u8>に由来するメソッドを、 インスタンスに対して直接呼び出せるようになります。
ただし、以下の点に注意してください：
- MyString固有のメソッドが優先される。
- 両方のメソッド名が重複した場合、MyString側が勝つ。
- もしVec側のメソッドを使いたければ、
deref()を明示的に用いる。
Deref／DerefMutトレイトを実装することで、自作の構造体があたかも内部の型そのもののように振る舞える。- 自動参照外しを利用すると、内部型のフィールド名を記述せずに、関連メソッド（
Vec<u8>のもの）を呼び出せる。 - メソッドの重複が起きる場合、Rustでは自作型（今回で言えば
MyString）のメソッドが優先されるが、内部型のメソッドも明示的な参照で使うことができる。
あなたのコード設計において、Vec<u8>の機能を活かしつつ追加機能を提供したい場合、このように使い分けができますので、ぜひ活用してみてください！