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Rustを支える技術
- 2. 紹介論文 2
- 3. 紹介論文 3
- 4. Colin S. Gordonの研究 • Uniqueness and Reference Immutability • 型システムで、不変参照と単一性を保証することで、 平行プログラミングにおけるデータ競合を検知する • 研究の成果がプログラミング言語「Rust」に反映され ている ↓ • Rely-Guarantee References • Reference Immutabilityを一般化したもの • 初出はPLDI2013 4
- 5. Rustを支える技術 • Rustって何が嬉しいの？ • それを実現する背景 • 新しい技術 5
- 6. AGENDA • Rustって？ • Rustのメモリ管理を支える概念 • Rely-Guarantee References for Refinement Typesとは？ 6
- 7. AGENDA • Rustって？ • Rustのメモリ管理を支える概念 • Rely-Guarantee References for Refinement Typesとは？ 7
- 8. Rustって？ • Mozilla が開発し、次世代ブラウザの開発に使っているプ ログラミング言語。 • 「Rustは速度、安全性、並行性の3つのゴールにフォーカ スしたシステムプログラミング言語です」 • https://www.rust-lang.org/ja-JP/ • C++に構文は似ているが、’&’の意味論は異なる。借用と いう概念が導入され、メモリ安全性が保証されている。 8
- 9. Rustで何ができるの？ • Rustはさまざまな用途で採用されている • データベースやOSなどのシステムソフトウェア • レンダリングエンジンやゲームエンジンなど、高速性 が必要なコンポーネント • ベンチマーカやテキストエディタなど、IOや描画とい ったイベントを効率的・即時的に扱うソフトウェア 9
- 10. Rustの特徴 • ゼロコスト抽象化 • ムーブセマンティクス • 保証されたメモリ安全性 • データ競合のないスレッド • 最小限のランタイム • 効率的なCバインディングス • 関数型言語 • トレイトによるジェネリクス • パターンマッチング • 型推論 10
- 11. Rustの特徴 • ゼロコスト抽象化 • ムーブセマンティクス • 保証されたメモリ安全性 • データ競合のないスレッド • 最小限のランタイム • 効率的なCバインディングス • 関数型言語 • トレイトによるジェネリクス • パターンマッチング • 型推論 11
- 12. AGENDA • Rustって？ • Rustのメモリ管理を支える概念 • Rely-Guarantee References for Refinement Typesとは？ 12
- 13. Rustのメモリ管理を支える概念 • メモリ安全性を支える概念 1. リソースに対する単一の所有権 2. ライフタイムによるオブジェクトの有効性チェック • データ競合のないスレッド支える概念 3. 借用によるR/Wのアクセス管理 13
- 14. Rustのメモリ管理を支える概念 • メモリ安全性を支える概念 1. リソースに対する単一の所有権 2. ライフタイムによるオブジェクトの有効性チェック • データ競合のないスレッド支える概念 3. 借用によるR/Wのアクセス管理 14
- 15. 1. リソースに対する単一の所有権 プログラミングの歴史は メモリ管理との戦いであった • メモリ管理の主なパラダイム C言語 malloc/free C＋＋ スマートポインタ Java 等 ガベージコレクショ ン 15
- 16. 1. リソースに対する単一の所有権 C言語のメモリ管理 C言語 malloc/free • メリット • プログラマがメモリ管理を制御でき るので高速度・高効率 • デメリット • 確保したメモリの解放を人間が忘れ ず完璧に行うのは難しい C＋＋ スマートポインタ Java 等 ガベージコレクショ ン 16
- 17. 1. リソースに対する単一の所有権 ガベージコレクションのメモリ管理 C言語 malloc/free C＋＋ スマートポインタ Java 等 ガベージコレクショ ン • メリット • プログラマがメモリ管理を制御でき るので高速度・高効率 • デメリット • 確保したメモリの解放を人間が忘れ ず完璧に行うのは難しい • メリット • ランタイムが自動でメモリ管理する • デメリット • メモリ解放のためにプログラムが停 止する • ランタイムが非高速・非効率 17
- 18. 1. リソースに対する単一の所有権 C++のメモリ管理 C言語 malloc/free C＋＋ スマートポインタ Java 等 ガベージコレクショ ン • メリット • プログラマがメモリ管理を制御でき るので高速度・高効率 • デメリット • 確保したメモリの解放を人間が忘れ ず完璧に行うのは難しい • メリット • ランタイムが自動でメモリ管理する • デメリット • メモリ解放のためにプログラムが停 止する • ランタイムが非高速・非効率 • メリット • スコープ外になるとメモリを解放す る • unique_ptrは生ポインタと比較して も遜色ない 18
- 19. 1. リソースに対する単一の所有権 C++のメモリ管理のデメリット • unique_ptrの問題点 • 所有権の移譲を行うとアクセス違反が起きうるint main(int argc, char** argv) { auto x = std::make_unique<std::string>("x"); auto y = std::make_unique<std::string>("y"); std::cout << *x << std::endl; // x std::cout << *y << std::endl; // y x = std::move(y); // moveによってyが持つポインタの所有権をyに移譲する std::cout << *x << std::endl; // y std::cout << *y << std::endl; // メモリアクセス違反 19
- 20. 1. リソースに対する単一の所有権 Rustのリソースに対する単一の所有権 • 以下の挙動がデフォルトで行われる • "="で移譲が行われ、リソースに対して単一の所有権しか 許さない • 移譲された変数へのアクセスをコンパイル時に禁止する → 「unique_ptr + アクセス違反の禁止」による解決 20 fn main() { let mut x = "x".to_string(); // 文字列 "x" を変数xにbindする let y = "y".to_string(); // 文字列"y"を変数yにbindする println!("{}", x); // x println!("{}", y); // y x = y; // C++のmoveと同じように、変数yにある文字列の所有権は変数yに移譲される
- 21. Rustのメモリ管理を支える概念 • メモリ安全性を支える概念 1. リソースに対する単一の所有権 2. ライフタイムによるオブジェクトの有効性チェック • データ競合のないスレッド支える概念 3. 借用によるR/Wのアクセス管理 21
- 22. 2. ライフタイムによるオブジェクトの有効性チェック 参照・ポインタのリソース解放の問 題 • C++の場合、参照やポインタが既に解放された変数を指し 示す場合がある。 • そのような参照やポインタへアクセスすることで バグが発生する int main() { std::string* x; { std::string y = "y"; x = &y; } // yのスコープが終わり、ここで"y"の値は開放されてしまう。 std::cout << *x << std::endl; // アクセス違反 return 0; 22
- 23. 2. ライフタイムによるオブジェクトの有効性チェック Rustのライフタイムによるオブジェクトの 有効性チェック • 下記のようにコンパイル時にオブジェクトの寿命をチェ ックしてくれる fn main() { let x; { let y = "hoge".to_string(); x = &y; // コンパイルエラー！ } println!("{}", x); } 23
- 24. Rustのメモリ管理を支える概念 • メモリ安全性を支える概念 1. リソースに対する単一の所有権 2. ライフタイムによるオブジェクトの有効性チェック • データ競合のないスレッド支える概念 3. 借用によるR/Wのアクセス管理 24
- 25. 3. 借用によるR/Wのアクセス管理 複数Write権限によるデータ競合 の問題 • データ競合 • 定義：(1)複数スレッド間で共有する変数に対して、(2)同時 に、(3)R/Wアクセスが行われる事象を指す。 • C++ではデータ競合が起きると未定義動作を引き起こす 25 int my_account = 0; int your_account = 100; // 預金口座残高 bool transfer(int& src, int& dst, int m) { if (m <= src) { // 未定義動作の可能性あり！ src -= m; // 未定義動作の可能性あり！ dst += m; // 未定義動作の可能性あり！ return true; } else { return false; }
- 26. 3. 借用によるR/Wのアクセス管理 Rustの複数Write権限の制限 • Rustの借用は、「1つ以上の不変（書き換えのできない） 参照」あるいは「1つの可変（書き換えのできる）参照」 に制限されている。 fn f1(a: &String, b: &String) {} fn f2(a: &mut String, b: &String) {} fn f3(a: &mut String) {} fn main() { let mut a = "hoge".to_string(); // 可変変数の宣言 f1(&a, &a); // 不変参照のみ借用しているので OK f2(&mut a, &a); // コンパイルエラー！ f3(&mut a); // 可変参照を 1 つだけ借用しているので OK println!("{}", a); } 26
- 27. ここまでがRustの話 • Rustに対する「Uniqueness and Reference Immutability」 の貢献の話 • 特に以下に研究の成果が生かされている • リソースに対する単一の所有権 • 借用によるR/Wのアクセス管理 27
- 28. AGENDA • Rustって？ • Rustのメモリ管理を支える概念 • Rely-Guarantee Referencesとは？ 28
- 30. Uniqueness and Reference Immutability 30 • 型の変換規則
- 34. Rely-Guarantee Referencesによる Reference Immutabilityの表記 34 • Rely-Guarantee ReferencesはReference Immutabilityを一 般化したものである
- 35. まとめ 35 • プログラミング言語の最新の研究成果を生かして、新し い言語が開発されている • 「リソースに対する単一の所有権」「借用によるR/Wのア クセス管理」などのRustの機能に著者の研究成果が生か されている • Rustはメモリ安全性がコンパイル時に保証される素晴ら しい言語だ
- 36. 参考 • https://homes.cs.washington.edu/~mernst/pubs/rely- guarantee-ref-pldi2013-abstract.html • https://www.cs.drexel.edu/~csgordon/pubs/toplas17.html • http://imoz.jp/note/rust-functions.html 36