Rustのコレクション: Vec、String、HashMap

Rust基礎シリーズの第9回です。コンパイル時にサイズが固定される配列やタプルとは異なり、コレクションはヒープ上に割り当てられたデータを指し、実行時に動的に伸縮できます。

graph TD
    subgraph Collections["Rust Standard Collections"]
        Vec["Vec&lt;T&gt;<br/>Dynamically sized ordered list"]
        String["String<br/>UTF-8 encoded bytes wrapper"]
        HashMap["HashMap&lt;K, V&gt;<br/>Key-Value lookup table"]
    end

    subgraph Memory["Memory Layout"]
        Stack["Stack: Pointer + Capacity + Length"]
        Heap["Heap: Dynamic buffer allocation"]
    end

    Vec --> Stack
    String --> Stack
    HashMap --> Stack
    Stack -->|points to| Heap

ベクター (`Vec<T>`)#

ベクターは、同じ型の複数の値をメモリ上に連続して格納します。

graph LR
    subgraph StackMem["Stack Memory"]
        V["vec"]
        V_ptr["ptr"]
        V_cap["cap: 4"]
        V_len["len: 3"]
    end

    subgraph HeapMem["Heap Memory"]
        H0["[0]: 10"]
        H1["[1]: 20"]
        H2["[2]: 30"]
        H3["[3]: Unallocated"]
    end

    V_ptr --> H0
    H0 --- H1 --- H2 --- H3

fn main() {
    let mut v: Vec<i32> = Vec::new();
    v.push(10);
    v.push(20);
    v.push(30);

    // vec! マクロの使用
    let v2 = vec![1, 2, 3];

    // get() による安全な要素アクセス
    match v.get(1) {
        Some(third) => println!("2番目の要素は {third} です"),
        None => println!("2番目の要素は存在しません。"),
    }

    // イテレーション
    for i in &v {
        println!("{i}");
    }
}

rust

UTF-8 文字列 (`String`)#

Rustにおいて、String は有効なUTF-8テキストであることが保証された Vec<u8> のラッパーです。

graph LR
    subgraph StackFrame["Stack Frame"]
        S["s (String)"]
        S_ptr["ptr"]
        S_cap["cap: 7"]
        S_len["len: 7"]
    end

    subgraph HeapBuffer["Heap Buffer"]
        B0["'f' (102)"]
        B1["'o' (111)"]
        B2["'o' (111)"]
        B3["'b' (98)"]
        B4["'a' (97)"]
        B5["'r' (114)"]
        B6["'!' (33)"]
    end

    S_ptr --> B0
    B0 --- B1 --- B2 --- B3 --- B4 --- B5 --- B6

let mut s = String::from("foo");
s.push_str("bar");
s.push('!');

// + または format! による文字列連結
let s1 = String::from("Hello, ");
let s2 = String::from("world!");
let s3 = format!("{s1}{s2}"); // format! は所有権を奪いません

rust

UTF-8文字はバイト長が可変（1〜4バイト）であるため、無効な文字バイトを返すリスクを防ぐためRustでは s[0] のような直接インデックス指定はサポートされていません。代わりに文字列スライス &s[0..4] を使用するか、.chars() で反復処理を行います。

ハッシュマップ (`HashMap<K, V>`)#

ハッシュマップは、ハッシュ関数を使用して型 K のキーを型 V の値にマッピングします。

graph LR
    subgraph HashFunc["Hash Function"]
        K1["Key: 'Blue'"] --> H1["Hash('Blue')"]
        K2["Key: 'Yellow'"] --> H2["Hash('Yellow')"]
    end

    subgraph BucketArray["Bucket Array on Heap"]
        H1 --> B1["Bucket 2: ('Blue', 10)"]
        H2 --> B2["Bucket 5: ('Yellow', 50)"]
    end

use std::collections::HashMap;

fn main() {
    let mut scores = HashMap::new();
    scores.insert(String::from("Blue"), 10);
    scores.insert(String::from("Yellow"), 50);

    // 値へのアクセス
    let team_name = String::from("Blue");
    let score = scores.get(&team_name).copied().unwrap_or(0);
    println!("Blueチームのスコア: {score}");

    // entry APIによるキー不在時のみの挿入
    scores.entry(String::from("Blue")).or_insert(25);
    scores.entry(String::from("Red")).or_insert(100);

    for (key, value) in &scores {
        println!("{key}: {value}");
    }
}

rust

まとめ#

ベクターは順序付き要素リストを、Stringはヒープ割り当てのUTF-8テキストを安全に管理し、HashMapはキーと値の関連付けを管理します。シリーズの次回テーマは「エラー処理」です。

ベクター (Vec<T>)#

UTF-8 文字列 (String)#

ハッシュマップ (HashMap<K, V>)#

まとめ#

参考資料#

ベクター (`Vec<T>`)#

UTF-8 文字列 (`String`)#

ハッシュマップ (`HashMap<K, V>`)#