先生と生徒の会話形式で理解しよう

生徒

「Rustで値を固定したいとき、constとstaticがあって、さらにletでの変数宣言もありますよね。どれを使えばいいのか迷ってしまいます。」

先生

「そうですね。Rustには用途に合わせていくつかの宣言方法があります。特に定数（const）は、プログラム全体で共有したい変わらない値を定義するのに非常に便利ですよ。」

生徒

「定数を使うと、普通の変数と何が違うんですか？」

先生

「定数はコンパイル時に値が決定され、インライン展開されるという特徴があります。一方で静的変数（static）はメモリ上の固定の場所に配置されます。それぞれのルールを正しく理解することで、より効率的で安全なコードが書けるようになりますよ！」

1. Rustの定数（const）とは何か

Rustにおける定数（Constants）とは、プログラムの実行中に決して変わることがない値を指します。一度定義したら、その値を書き換えることはできません。Rustではconstキーワードを使用してこれらを定義します。

プログラミングをしていると、例えば数学の円周率や、アプリケーションの最大同時接続数、あるいはタイムアウト時間など、プログラムの至る所で使い回したい「固定された値」が出てきます。これらをマジックナンバー（直接的な数字）としてコード内に散りばめるのではなく、名前を付けて定数として一箇所で管理することで、コードの可読性と保守性が劇的に向上します。

定数は、変数を宣言するletとは異なり、不変（immutable）であることがデフォルトであるだけでなく、そもそも可変（mutable）にすることができません。つまり、mutキーワードを組み合わせて値を書き換えるといった操作は一切許可されていないのです。この厳格さが、プログラムのバグを未然に防ぐ強力な武器になります。

2. 定数の定義方法と命名規則の基本

Rustで定数を定義する際には、いくつかの厳格なルールがあります。これに従わないとコンパイルエラーが発生するため、初心者が最初に覚えるべきポイントです。

まず、定数は必ず型を明示しなければなりません。Rustの通常の変数宣言（let）では、コンパイラが型を推論してくれますが、定数の場合は推論が行われません。また、命名規則として「すべて大文字で、単語の区切りはアンダースコア（_）にする」というSCREAMING_SNAKE_CASEが推奨されています。


// 定数の定義例
const MAX_POINTS: u32 = 100_000;
const PI: f64 = 3.1415926535;

fn main() {
    println!("最大ポイントは {} です。", MAX_POINTS);
    println!("円周率は {} です。", PI);
}


最大ポイントは 100000 です。
円周率は 3.1415926535 です。

上記の例のように、数値にアンダースコアを入れることで（100_000）、桁数を見やすく記述することも可能です。これはRustの便利な機能の一つですね。定数は関数の外（グローバルスコープ）でも、関数の中でも定義することができますが、一般的にはプログラム全体で利用するためにファイルの上部に記述されることが多いです。

3. 定数と変数の決定的な違い

「なぜletで宣言した不変変数ではなく、わざわざconstを使うのか？」という疑問を持つかもしれません。その答えは、メモリの扱われ方とコンパイル時の挙動にあります。

定数は、プログラムがコンパイルされる際に、その値が使用されている場所に直接埋め込まれます。これをインライン展開と呼びます。一方で、letで宣言された変数は実行時にスタック領域に確保されます。定数はメモリ上の特定の住所を持つわけではなく、コンパイル後のバイナリデータの中に値そのものが組み込まれるイメージです。

また、定数は「定数式（constant expression）」でなければなりません。これは、プログラムを実行してからではないと計算できない値（例えば、実行時のユーザー入力やランダムな数値、実行時の関数呼び出しの結果など）を定数に代入することはできないという意味です。定数の値は、コンパイルしているその瞬間に確定している必要があります。

4. 静的変数（static）の役割と特徴

定数とよく似た概念に静的変数（Static Variables）があります。これはstaticキーワードを使用して宣言されます。定数との最大の違いは、静的変数がメモリ上の固定された場所に配置されるという点です。プログラムが起動してから終了するまで、その値はメモリ内の同じ場所に居続けます。

静的変数は、定数と同じように型を明示し、すべて大文字で命名する必要があります。しかし、静的変数は実体を持つため、プログラム内でその値への参照（アドレス）を取得することが可能です。定数はインライン展開されるため、参照を取得しようとしても、使用されるたびに異なるコピーが作成される可能性がありますが、静的変数は常に「唯一無二の実体」を指し示します。


static APP_NAME: &str = "Rust学習用アプリ";

fn main() {
    // 静的変数は固定のメモリ位置を持つ
    println!("アプリケーション名: {}", APP_NAME);
}


アプリケーション名: Rust学習用アプリ

静的変数のライフタイムは常に'staticであり、プログラム全体の実行期間中ずっと有効です。基本的には定数（const）の使用が推奨されますが、大きなデータ構造を共有する場合や、グローバルな状態を保持する必要がある場合には静的変数が選ばれます。

5. 可変な静的変数とスレッド安全性

Rustでは、実は静的変数を書き換える（mutableにする）ことも可能です。しかし、これは非常に危険な操作とみなされています。なぜなら、グローバルな変数を複数の場所から同時に書き換えると、データ競合（Data Race）が発生するリスクがあるからです。

そのため、static mutで宣言された変数を読み書きするには、unsafeブロックで囲む必要があります。これはRustコンパイラに対して「私が責任を持つので、安全性のチェックを一部無効にしてください」と宣言するようなものです。現代のRust開発では、グローバルな可変状態を持つ必要がある場合は、MutexやAtomic型などを使用して安全に管理するのが一般的です。


static mut COUNTER: u32 = 0;

fn increment_counter() {
    // static mutへのアクセスはunsafeが必要
    unsafe {
        COUNTER += 1;
        println!("カウンターの値: {}", COUNTER);
    }
}

fn main() {
    increment_counter();
    increment_counter();
}


カウンターの値: 1
カウンターの値: 2

このコードは動作しますが、マルチスレッド環境では予期せぬ動作を引き起こす可能性があります。初心者のうちは、static mutの使用は極力避け、設計を見直すか安全な同期機構を学ぶことをお勧めします。

6. 定数と静的変数の使い分けガイド

ここまでの内容を踏まえて、どのような場面でどちらを使うべきか整理してみましょう。判断基準は非常にシンプルです。

基本的には定数（const）を使う： ほとんどの「変わらない値」にはこれを使います。インライン展開されるため、コンパイラによる最適化が効きやすく、パフォーマンスも優れています。
静的変数（static）を使うケース：
- 大量のデータを保持しており、インライン展開によるバイナリサイズの増大を避けたい場合。
- メモリアドレスが必要な場合（値への参照を共有したい場合）。
- C言語などの外部ライブラリとのインターフェース（FFI）でグローバル変数が必要な場合。

迷ったときは、まずconstを検討してください。Rustの設計思想においても、定数は非常に安全で扱いやすい機能として位置づけられています。型推論が効かないという不便さはありますが、それは意図的にプログラマにデータの性質を意識させるための仕組みでもあります。

7. 実践：定数を使って読みやすいコードを書く

最後に、定数を活用して具体的な計算を行うプログラムを書いてみましょう。例えば、円の面積を求めるプログラムを考えます。円周率を直接数値で書くのではなく、定数として定義することで、何をしているのかが明確になります。


const PI: f32 = 3.14;
const UNIT_LABEL: &str = "平方センチメートル";

fn calculate_area(radius: f32) -> f32 {
    radius * radius * PI
}

fn main() {
    let r = 5.0;
    let area = calculate_area(r);
    
    println!("半径 {}cm の円の面積は {:.2} {} です。", r, area, UNIT_LABEL);
}


半径 5cm の円の面積は 78.50 平方センチメートル です。

このコードでは、PI（円周率）とUNIT_LABEL（単位ラベル）を定数にしています。もし将来的に計算の精度を上げたい（PIの桁数を増やしたい）場合や、単位を「cm2」に変更したい場合でも、定数の定義箇所を一行修正するだけでプログラム全体に反映されます。これこそが定数を使う最大のメリットです。

Rustの学習を進めていく中で、所有権やライフタイムといった難しい概念に直面することもありますが、この定数と静的変数の使い分けは非常に明確です。基本ルールをしっかり守って、美しく安全なコードを目指しましょう。