先生と生徒の会話形式で理解しよう

生徒

「Rustでプログラム全体で使いたい値を定義するとき、constとstaticがあって迷うんですが、どう使い分ければいいんですか？」

先生

「いいところに気づきましたね。Rustには、コンパイル時に値が埋め込まれる定数（const）と、メモリ上の固定された場所に配置される静的変数（static）の二種類があります。どちらもグローバルな値を扱えますが、実は動作の仕組みが大きく違うんですよ。」

生徒

「メモリ上の場所が違うということですか？」

先生

「そうです。constは使う場所に値がコピーされるイメージですが、staticはプログラム実行中ずっと同じ場所に存在し続けます。特にmutableな静的変数を扱うときは、Rustの安全性に関わる重要なルールがあるんです。詳しく見ていきましょう！」

1. Rustにおける定数と静的変数の基本概念

Rust言語でプログラミングをしていると、消費税率やサーバーのポート番号など、アプリケーション全体で共有したい「不変の値」が必要になる場面が多々あります。このような場合に利用するのがconstキーワードによる定数と、staticキーワードによる静的変数です。

初心者がまず押さえておくべき点は、Rustはメモリ安全性に対して非常に厳格であるということです。そのため、単に「グローバル変数」を作るだけでも、他の言語より少し丁寧な作法が求められます。定数はコンパイル時にその値が確定し、コード内の利用箇所に直接インライン展開されます。一方で静的変数は、プログラムのバイナリの中に特定のメモリ領域を確保し、実行開始から終了までその場所に居座り続けます。

2. 定数（const）の使い方とインライン展開の仕組み

定数はconstキーワードを使って定義します。定数の特徴は、型を必ず明示しなければならないことと、コンパイル時定数式（関数呼び出しなどは不可）で初期化する必要があることです。また、定数は「値そのもの」としての性質が強く、メモリ上の決まったアドレスを持っているわけではありません。


// 定数の定義。大文字のヘビ記法で書くのが一般的です。
const MAX_POINTS: u32 = 100_000;

fn main() {
    println!("最大ポイントは {} です", MAX_POINTS);
}

このコードをコンパイルすると、MAX_POINTSという名前が書かれた部分は、すべて100_000という数値に置き換わります。これを「インライン展開」と呼びます。効率的ですが、もし巨大な構造体を定数にすると、使うたびにそのデータがコピーされる可能性があるため注意が必要です。

3. 静的変数（static）の特徴とメモリ配置

静的変数はstaticキーワードで定義されます。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」にあるということです。プログラム全体で一つの実体を共有したい場合に適しています。また、静的変数のライフタイムは常に'staticであり、プログラムが動いている間は常に有効です。


// 静的変数の定義
static WELCOME_MESSAGE: &str = "ようこそRustの世界へ！";

fn main() {
    println!("{}", WELCOME_MESSAGE);
}

静的変数は、大きなデータ構造を定義する場合や、特定のアドレスを保持し続けたい場合に非常に役立ちます。定数のようにあちこちにコピーが作られるのではなく、全ての参照が同じメモリ上の一点を指し示すことになります。

4. constとstaticの決定的な違いを整理する

ここで、constとstaticの違いを表形式で整理してみましょう。これを理解すると、どちらを使うべきか判断しやすくなります。

特徴	定数 (const)	静的変数 (static)
メモリ上の実体	なし（インライン展開される）	あり（固定アドレスを持つ）
再代入 (mut)	不可	可能（ただしunsafeが必要）
初期化	コンパイル時に計算可能であること	コンパイル時に計算可能であること
主な用途	マジックナンバーの回避、共通設定	大きなデータの共有、グローバルな状態管理

基本的にはconstを優先して使い、メモリ上のアドレスを共有する必要があるときや、どうしてもグローバルな可変状態を管理しなければならない場合にのみstaticを検討するというのがRustのベストプラクティスです。

5. 可変な静的変数とunsafeキーワードの壁

Rustでは、グローバルな変数を書き換えることは推奨されていません。なぜなら、複数のスレッドから同時にアクセスされた場合に「データ競合」が発生するリスクがあるからです。しかし、どうしてもstatic mut（可変な静的変数）を使いたい場合があります。この場合、Rustはプログラマに対して「これは危険ですよ」と警告するため、unsafeブロックの使用を強制します。


static mut COUNTER: u32 = 0;

fn increment_counter() {
    // static mutへのアクセスは常にunsafeが必要です
    unsafe {
        COUNTER += 1;
    }
}

fn main() {
    increment_counter();
    unsafe {
        println!("現在のカウント: {}", COUNTER);
    }
}


現在のカウント: 1

このように、static mutを読み書きするには、コンパイラの安全チェックを一時的にバイパスするunsafeという特別な枠組みが必要になります。初心者のうちは、できるだけこのパターンを避け、ArcやMutexといったスレッド安全な仕組みを使って共有データを管理することを強くおすすめします。

6. 文字列スライスにおけるstaticの特殊な役割

Rustを学んでいると、&'static strという型によく遭遇します。これは、プログラムのバイナリに直接埋め込まれた文字列リテラルを指す型です。文字列リテラルは、本質的に静的なメモリ領域に保存されているため、そのライフタイムはプログラム終了まで持続します。

例えば、let s = "Hello";と書いた場合、この変数sの型は&'static strとなります。この「staticライフタイム」という概念は、静的変数の概念と密接に関わっています。静的変数は、そのデータが「永遠に」存在することを保証するため、プログラムのあらゆる場所で安全に参照を渡すことができるのです。これは、関数のスコープが終わると消えてしまうローカル変数とは対照的な性質です。

7. グローバルな初期化が必要な場合の代替案

静的変数には「コンパイル時に値が確定していなければならない」という制約があります。そのため、実行時に計算した結果（例えば設定ファイルの読み込み結果など）をグローバルに保持したい場合には、素のstaticでは対応できません。このようなケースでは、コミュニティで広く使われているライブラリや標準ライブラリの機能を利用します。

以前はlazy_staticというライブラリが有名でしたが、最近のRustでは標準ライブラリのstd::sync::OnceLock（またはOnceCell）を使うのが主流です。これにより、最初にアクセスされたときに一度だけ初期化される「遅延初期化」が可能になり、安全にグローバルなデータを扱うことができます。


use std::sync::OnceLock;

// 実行時に一度だけ初期化されるグローバル変数
static CONFIG_NAME: OnceLock<String> = OnceLock::new();

fn main() {
    // 最初のアクセス時に値をセット
    let name = CONFIG_NAME.get_or_init(|| {
        "AppConfiguration_v1".to_string()
    });

    println!("設定名: {}", name);
}

このように、Rustの進化によって、生（なま）のstatic mutやunsafeを使わずに済む安全な手段が整ってきています。初心者の方は、まずはこのOnceLockの存在を知っておくだけでも、安全なコード設計への道が開けるでしょう。

8. 定数と静的変数の使い分けガイドライン

最後に、どのような基準でこれらを使い分けるべきか、具体的な指針を示します。Rustの設計思想に沿った使い分けは、コードの可読性と安全性を大きく向上させます。

第一の選択肢は常にconstです。数値、文字列リテラル、論理値などの単純な値で、各所にコピーされても問題ないものは定数にしましょう。定数はインライン化されるため、最適化がかかりやすく高速です。第二の選択肢は、大きなデータ構造や、その値のアドレスが必要な場合に使う不変のstaticです。例えば、読み取り専用の巨大なルックアップテーブルなどがこれに該当します。

最後に、どうしても実行中に値を変更し、かつグローバルに共有したい場合は、OnceLockや、スレッド間共有のためのArc<Mutex<T>>を検討してください。これらは「内部可変性」と呼ばれる仕組みを利用しており、安全に値を更新することができます。static mutは、組み込み開発や特定の低レベルな最適化を除いて、日常的なプログラミングで登場することは稀です。

このように、Rustにおけるグローバル値の扱いは、メモリ管理の厳格さと密接に結びついています。一見不便に感じるかもしれませんが、これこそが「実行時にクラッシュしない」堅牢なソフトウェアを作るための、Rustの知恵なのです。