19 3月 2025
プログラミング言語の選択は、ソフトウェア開発において非常に重要な決定事項です。RustとC++ は、どちらも強力な言語であり、特にパフォーマンスと低レベルの制御が必要な場合に比較されることがよくあります。両言語ともこれらの機能を提供しますが、メモリ安全性、並行処理、および全体的なプログラミング体験において大きく異なります。この記事では、RustとC++ を詳細に比較し、それぞれの特徴、利点、欠点、および理想的なユースケースを検証し、開発者が賢明な選択を行えるようにします。
C++ は、組み込みシステム、ゲーム開発、オペレーティングシステムのカーネルなど、パフォーマンスが重要な分野で長い間支配的な地位を占めてきました。しかし、その歴史の長さゆえに、複雑さと潜在的な落とし穴が生じています。Mozillaが後援するRustは、C++ の課題、特にメモリ安全性と並行処理の課題に対処するために設計されました。Rustは大きな注目を集め、開発者から常に高い評価を受けており、主要なテクノロジー企業での採用が進んでいます。
RustとC++ の最も重要な違いは、メモリ管理に対するアプローチです。C++ は従来、手動のメモリ管理を使用しており、開発者はメモリの割り当てと解放を直接制御できます。これは柔軟性を提供する一方で、メモリ関連のエラーのリスクをもたらします。
これらのエラーは、クラッシュ、セキュリティ脆弱性、および予測不能な動作につながる可能性があります。C++ では、これらの問題を軽減するために、細心の注意を払ったコーディングと広範なデバッグが必要です。
Rustは異なるアプローチを採用しており、所有権と借用のシステムを使用し、コンパイル時に強制されます。これにより、ガベージコレクタなしでメモリ安全性が提供されます。核となる原則は次のとおりです。
Rustの「借用チェッカー」はこれらのルールを強制し、C++ でよく見られる多くのメモリエラーを防ぎます。これにより、安全性が大幅に向上し、デバッグが削減されます。
// Rustの所有権の例
fn main() {
let s1 = String::from("hello"); // s1が文字列の所有権を持つ
let s2 = s1; // 所有権がs2に移動する
// println!("{}", s1); // これはコンパイル時エラーになる
// s1はもはやデータの所有権を持っていないため。
println!("{}", s2); // s2はここで使用できる
}
現代のC++ は、スマートポインタ(std::unique_ptr、std::shared_ptr)とResource Acquisition Is Initialization (RAII)イディオムを提供して、解放を自動化し、リークを防ぎます。しかし、これらはすべてのリスクを排除するわけではありません。Rustのコンパイル時保証は、より強力なレベルの安全性を提供します。
// C++ スマートポインタの例
#include <iostream>
#include <memory>
int main() {
std::unique_ptr<int> ptr1(new int(10)); // ptr1が整数の所有権を持つ
// std::unique_ptr<int> ptr2 = ptr1; // これはコンパイル時エラーになり、
// 二重解放の問題を防ぐ。
std::unique_ptr<int> ptr2 = std::move(ptr1); // 所有権が*移転*される。
if (ptr1) {
std::cout << *ptr1 << std::endl; // `ptr1`はnullになっているため実行されない
}
if (ptr2) {
std::cout << *ptr2 << std::endl; // 10を出力する
}
return 0;
} // ptr2がスコープを外れると、整数は自動的に解放される。
並行処理は、プログラムが複数のタスクを同時に実行できるようにするもので、もう1つの重要な違いです。C++ は、手動のスレッド管理と同期(ミューテックス、ロック)を提供します。しかし、正しい並行C++ コードを書くことは難しく、データ競合がよくある問題です。C++ では、std::atomicやstd::mutexのようなツールを使用することでデータ競合を回避できますが、正確性を保証するためには、注意深く手動での作業が必要です。
Rustの所有権と借用のシステムは、並行処理にも拡張されます。借用チェッカーはコンパイル時にデータ競合を防ぎ、Rustでの並行プログラミングをより信頼性が高く、エラーが発生しにくいものにします。
// Rust 並行処理の例 (AtomicUsizeを使用)
use std::thread;
use std::sync::atomic::{AtomicUsize, Ordering};
use std::sync::Arc;
fn main() {
let counter = Arc::new(AtomicUsize::new(0)); // 共有、可変カウンタ
let mut handles = vec![];
for _ in 0..10 {
let counter = Arc::clone(&counter);
let handle = thread::spawn(move || {
counter.fetch_add(1, Ordering::SeqCst); // アトミックにインクリメント
});
handles.push(handle);
}
for handle in handles {
handle.join().unwrap();
}
println!("Result: {}", counter.load(Ordering::SeqCst)); // 10を出力する
}
// C++ 並行処理の例 (std::atomicを使用)
#include <iostream>
#include <thread>
#include <atomic>
#include <vector>
int main() {
std::atomic<int> counter(0); // アトミックカウンタ
std::vector<std::thread> threads;
for (int i = 0; i < 10; ++i) {
threads.emplace_back([&counter]() {
counter++; // アトミックなインクリメント
});
}
for (auto& thread : threads) {
thread.join();
}
std::cout << "Result: " << counter << std::endl; // 10を出力
return 0;
}
これらの例は、両方の言語がどのように並行処理を実現するかを示していますが、Rustのコンパイル時チェックは、大幅な安全性の利点を提供します。C++の例では、std::atomicが使用されていない場合、データ競合が発生する可能性があります。
RustとC++ はどちらも、高いパフォーマンスで知られています。C++ の直接的なメモリ制御と低レベルのハードウェアアクセスは、その速度に貢献しています。Rustのパフォーマンスは非常に競争力があり、多くの場合、ベンチマークでC++ と同等です。しかし、ハイパフォーマンスコンピューティング(HPC)では、C++ は、より成熟したSIMD(Single Instruction, Multiple Data)最適化により、優位性を持つことがよくあります。
Rustの安全性チェックによるランタイムオーバーヘッドは最小限であり、多くの場合、実際のアプリケーションでは無視できる程度です。特に複雑なプロジェクトでは、メモリ安全性と安全な並行処理の向上が、これを上回ることがよくあります。
HPCのような特殊なシナリオでは、C++ は、その成熟度、コンパイラの最適化、および広範な高度に調整されたライブラリにより、わずかに優位性を持つ可能性があります。しかし、Rustのパフォーマンスは継続的に向上しており、その差は縮まっています。
C++ は、大規模で成熟した標準ライブラリ(STL)を持ち、多くのコンテナ、アルゴリズム、およびユーティリティを提供しています。これは、事前に構築されたソリューションを提供するため、有利な場合があります。しかし、STLには古いコンポーネントが含まれており、複雑になる可能性があります。
Rustの標準ライブラリは、よりミニマルであり、コア機能と安全性に重点を置いています。追加機能は、Cargoによって管理される「クレート」(パッケージ)を通じて提供されます。C++ のエコシステムよりも若いですが、Rustのコミュニティは活発で、急速に成長しています。
メタプログラミング(他のコードを操作するコードを書くこと)は、両方の言語で強力です。C++ は、コンパイル時の計算とコード生成にテンプレートメタプログラミングを使用します。しかし、C++ のテンプレートは複雑になる可能性があり、コンパイル時間を増加させます。
Rustは、トレイトベースのジェネリクスとマクロを使用します。C++ のテンプレートよりも、いくつかの点で強力ではないものの、Rustのアプローチは、多くの場合、より読みやすく、一貫性があります。
RustとC++ では、エラー処理の方法が異なります。RustはResult型を使用し、明示的なエラーチェックを促進します。これにより、エラー処理が予測可能になり、予期しない例外が減少します。
// Rust Resultの例
fn divide(x: f64, y: f64) -> Result<f64, String> {
if y == 0.0 {
Err("0で割ることはできません".to_string())
} else {
Ok(x / y)
}
}
fn main() {
match divide(10.0, 2.0) {
Ok(result) => println!("結果: {}", result),
Err(err) => println!("エラー: {}", err),
}
match divide(5.0, 0.0) {
Ok(result) => println!("結果: {}", result), // 到達しない
Err(err) => println!("エラー: {}", err), // "エラー: 0で割ることはできません" を出力
}
}
C++ は従来、例外を使用します。例外は、パフォーマンスのオーバーヘッドを引き起こし、注意深く処理されない場合、リソースリークにつながる可能性があります。現代のC++ は、std::optional、そしてC++ 23からはstd::expectedも提供しており、RustのResultのような、より明示的なエラー処理スタイルを可能にしています。しかし、std::expectedはまだ比較的新しく、多くのC++ コードベースではまだ広く使用されていません。
//C++ 例外と std::optional の例
#include <iostream>
#include <optional>
#include <stdexcept>
double divide_exception(double x, double y) {
if (y == 0.0) {
throw std::runtime_error("0で割ることはできません");
}
return x / y;
}
std::optional<double> divide_optional(double x, double y) {
if (y == 0.0) {
return std::nullopt;
}
return x / y;
}
int main() {
try {
std::cout << divide_exception(10.0,2.0) << std::endl;
std::cout << divide_exception(1.0,0.0) << std::endl;
}
catch (const std::runtime_error& error)
{
std::cout << "エラー:" << error.what() << std::endl;
}
if (auto result = divide_optional(5.0, 2.0)) {
std::cout << "結果: " << *result << std::endl;
}
if (auto result = divide_optional(5.0, 0.0)) {
// このブロックは実行されない
} else {
std::cout << "0で割ることはできません (optional)" << std::endl;
}
return 0;
}
Rustのコンパイルはモジュール式であり、「クレート」が基本的な単位です。これにより、高速なインクリメンタルビルドと、より優れた依存関係管理が可能になります。C++ は従来、プリプロセッサベースのモデルと分割コンパイルを使用します。これは柔軟性がありますが、特に大規模なプロジェクトでは、ビルド時間が遅くなる可能性があります。C++20では、これに対処するためにモジュールが導入されましたが、その採用はまだ進行中です。
Rustの構文はCおよびC++ に似ているため、C++ 開発者にとって馴染みやすいものです。しかし、Rustは関数型プログラミングの影響を取り入れており、より現代的なスタイルになっています。
両方の言語がオブジェクト指向プログラミング(OOP)をサポートしていますが、その方法は異なります。C++ はマルチパラダイムであり、クラス、継承、およびポリモーフィズムを備えています。Rustは、構造体、列挙型、トレイト、およびメソッドをOOPに使用しますが、従来のクラス継承はありません。Rustのアプローチは、多くの場合、より柔軟であると考えられており、C++ の継承の複雑さを回避します。
Rustは多くの利点を提供しますが、その欠点を認識することも重要です。
Rustは以下のような場合に適しています:
C++は以下のような場合に依然として有力な選択肢です:
RustとC++ は共存する可能性が高いです。C++ の大規模なコードベースとパフォーマンスが重要な分野での使用は、その継続的な関連性を保証します。しかし、Rustは、メモリ安全性と並行処理が最も重要な分野で勢いを増しています。安全性