PhantomData 3/4: 外部リソースのライフタイム

外部リソースの不変条件は、多くの場合、ライフタイム規則で表現できることと一致します。

// Copyright 2025 Google LLC
// SPDX-License-Identifier: Apache-2.0

// use std::marker::PhantomData;

/// C のデータベースライブラリへの直接的な FFI。
/// この API はそのまま提供されたものであり、こちらからは変更できません。
mod ffi {
    pub type DatabaseHandle = u8; // 同時に開けるデータベースは最大 255 個

    fn database_open(name: *const std::os::raw::c_char) -> DatabaseHandle {
        unimplemented!()
    }
    // ... など。
}

struct DatabaseConnection(ffi::DatabaseHandle);

struct Transaction<'a>(&'a mut DatabaseConnection);

impl DatabaseConnection {
    fn new_transaction(&mut self) -> Transaction<'_> {
        Transaction(self)
    }
}

fn main() {}

Aliasing XOR Mutability の例にあったトランザクション API を思い出してください。

トランザクションがアクティブな間データベースをロックするため、トランザクション型の中でデータベース接続への可変参照を保持していました。

この例では、外部の非 Rust API の上に Transaction API を実装したいと考えています。

まず、&mut DatabaseConnection を保持する Transaction 型を定義するところから始めます。
質問: この実装の限界は何でしょうか。u8 は実装上正確であり、外部 API を使うための情報として十分であると仮定してください。

想定:
- 64 ビットプラットフォームでは、間接参照のために必要以上に 7 バイト多く使い、実行時にはポインタのデリファレンスのコストもかかります。
問題: トランザクションには、それを作成したデータベース接続を借用させたい一方で、 Transaction オブジェクトには実際の参照を格納したくありません。
質問: ライフタイムパラメータを残したまま、 Transaction から可変参照を取り除くとどうなるでしょうか。

想定: 未使用のライフタイムパラメータになります。
前のスライドの型タグ付けと同様に、この未使用のライフタイムパラメータを表すために PhantomData を使うことができます。

違いは、このライフタイムを別の型と一緒に使う必要があることですが、その別の型自体はそれほど重要ではないという点です。

実演: Transaction を次のように変更します。

#![allow(unused)]
fn main() {
// Copyright 2025 Google LLC
// SPDX-License-Identifier: Apache-2.0

struct Transaction<'a> {
    connection: DatabaseConnection,
    _phantom: PhantomData<&'a mut DatabaseConnection>,
}
}

DatabaseConnection::new_transaction() メソッドを更新します。

#![allow(unused)]
fn main() {
// Copyright 2025 Google LLC
// SPDX-License-Identifier: Apache-2.0

impl DatabaseConnection {
    fn new_transaction<'a>(&'a mut self) -> Transaction<'a> {
        Transaction { connection: DatabaseConnection(self.0), _phantom: PhantomData }
    }
}
}

これにより、それを作成した DatabaseConnection に結び付けられた所有されたデータベース接続を得られますが、参照を格納する版よりも実行時のメモリフットプリントを小さくできます。

PhantomData はゼロサイズ型（() や struct MyZeroSizedType; のようなもの）なので、 Transaction のサイズは теперь u8 と同じになります。

代わりに参照を保持していた実装は、usize と同じ大きさでした。

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型と値の間の関係をこのようにエンコードする方法は、unsafe と組み合わせると非常に強力です。というのも、ライフタイムを操作する方法がほとんど任意になるからです。これは危険でもありますが、外部の機械検証済み証明のようなツールと組み合わせることで、関連するデータ型にライフタイムと安全性に関する期待をエンコードしつつ、循環/自己参照型を安全にエンコードできます。
GhostCell (2021) の論文と、その関連実装は、この種の取り組みを示しています。borrow checker には制約がありますが、それでも抜け道を使う方法はあり、そのうえで そうした抜け道の使い方が一貫していて安全であることを示す ことができます。

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