Rust1.74で追加された機能を使ってモナドを作ってみる

これは何の記事？

すっかり忘れて遅れてしまいましたが、Rustアドベントカレンダー15日目の記事です！
(何番煎じかわかりませんが)今回はRustでモナドを作ってみようという記事になります。

なんでやろうと思ったの？

最初のきっかけはfuncさんとの会話になります。
https://x.com/func_hs/status/1726045859132109185?s=20

以前RustにGATsという機能が導入されたとき、「Rustでもモナドを作ることはできるのか？」ということが話題になりました。GATsはざっくりいうと、trait内の関連型でGenericsを使用できる機能です。（詳しい内容はhttps://blog.rust-lang.org/2022/10/28/gats-stabilization.html を参照ください。）

偉大な先人の方々がモナドの実装を試してくれたのですが、そのときは ApplicativeからMonadを実装する MonadからApplicativeを実装することができなかったようです。そのときはmapの返り値の型を縛ることができないため、Rustがコンパイルエラーを出すことが原因だった様でした。(すみません、一部間違っていました。YOSHIMURAさんご指摘ありがとうございます！)

詳しい説明は以下のブログが詳しいです。
https://jackh726.github.io/rust/2022/05/04/a-shiny-future-with-gats.html
https://zenn.dev/yyu/articles/f60ed5ba1dd9d5
https://blog-dry.com/entry/2020/12/25/130250

この記事だと問題点として以下のコードが実装できることを問題にしていました。fmapの返り値がOptionでなくResultという変な挙動ができてしまうというわけです。

impl<T> Functor for Option<T> {
    type Inner = T;
    type This<B> = Result<B, ()>;

    fn fmap<F, B>(self, f: F) -> Self::This<B>
    where
        F: FnOnce(Self::Inner) -> B {
        self.map(f).ok_or(())
    }
}

これがRust1.74の新しい機能で解決できるのでは？というのが今回の記事の目的になります。

Rust1.74で何ができる様になったの？

Rust1.74の機能で、async fnや-> impl Traitの返り値にもSelfのような不透明な型を使える様になりました。今後この記事では『impl trait projections』 と呼びます。

Announcing Rust 1.74.0から例を持ってくると以下の様な感じになります。trait内で使用できる型の自由度が広がったことで、traitがより使いやすくなりました。

struct Wrapper<'a, T>(&'a T);

// Opaque return types that mention `Self`:
impl Wrapper<'_, ()> {
    async fn async_fn() -> Self { /* ... */ }
    fn impl_trait() -> impl Iterator<Item = Self> { /* ... */ }
}

trait Trait<'a> {
    type Assoc;
    fn new() -> Self::Assoc;
}
impl Trait<'_> for () {
    type Assoc = ();
    fn new() {}
}

// Opaque return types that mention an associated type:
impl<'a, T: Trait<'a>> Wrapper<'a, T> {
    async fn mk_assoc() -> T::Assoc { /* ... */ }
    fn a_few_assocs() -> impl Iterator<Item = T::Assoc> { /* ... */ }
}

で、これを使って型を縛れるか？というのが今回の検証内容になります。

検証する

まず、Functorのtraitを定義しましょう。

impl<T> Functor for Option<T> {
    type Inner = T;
    type This<B> = Option<B>;

    fn fmap<F, B>(self, f: F) -> impl Functor<Inner = B, This = Self::This<B>>
    where
        F: FnOnce(Self::Inner) -> B,
    {
        self.map(f).ok_or(())
    }
}

これだとコンパイルエラーになります。traitでは->impl Trait使えないからダメみたいですね。

`impl Trait` only allowed in function and inherent method return types, not in trait method return types
see issue #91611 <https://github.com/rust-lang/rust/issues/91611> for more informationrustcClick for full compiler diagnostic)

Traitをこの様にして、

impl<T> Functor for Option<T> {
    type Inner = T;
    type This<B> = Result<B, ()>;

    fn fmap<F, B>(self, f: F) -> Self::This<B>
    where
        F: FnOnce(Self::Inner) -> B,
    {
        self.map(f).ok_or(())
    }
}

traitをimplする側で-> impl Functorにしてみてはどうでしょうか？

impl<T> Functor for Option<T> {
    type Inner = T;
    type This<B> = Option<B>;

    fn fmap<F, B>(self, f: F) -> impl Functor<Inner = B, This = Self::This<B>>
    where
        F: FnOnce(Self::Inner) -> B,
    {
        self.map(f).ok_or(())
    }
}

これもコンパイルエラーでますね。impl Trait内で-> impl Traitすることは出来なさそうです。

`impl Trait` only allowed in function and inherent method return types, not in `impl` method return types
see issue #91611 <https://github.com/rust-lang/rust/issues/91611> for more informationrustcClick for full compiler diagnostic

となると結局こうなってしまいますね。これだとOptionをfmapしてResultを返すことができてしまうので、正しく型を縛ることは出来なさそうです。

struct OptionF<T>(Option<T>);

impl<T> OptionF<T> {
    fn fmap<F, B>(self, f: F) -> impl Functor<Inner = B, This<B> = Result<B, ()>>
    where
        F: FnOnce(T) -> B,
    {
        self.0.map(f).ok_or(())
    }
}

結果と考察

ということで、今の時点の結論です。

• GATsの時にあったfmapの返り値の型を違うものにできてしまう問題は解決していない。ここは変わらない。
• trait側やtraitをimplするところでこの機能を使うことはできない。なので型を縛れない。
• モナドの動作をエミュレートすることはできる。(これは前から)

実装はここに置いてますので、ご参考ください。

最後に

まだ型やモナドについてそこまで詳しい訳ではないので、ツッコミどころも色々あると思います。
何か質問や指摘あればやさしくコメントいただけると嬉しいです！