使用状态机模式时解决 Rust 所有权问题

Question

这个问题是关于在 Rust 中为视频游戏实现状态机时可能出现的特定所有权模式，其中状态可以持有对 "global" 借用上下文的引用，并且状态机拥有它们的状态.我已尝试尽可能多地删除细节，同时仍然激发问题，但这是一个相当大且纠结的问题。

这是状态特征：

pub trait AppState<'a> {
    fn update(&mut self, Duration) -> Option<Box<AppState<'a> + 'a>>;
    fn enter(&mut self, Box<AppState<'a> + 'a>);
    //a number of other methods
}

我正在使用盒装特征对象而不是枚举来实现状态，因为我希望有相当多的状态。在它们的更新方法中状态 return a Some(State) 以便使它们拥有的状态机切换到新状态。我添加了一个生命周期参数，因为没有它，编译器将生成类型为：Box<AppState + 'static> 的框，使框无用，因为状态包含可变状态。

说到状态机，这里是：

pub struct StateMachine<'s> {
    current_state: Box<AppState<'s> + 's>,
}

impl<'s> StateMachine<'s> {
    pub fn switch_state(&'s mut self, new_state: Box<AppState<'s> + 's>) -> Box<AppState<'s> + 's> {
        mem::replace(&mut self.current_state, new_state);
    }
}

状态机始终具有有效状态。默认情况下，它以 Box<NullState> 开头，这是一种什么都不做的状态。为简洁起见，我省略了 NullState。就其本身而言，这似乎编译得很好。

InGame 状态旨在实现一个基本的游戏场景：

type TexCreator = TextureCreator<WindowContext>;

pub struct InGame<'tc> {
    app: AppControl,
    tex_creator: &'tc TexCreator,

    tileset: Tileset<'tc>,
}

impl<'tc> InGame<'tc> {
    pub fn new(app: AppControl, tex_creator: &'tc TexCreator) -> InGame<'tc> {
        // ... load tileset ...

        InGame {
            app,
            tex_creator,
            tileset,
        }
    }
}

这个游戏依赖于 Rust SDL2。这组特定的绑定要求纹理由 TextureCreator 创建，并且纹理不会比它们的创建者活得更久。纹理需要一个生命周期参数来确保这一点。 Tileset 持有纹理，因此导出此要求。这意味着我无法在状态本身中存储 TextureCreator（尽管我愿意），因为可变借用的 InGame 可能会将纹理创建者移出。因此，纹理创建者在 main 中拥有，当我们创建主状态时，对它的引用被传递给：

fn main() {
    let app_control = // ...
    let tex_creator = // ...
    let in_game = Box::new(states::InGame::new(app_control, &tex_creator));
    let state_machine = states::StateMachine::new();
    state_machine.switch_state(in_game);
}

我觉得这个程序应该是有效的，因为我已经确保 tex_creator 比任何可能的状态都长，而且状态机是最不长寿的变量。但是，我收到以下错误：

error[E0597]: `state_machine` does not live long enough
  --> src\main.rs:46:1
   |
39 |     state_machine.switch_state( in_game );
   |     ------------- borrow occurs here
...
46 | }
   | ^ `state_machine` dropped here while still borrowed
   |
   = note: values in a scope are dropped in the opposite order they are created

这对我来说没有意义，因为state_machine只是在方法调用时借用的，但是编译器说方法结束时仍然在借用。我希望它能让我追踪错误消息中的借款人是谁——我不明白为什么在方法 return 时没有 return 借用。

基本上，我想要以下内容：

状态由特征实现。
状态由状态机拥有。
状态能够包含对生命周期大于状态机的任意非静态数据的引用。
当状态被换出时，旧框仍然有效，以便可以将其移入新状态的构造函数中。这将允许新状态切换回之前的状态，而不需要重新构建它。
状态可以通过 return 从 'update' 获取新状态来表示状态更改。旧状态必须能够在自身内部构建这个新状态。

是否可以满足这些限制条件？如果可以，如何满足？

对于这个冗长的问题以及我可能遗漏了一些明显的东西，我深表歉意，因为在上面的实现中做出了许多决定，我不确定我是否理解生命周期的语义。我试图在网上搜索这种模式的例子，但它似乎比我见过的玩具例子要复杂得多，限制也更多。

Answer 1

在 StateMachine::switch_state 中，您不想在 &mut self 上使用 's 生命周期； 's表示状态借用资源的生命周期，不是状态机的生命周期。请注意，通过这样做，self 的类型以 's 结束两次：完整类型是 &'s mut StateMachine<'s>；您只需要在 StateMachine 上使用 's，在参考上使用 而不是 。

在可变引用 (&'a mut T) 中，T 是 invariant，因此 's 也是不变的。这意味着编译器认为状态机的生命周期与其借用的生命周期相同。因此，在调用switch_state之后，编译器认为状态机最终借用了自己.

简而言之，将&'s mut self更改为&mut self：

impl<'s> StateMachine<'s> {
    pub fn switch_state(&mut self, new_state: Box<AppState<'s> + 's>) -> Box<AppState<'s> + 's> {
        mem::replace(&mut self.current_state, new_state)
    }
}

您还需要将 main 中的 state_machine 声明为可变的：

let mut state_machine = states::StateMachine::new();

使用状态机模式时解决 Rust 所有权问题

Getting around Rust ownership problems when using state machine pattern

ownership-semantics

state-machine

lifetime

rust