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“全局”借用上下文的引用，并且状态机在哪里拥有它们的状态。我试图在激发问题的同时尽可能多地删减细节，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 trait 对象而不是枚举来实现状态，因为我希望有很多状态。状态在其更新方法中返回Some(State)，以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，使这些框无用，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，这是一个什么都不做的状态。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，并且纹理的寿命不超过其创建者。纹理需要一个生命周期参数来确保这一点。 Tileset 拥有一个纹理，因此导出了这个需求。这意味着我不能在状态本身中存储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，当我们创建我们的主状态时，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，并且该状态机是寿命最短的变量。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只是被方法调用借用了，但是编译器说方法结束时它仍然是借用的。我希望它能让我在错误消息中追踪借用者的身份——我不明白为什么当方法返回时没有返回借用。

基本上，我想要以下内容：

• 状态由 trait 实现。
• 状态归状态机所有。
• 状态能够包含对任意非静态数据的引用，其生命周期大于状态机的生命周期。
• 当一个状态被换出时，旧盒子仍然有效，以便它可以移动到新状态的构造函数中。这将允许新状态切换回之前的状态，而无需重新构建。
• 状态可以通过从“更新”返回新状态来发出状态更改的信号。旧状态必须能够在自身内部构建这个新状态。

是否可以满足这些约束条件，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事情的可能性，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更复杂和受限制。

Answer 1

在StateMachine::switch_state 中，您不想在&mut self 上使用's 生命周期； 's 代表状态借用资源的生命周期，而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：完整类型为&'s mut StateMachine<'s>；你只需要在StateMachine 上使用's，不是在参考上。

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与它借用的东西具有相同的生命周期。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：

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