如何在 Rust 中惯用地实现重要的类型状态模式？

Question

我正在尝试构建一个简单 CPU 的 FSM，它由大约 40 个状态组成，带有循环，以及跨整个 CPU 状态的许多变量的许多条件。这个 FSM 的运行就像一个简单的图灵机；读取内存单元（想想 u16 的向量），计算一些结果，并将它们存储回内存中。

我的问题是：这是如何在 Rust 中惯用地实现的？

按照我的考虑，你会做这样的事情：

1. 有一个代表各州的基本枚举。
2. 每个状态都有另一个枚举来表示转换（但也许全部都在同一个枚举中？）。
3. 不知何故，您必须访问 CPU 状态（所有不同寄存器的值等）才能知道如何发出下一个状态转换，但为了提高效率，您需要能够传递不同的子集CPU 状态的一部分，但不知何故仅在计算后改变代表 CPU 状态的单个副本。
4. 您可能可以构建一个“状态差异”向量，当您达到某些状态时可以立即应用它，这也有利于实现简单的调试器。

我对 Rust 很陌生，所以对这些复杂的组合类型问题进行建模仍然不是很自然。

如果您想了解到目前为止的情况，我这里有一个存储库：https://github.com/ijustlovemath/lrc3

Answer 1

实现此目的的一种方法是创建一个

Cpu<State>

，然后为每个状态创建一个结构体来承载所有特定于状态的数据，并为每个状态编写一个

impl

以提供转换到下一个状态的方法。

struct Cpu<State> {
    data: Vec<u16>,
    state: State,
}


struct State1 {
    foo: String
}

struct State2 {
    bar: usize
}

impl Cpu<State1> {
    fn transition(self) -> Cpu<State2> {
        let Self { data, state: State1 { foo } }  = self;
        let bar = foo.len();
        Cpu { data, state: State2 { bar } }
    }
}

您基本上已经在类型系统中编码了枚举变体。状态之间的有效转换作为方法公开，无效的转换无法表示。