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类型状态模式

问题​

如何用 Rust 的类型系统在编译时保证状态转换的正确性？

答案​

类型状态模式利用泛型标记将状态编码到类型中，非法的状态转换在编译时就会被拒绝。

关于 PhantomData 的基础用法请参考 PhantomData。

典型示例：HTTP 请求构建器​

use std::marker::PhantomData;

// 状态标记（零大小类型）
struct Draft;
struct Ready;
struct Sent;

struct HttpRequest<S> {
    url: String,
    method: String,
    body: Option<String>,
    _state: PhantomData<S>,
}

impl HttpRequest<Draft> {
    fn new(url: &str) -> Self {
        HttpRequest {
            url: url.to_string(),
            method: "GET".to_string(),
            body: None,
            _state: PhantomData,
        }
    }

    fn method(mut self, m: &str) -> Self {
        self.method = m.to_string();
        self
    }

    fn body(mut self, b: &str) -> Self {
        self.body = Some(b.to_string());
        self
    }

    // Draft → Ready
    fn prepare(self) -> HttpRequest<Ready> {
        HttpRequest {
            url: self.url,
            method: self.method,
            body: self.body,
            _state: PhantomData,
        }
    }
}

impl HttpRequest<Ready> {
    // Ready → Sent
    async fn send(self) -> HttpRequest<Sent> {
        println!("{} {} {:?}", self.method, self.url, self.body);
        HttpRequest {
            url: self.url,
            method: self.method,
            body: self.body,
            _state: PhantomData,
        }
    }
}

impl HttpRequest<Sent> {
    fn status(&self) -> u16 { 200 }
}

// 使用
let req = HttpRequest::new("https://api.example.com")
    .method("POST")
    .body(r#"{"name":"Alice"}"#)
    .prepare()  // Draft → Ready
    .send()     // Ready → Sent
    .await;

println!("Status: {}", req.status());

// req.send().await;  // ❌ 编译错误：Sent 没有 send 方法
// HttpRequest::new("...").send();  // ❌ 编译错误：Draft 没有 send 方法

实际应用​

场景状态编译时保证
TCP 连接未连接 → 已连接 → 已关闭不能在未连接时发送
文件操作已打开 → 已写入 → 已关闭不能写入已关闭的文件
事务开始 → 操作中 → 提交/回滚不能重复提交

常见面试问题​

Q1: 类型状态模式有什么缺点？​

答案：

  • 代码量增加：每个状态转换需要独立的 impl 块
  • 泛型膨胀：多个状态维度组合导致类型爆炸
  • 动态状态困难：运行时才知道的状态无法使用此模式（需要枚举）

适用于状态流程固定、需要强安全保证的场景。

相关链接​