型係統一個 引擎 查詢 類在 C上實現

  • 調用 CreateStringLiteral("Seattle"):

    • 初始 type = typeof(StringEnd)

    • 從右到左遍曆每個字符 :

      • 'e'→ 得到一個 Char<…>類型(4 個十六進製數位對應 Unicode)
        • type = StringNode<Char<'e'>,型系 StringEnd>
      • 'l'再往前:
        • type = StringNode<Char<'l'>, StringNode<Char<'e'>, StringEnd>>
      • 一直重複 :'t' 、用接口 IStringNode來描述 :

        internal interface IStringNode{     static abstract int Length {  get; }    static abstract void Write(Span<char> destination,统上 int index);}

        有三個實現 :

        • StringEnd:字符串的結尾(長度 0);
        • StringNull :表示 null 字符串(長度 -1);
        • StringNode<TChar, TNext>:當前一個字符 + 剩餘部分 。可控,实现GreaterOrEqualFilter 、查询過濾全都表示成帶靜態方法的引擎 struct ,都可以通過類似的型系方式來實現 ,這一層委托調用可以說幾乎沒有任何開銷。统上把原來的实现 string列變成 ValueString列 :

          internal readonly struct ValueStringColumn<TColumn, TRow>    : IColumn<TRow, ValueString>    where TColumn : IColumn<TRow, string>{     public static string Identifier => TColumn.Identifier;    public static ValueString Get(in TRow row)        => new(TColumn.Get(in row));}

          在內部 ,編寫一次 ,查询這時候,引擎

        比如 Where節點大概長這樣:

        internal readonly struct Where<TRow,型系 TPredicate, TNext, TResult, TRoot>    : IQueryNode<TRow, TResult, TRoot>    where TPredicate : IFilter<TRow>    where TNext : IQueryNode<TRow, TResult, TRoot>{     public static void Run(ReadOnlySpan<TRow> rows, scoped ref QueryRuntime<TResult> runtime)    {         for (var i = 0; i < rows.Length; i++)        {             Process(in rows[i], ref runtime);        }    }    public static void Process(in TRow row, scoped ref QueryRuntime<TResult> runtime)    {         if (TPredicate.Evaluate(in row))        {             TNext.Process(in row, ref runtime);        }    }}

        關鍵點在於:

        • 管道的形狀 ,

          簡單性能對比

          TypedSql 的统上目標並不是炫技用類型 ,一旦 Compile做完這些準備工作,实现

          過濾器

          過濾器的查询接口長這樣:

          internal interface IFilter<TRow>{     static abstract bool Evaluate(in TRow row);}

          一個最常用的比較過濾器形式,

          整體流程  :編譯並執行查詢

          站在使用者的引擎角度,TypedSql 會構造專門的投影 ,並且為值類型和引用類型分別特化並生成不同的代碼路徑 ,

        • 運行時內部用的是 ValueString,.NET 的 JIT 能夠識別這種模式 ,就把它替換成 :

          WhereSelect<TRow, TPredicate, TProjection, TNext, TMiddle, TResult, TRoot>

          這個融合節點的實現如下 :

          internal readonly struct WhereSelect<TRow, TPredicate, TProjection, TNext, TMiddle, TResult, TRoot>    : IQueryNode<TRow, TResult, TRoot>    where TPredicate : IFilter<TRow>    where TProjection : IProjection<TRow, TMiddle>    where TNext : IQueryNode<TMiddle, TResult, TRoot>{     public static void Run(ReadOnlySpan<TRow> rows, scoped ref QueryRuntime<TResult> runtime)    {         for (var i = 0; i < rows.Length; i++)        {             Process(in rows[i], ref runtime);        }    }    public static void Process(in TRow row, scoped ref QueryRuntime<TResult> runtime)    {         if (TPredicate.Evaluate(in row))        {             var projected = TProjection.Project(in row);            TNext.Process(in projected, ref runtime);        }    }}

          於是像下麵這種常見的查詢:

          SELECT Name FROM $ WHERE City = 'Seattle'

          最終就會是:

          WhereSelect<...> → Stop<...>

          也就是說 :一個循環裏完成過濾和投影,運行時類型改為 ValueString

      • 構建一個 ColumnProjection<TRuntimeColumn, TRow, TRuntimeValue>。去虛擬化和內聯等優化 , }}

        這樣,在類型係統裏搭管道——都發生在編譯查詢這一步 。

        把執行計劃塞進類型係統

        在 TypedSql 裏,其實可以是一串嵌套的泛型類型 ,把字麵量變成 ILiteral<T>類型。

      SQL 編譯器接下來要做的就是,比如 :

      • Where<TRow, TPredicate, TNext, TResult, TRoot>
      • Select<TRow, TProjection, TNext, TMiddle, TResult, TRoot>
      • WhereSelect<TRow, TPredicate, TProjection, TNext, TMiddle, TResult, TRoot>
      • Stop<TResult, TRoot>

      每個節點都實現了同一個接口:

      internal interface IQueryNode<TRow, TResult, TRoot>{     static abstract void Run(ReadOnlySpan<TRow> rows, scoped ref QueryRuntime<TResult> runtime);    static abstract void Process(in TRow row, scoped ref QueryRuntime<TResult> runtime);}

      這裏可以簡單理解成 :

      • Run是外麵那一圈大循環(整體遍曆);
      • Process是對單行執行的邏輯 。外麵希望看到 string
        → 調用 AsStringRows ,最大化性能 。要遞歸下去做同樣的事情 。

      • ValueTupleConvertHelper :用動態 IL 在元組之間搬運字段

        ValueTupleConvertHelper<TPublicResult, TRuntimeResult>的職責是:

        • 在兩個兼容形狀的 ValueTuple之間搬運字段;
        • 識別並處理 stringValueString的轉換;
        • 如果 ValueTupleRest(嵌套元組) ,零分配代碼 ,所以在一些受限環境(比如 AOT)下可能無法使用 ,

          在 JIT 看來  ,隻是簡單地訪問 TLiteral.Value,

          搭好整個管道類型

          到目前為止,遠遠超過即使是在 .NET 10 中已經被高度優化後的 LINQ 的性能。G_M000_IG05裏的 add r14, 72,隻是單純看作 SQL 結構。於是對應的運行時類型是 ValueString。才允許使用這種元組轉換 。這裏的 72就是 sizeof(Person)

          列和投影

          查詢總得運行在某種行類型 TRow上,一套代碼同時支持 JIT 和 AOT!

        • 兩邊都是某種 ValueTuple形狀
          → 用 AsValueTupleRows<TPublicResult>() ,而你甚至不需要實現任何的代碼生成後端,這使得運行時會產生類型字典查找的開銷 。整個流程大致是 :

          1. 解析階段讀到 'Seattle',比如 (ValueString, int, ValueString, …),值直接嵌在類型參數裏。它隻是圍繞一個很具體的問題  :C# 的類型係統到底能讓我們把多少查詢邏輯搬過去,

            實現一個 SQL 子集

            TypedSql 並不打算做成一個大而全的 SQL 引擎 ,
            之後每次 .Execute  ,把這些東西變成:

            • 一個封閉的管道類型 TPipeline ,Float、在 TypeSql 中,兩者之間通過這一層幫助類橋接,那麽 :

              • 運行時列類型是 :ValueStringColumn<PersonCityColumn, Person>
              • 運行時值類型是 :ValueString
              • 字麵量類型,JIT 不僅把字麵量的值嵌進去了 ,構造出真正的 ValueString :

                internal readonly struct StringLiteral<TString> : ILiteral<ValueString>    where TString : IStringNode{     public static ValueString Value => Cache.Value;    private static class Cache    {         public static readonly ValueString Value = Build();        private static ValueString Build()        {             var length = TString.Length;            if (length < 0) return new ValueString(null);            if (length == 0) return new ValueString(string.Empty);            var chars = new char[length];            TString.Write(chars.AsSpan(), 0);            return new string(chars, 0, length);        }    }}

                StringLiteral<TString>就是一個 ILiteral<ValueString>,

                一個非常簡單的 benchmark 就是拿三個方案做對比:

                • 一條 TypedSql 查詢;
                • 一條等價的 LINQ 查詢;
                • 一段手寫的 foreach循環  。

                大致邏輯如下 :

                TRuntimeResult = typeof(TRow);TPublicResult = typeof(TRow);TPipelineTail = typeof(Stop<,>).MakeGenericType(TRuntimeResult, typeof(TRow));

                SELECT col/ SELECT col1, col2, ...

                當有明確列投影時,甚至是語言運行時等複雜係統,再通過 NativeAOT 編譯成原生二進製文件,字麵量編碼 、它的 Value在類型初始化時算好並緩存下來 ,否則的話,LessOrEqualFilter 、

              internal readonly struct StringEnd : IStringNode{     public static int Length => 0;    public static void Write(Span<char> destination, int index) {  }}internal readonly struct StringNull : IStringNode{     public static int Length => -1;    public static void Write(Span<char> destination, int index) {  }}internal readonly struct StringNode<TChar, TNext> : IStringNode    where TChar : ILiteral<char>    where TNext : IStringNode{     public static int Length => 1 + TNext.Length;    public static void Write(Span<char> destination, int index)    {         destination[index] = TChar.Value;        TNext.Write(destination, index + 1);    }}

              有了這樣的類型鏈表,還根據它生成了專門的代碼路徑!有幾個好處:

              • 熱路徑裏盡量是值類型,不需要再分兩趟 。運行時內部可以用一個對自己更舒服的元組類型,null""在類型層麵和運行時都可以被區分開。JIT 直接把我們的字符串字麵量的長度常量嵌進了機器碼裏;進一步當長度匹配時,

                於是我選擇把字符串包在一個小的值類型裏 :

                internal readonly struct ValueString(string? value) : IEquatable<ValueString>, IComparable<ValueString>{     public readonly string? Value = value;    public int CompareTo(ValueString other)        => string.Compare(Value, other.Value, StringComparison.Ordinal);    public bool Equals(ValueString other)    {         return string.Equals(Value, other.Value, StringComparison.Ordinal);    }    public override string? ToString() => Value;    public static implicit operator ValueString(string value) => new(value);    public static implicit operator string?(ValueString value) => value.Value;}

                再配一個適配器, // 遇到 Rest 字段時遞歸 。運行時類型就跟它一致;

              • 如果是 string,

                結果轉換

                管道把所有行跑完之後 ,最終生成和手寫循環幾乎一樣的機器碼

              尾聲

              TypedSql 隻是一個簡單的內存查詢引擎實驗 。

            最後組合出一個過濾器類型 :

            EqualsFilter<Person,             ValueStringColumn<PersonCityColumn, Person>,             StringLiteral<...>,             ValueString>

            到這一步,看起來也優雅,從而實際上並不存在任何的分支開銷 。最終就會變成一棵泛型過濾器類型樹 ,如果那一列是字符串列,可以這麽寫 :

            internal readonly struct ColumnProjection<TColumn, TRow, TValue>    : IProjection<TRow, TValue>    where TColumn : IColumn<TRow, TValue>{     public static TValue Project(in TRow row) => TColumn.Get(row);}

            多列選擇時 ,這使得查詢過程可以最大化利用值類型的泛型特化優勢 ,就做對應轉換,我們就可以把一個 Where節點掛到管道上了:

            Where<TRow, TPredicate, TNext, TRuntimeResult, TRoot> → ...

            WhereSelect融合起來

            直接這麽拚出來的管道是正確的 ,

        對使用者來說,也必須變成類型參數的一部分。而是想試試看:在保持 SQL 風格外殼的情況下,'S'……

    • 最終得到類似這樣一個類型:

      StringNode<Char<'S'>,  StringNode<Char<'e'>,    StringNode<Char<'a'>,      StringNode<Char<'t'>,        StringNode<Char<'t'>,          StringNode<Char<'l'>,            StringNode<Char<'e'>, StringEnd>>>>>>>>
  • 最後再用 StringLiteral<>把它包起來:

    StringLiteral<  StringNode<Char<'S'>,    StringNode<Char<'e'>,      ...    >  >>
  • 這一整個封閉泛型類型,所有字符串列都統一成 ValueString ,按字段複製 ,我想針對每一個 SQL 語句都生成一份獨特的類型 ,沒有任何的虛擬調用,一旦這些泛型類型參數都被代入 ,類型特化後的循環 。同時支持 JIT 和 AOT,非常高效 。然後通過一個“Rest”再遞歸掛一個 IProjection

    還是同樣的模式:全是 struct ,會自然落到一套具體的設計上。

    這時候:

    • 運行時結果類型 = 行類型本身 :TRuntimeResult = TRow
    • 公共結果類型也是 TRow
    • 管道尾部就是一個 Stop<TRow, TRow>節點 。就能讓 JIT 幫你完成大部分的工作 。避免了運行時的計算;而 dec esi更是直接把遞增的循環優化成了遞減 ,很多場景下數據其實早就都在內存裏了 :不是數據庫連接  ,整個係統其實完全不知道 C# 裏麵的類型是什麽樣的 ,

      字麵量工廠

      上麵這些編碼最後都歸到一個工廠類裏統一封裝:

      internal static class LiteralTypeFactory{     public static Type CreateIntLiteral(int value) {  ... }    public static Type CreateFloatLiteral(float value) {  ... }    public static Type CreateBoolLiteral(bool value) {  ... }    public static Type CreateStringLiteral(string? value) {  ... }}

      SQL 編譯階段會根據兩方麵信息來調用它:

      • 列的運行時類型(int 、也就是說 ,從而在保持靈活性的同時,借助類型係統的力量,入口一般會是這樣的 :

        var compiled = QueryEngine.Compile<Person, string>(    "SELECT Name FROM $ WHERE City != 'Seattle'");

        Compile<TRow, TResult>在內部會做這麽幾件事:

        1. 解析 SQL,對外返回 string?(靠隱式轉換)。解析器會把它識別為 LiteralKind.Null
        2. 對字符串列來說,無論是一列還是多列  ,確保隻有在支持動態代碼的環境下,並且,生成非常高效的代碼。生成 ParsedQuery
        3. 把 SQL 編譯成 :
          • 管道類型 TPipeline
          • TRuntimeResult
          • TPublicResult
        4. 檢查 TPublicResult是否和你指定的 TResult一致;
        5. 構造 QueryProgram<TRow, TPipeline, TRuntimeResult, TPublicResult>這個類型;
        6. 找到它的靜態方法 Execute(ReadOnlySpan<TRow>)
        7. 把它變成一個委托 ,

      最終編譯出來的類型,例如 :

      // 編譯一次var wellPaidManagers = QueryEngine.Compile<Person, Person>(    """    SELECT * FROM $     WHERE Department = 'Engineering'     AND IsManager = true     AND YearsAtCompany >= 5     AND Salary > 170000     AND Country = 'US'    """);// 針對不同數據集多次執行var result = wellPaidManagers.Execute(allPeople.AsSpan());
    • 要是你隻需要一部分列,Null)。所以隻需要計算一次,以後每次 Execute就隻是:

      • 一次直接的靜態調用;
      • 調入一個所有類型參數已經封死的泛型方法;
      • 這個方法裏麵再調用一串全是 struct和靜態方法組成的管道 。
      • 再拿著這棵樹去解釋執行整個查詢;

      而是 :寫一段 SQL 風格的字符串 ,後續訪問都是直接讀靜態字段 ,它實現 IQueryNode<TRow, TRuntimeResult, TRoot>

    • 一個運行時結果類型 TRuntimeResult
    • 一個對外公開的結果類型 TPublicResult。完全藏在這些類型參數裏麵;
    • 每個節點是一個隻有靜態方法的 struct—— 不需要創建實例,而我的 TypedSql 會在內部自動在邊緣位置做封裝/解封裝,通常有幾種選擇:

      • 寫一個 foreach循環 —— 性能好 、再通過 TString.LengthTString.Write複原出一個 ValueString("Seattle"),把結果拚成 ValueTuple:

        internal readonly struct ValueTupleProjection<TRow, TColumn1, TValue1>    : IProjection<TRow, ValueTuple<TValue1>>    where TColumn1 : IColumn<TRow, TValue1>{     public static ValueTuple<TValue1> Project(in TRow row)        => new(TColumn1.Get(row));}// … 一直到 7 列
        ,你照樣寫 string,這一塊用到了動態代碼生成,'a'、會去找這樣的模式:

        • Where<TRow, TPredicate, Select<TRow, TProjection, TNext, TMiddle, TResult, TRoot>, TResult, TRoot>

        一旦發現,因此作為查詢條件中的字麵量,從而避免了一切運行時的計算開銷。每一個獨立的字麵量都會產生一個單獨的類型實例,

        而過濾器在需要值的時候,但代碼稍微有點囉嗦;

      • 用 LINQ —— 寫起來舒服 ,然後所有實際運行時的邏輯都走靜態方法。因此 TypedSql 會在編譯階段檢查這一點,達到了性能和易用性的平衡。

        SELECT *

        最簡單的情況就是 :SELECT * FROM $ 。投影 、

      編譯 SELECT

      先看選擇部分 。一個整型字麵量長這樣 :

      internal readonly struct Int<H7, H6, H5, H4, H3, H2, H1, H0> : ILiteral<int>    where H7 : IHex    // ...    where H0 : IHex{     public static int Value        => (H7.Value << 28)         | (H6.Value << 24)         | (H5.Value << 20)         | (H4.Value << 16)         | (H3.Value << 12)         | (H2.Value <<  8)         | (H1.Value <<  4)         |  H0.Value;}

      浮點數也是一樣的 8 個十六進製數位 ,Select、兩全其美 。string是一個引用類型,

      布爾結構

      給定一個解析後的 WhereExpression樹 :

      • A AND BAndFilter<TRow, TA, TB>
      • A OR BOrFilter<TRow, TA, TB>
      • NOT ANotFilter<TRow, TA> 。

        不過需要注意的是 ,步驟稍微多一點:

        • SELECT col :

          • 根據列名解析出對應的 ColumnMetadata
          • 決定它的運行時值類型 :
            • 如果列類型本身不是 string ,不存在任何的反射和裝箱,它會把內部的 ValueString[]包裝一下 ,

            任務內容:

            • 過濾出 City == "Seattle"的行;
            • 返回它們的 Id 。全是靜態方法 。WhereSelect、

            TypedSql 編譯出來的類型大概是這樣 :

            QueryProgram<    Person,    WhereSelect<        Person,        EqualsFilter<            Person,            ValueStringColumn<PersonCityColumn, Person>,            'Seattle',            ValueString        >,        ColumnProjection<PersonIdColumn, Person, Int32>,        Stop<Int32, Person>,    Int32,    Int32,    Person>,Int32,Int32>

            讓我們來看看 RyuJIT 為我們的查詢方案生成了什麽樣的機器碼:

            G_M000_IG01:                ; prologue       push     r15       push     r14       push     rdi       push     rsi       push     rbp       push     rbx       sub      rsp, 40       mov      rbx, rcxG_M000_IG02:                ; 分配結果數組       mov      esi, dword ptr [rbx+0x08]       mov      edx, esi       mov      rcx, 0x7FFE71F29558       call     CORINFO_HELP_NEWARR_1_VC       mov      rdi, rax       xor      ebp, ebp       mov      rbx, bword ptr [rbx]       test     esi, esi       jle      SHORT G_M000_IG06G_M000_IG03:                ; 初始化循環變量       xor      r14d, r14dG_M000_IG04:                ; 循環體       lea      r15, bword ptr [rbx+r14]       mov      rcx, gword ptr [r15+0x08]       mov      rdx, 0x16EB0400D30       mov      rdx, gword ptr [rdx]       mov      rdx, gword ptr [rdx+0x08]       cmp      rcx, rdx       je       G_M000_IG12       test     rcx, rcx       je       SHORT G_M000_IG05       test     rdx, rdx       je       SHORT G_M000_IG05       mov      r8d, dword ptr [rcx+0x08]       cmp      r8d, dword ptr [rdx+0x08]       je       SHORT G_M000_IG08G_M000_IG05:                ; 更新循環計數器       add      r14, 72       dec      esi       jne      SHORT G_M000_IG04G_M000_IG06:                ; 產生結果對象       mov      rcx, 0x7FFE72227600       call     CORINFO_HELP_NEWSFAST       mov      rbx, rax       lea      rcx, bword ptr [rbx+0x08]       mov      rdx, rdi       call     CORINFO_HELP_ASSIGN_REF       mov      dword ptr [rbx+0x10], ebp       mov      rax, rbxG_M000_IG07:                ; epilogue       add      rsp, 40       pop      rbx       pop      rbp       pop      rsi       pop      rdi       pop      r14       pop      r15       retG_M000_IG08:                ; 字符串長度比較       lea      rax, bword ptr [rcx+0x0C]       add      rdx, 12       mov      ecx, dword ptr [rcx+0x08]       add      ecx, ecx       mov      r8d, ecx       cmp      r8, 10       je       SHORT G_M000_IG10G_M000_IG09:                ; 字符串內容慢速比較       mov      rcx, rax       call     [System.SpanHelpers:SequenceEqual(byref,byref,nuint):bool]       jmp      SHORT G_M000_IG11G_M000_IG10:                ; 字符串內容快速比較       mov      rcx, qword ptr [rax]       mov      rax, qword ptr [rax+0x02]       mov      r8, qword ptr [rdx]       xor      rcx, r8       xor      rax, qword ptr [rdx+0x02]       or       rcx, rax       sete     al       movzx    rax, alG_M000_IG11:                ; 處理比較結果       test     eax, eax       je       SHORT G_M000_IG05G_M000_IG12:                ; 把匹配的 Id 寫入結果數組       mov      ecx, dword ptr [r15+0x30]       lea      rax, bword ptr [rdi+0x10]       lea      edx, [rbp+0x01]       mov      r15d, edx       movsxd   rdx, ebp       mov      dword ptr [rax+4*rdx], ecx       mov      ebp, r15d       jmp      G_M000_IG05

            注意看 G_M000_IG08r8, 10 ,也不是某個遠程服務的結果 ,

            1000016101

            把查詢變成嵌套的泛型類型

            TypedSql 的核心想法看上去非常簡單 :一個查詢,而不需要在編譯時確定一切!

            一個查詢的入口長這樣:

            internal static class QueryProgram<TRow, TPipeline, TRuntimeResult, TPublicResult>    where TPipeline : IQueryNode<TRow, TRuntimeResult, TRow>{     public static IReadOnlyList<TPublicResult> Execute(ReadOnlySpan<TRow> rows)    {         var runtime = new QueryRuntime<TRuntimeResult>(rows.Length);        TPipeline.Run(rows, ref runtime);        return ConvertResult(ref runtime);    }    private static IReadOnlyList<TPublicResult> ConvertResult(ref QueryRuntime<TRuntimeResult> runtime)    {         if (typeof(IReadOnlyList<TRuntimeResult>) == typeof(IReadOnlyList<TPublicResult>))        {             return (IReadOnlyList<TPublicResult>)(object)runtime.Rows;        }        else if (typeof(IReadOnlyList<TRuntimeResult>) == typeof(IReadOnlyList<ValueString>) && typeof(IReadOnlyList<TPublicResult>) == typeof(IReadOnlyList<string>))        {             return (IReadOnlyList<TPublicResult>)(object)runtime.AsStringRows();        }        else if (RuntimeFeature.IsDynamicCodeSupported && typeof(TRuntimeResult).IsGenericType && typeof(TPublicResult).IsGenericType)        {             return runtime.AsValueTupleRows<TPublicResult>();        }        throw new InvalidOperationException($"Cannot convert query result from '{ typeof(TRuntimeResult)}' to '{ typeof(TPublicResult)}'.");    }}

            可以看到主要有三種情況:

            1. 運行時結果類型和公共結果類型一模一樣
              → 直接把 Rows返回就行。成本也很低。所以我想盡量把熱路徑裏涉及的類型都做成值類型 。最終都會變成一個封閉的泛型管道類型 。

            CompiledQuery<TRow, TResult>本身隻是包了一個委托  :

            private readonly Func<ReadOnlySpan<TRow>, IReadOnlyList<TResult>> _entryPoint    = executeMethod.CreateDelegate<Func<ReadOnlySpan<TRow>, IReadOnlyList<TResult>>>();

            然後對外暴露 :

            public IReadOnlyList<TResult> Execute(ReadOnlySpan<TRow> rows)    => _entryPoint(rows);

            得益於 .NET 10 對委托的逃逸分析、

          對 JIT 來說 ,

        編譯器做的事情,並通過接口的靜態抽象成員來約束它們的行為

      • 把它們組合成一串嵌套的泛型管道節點(Where  、塞進 CompiledQuery<TRow, TResult>。

        值類型特化版字符串 :ValueString

        在 .NET 裏 ,並且不同於 C++ 的模板和 constexpr ,以及這個字麵量能不能用在那一列上之類的問題,減少了一次比較指令。而就是一個數組或者 List<T> 。而外麵看到的則是 (string, int, string, …) ,這個類型從頭到尾描述了整個查詢管道,則是通過 CreateStringLiteral("Seattle")得到的某個 StringLiteral<SomeStringNode<…>> 。底層交給 ValueTupleConvertHelper去做拷貝和字段轉換。用聲明的 CLR 類型(如 string)。每一個編譯好的查詢  ,最後還得把結果以某種形式“交出去”。Boolean 、這通常是你自己定義的一個 record/class/struct 。我們能讓生成的代碼離一個手寫循環有多近 。於是 StringLiteral<StringNull>.Value直接返回 new ValueString(null) 。委托帶來的那點開銷;

      • 要麽幹脆極端一點:把數據塞進數據庫,實現起來非常簡單。

        先來一組 IHex接口和 Hex0HexFstruct:

        internal interface IHex {  static abstract int Value {  get; } }internal readonly struct Hex0 : IHex {  public static int Value => 0; }// ...internal readonly struct HexF : IHex {  public static int Value => 15; }

        然後,內聯 ,而這並不需要複雜的優化算法 ,

        每一列會實現這樣一個接口:

        internal interface IColumn<TRow, TValue>{     static abstract string Identifier {  get; }    static abstract TValue Get(in TRow row);}

        舉個簡單的例子 :

        internal readonly struct PersonNameColumn : IColumn<Person, string>{     public static string Identifier => "Name";    public static string Get(in Person row) => row.Name;}

        而投影(SELECT後麵那部分)則實現 :

        internal interface IProjection<TRow, TResult>{     static abstract TResult Project(in TRow row);}

        將選出某一列本身做成一個投影 ,都隻是跑一遍已經專門化好的靜態管道,這裏的 10就是字符串字麵量 'Seattle'的長度  ,裏麵放運行時類型;

      • 同時記錄一份公共 ValueTuple<...>類型,把列名映射到具體的 IColumn<TRow, TValue>實現;
      • 一套機製,

        邏輯運算也是在類型層麵組合的:

        internal readonly struct AndFilter<TRow, TLeft, TRight> : IFilter<TRow>    where TLeft : IFilter<TRow>    where TRight : IFilter<TRow>{     public static bool Evaluate(in TRow row)        => TLeft.Evaluate(in row) && TRight.Evaluate(in row);}internal readonly struct OrFilter<TRow, TLeft, TRight> : IFilter<TRow>    where TLeft : IFilter<TRow>    where TRight : IFilter<TRow>{     public static bool Evaluate(in TRow row)        => TLeft.Evaluate(in row) || TRight.Evaluate(in row);}internal readonly struct NotFilter<TRow, TPredicate> : IFilter<TRow>    where TPredicate : IFilter<TRow>{     public static bool Evaluate(in TRow row)        => !TPredicate.Evaluate(in row);}

        所以 ,

        TypedSql 裏有一個很小的優化器 ,盡可能地把 WhereSelect融合在一起 ,.NET 又能針對這些類型生成多快的代碼?

        於是 ,String、也同樣是可行的。也可以把它輸出到代碼裏然後通過 NativeAOT 編譯成原生二進製文件 ,

        編譯 WHERE

        WHERE子句以遞歸方式編譯成類型。bool、隻要利用好 C# 的泛型和靜態成員,都會變成一個具體的 ILiteral<T>類型,float 、NotEqualFilter等等,是列 + 字麵量:

        internal readonly struct EqualsFilter<TRow, TColumn, TLiteral, TValue> : IFilter<TRow>    where TColumn : IColumn<TRow, TValue>    where TLiteral : ILiteral<TValue>    where TValue : IEquatable<TValue>, IComparable<TValue>{     [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]    public static bool Evaluate(in TRow row)    {         if (typeof(TValue).IsValueType)        {             return TColumn.Get(row).Equals(TLiteral.Value);        }        else        {             var left = TColumn.Get(row);            var right = TLiteral.Value;            if (left is null && right is null) return true;            if (left is null || right is null) return false;            return left.Equals(right);        }    }}

        這裏我們通過判斷 TValue是值類型還是引用類型,不是像平時那樣:

        • 在運行時構建一棵表達式樹 ,就是字麵量 'Seattle'的類型版本。

          類型檢查、再把結果轉交給 Stop.Process處理 。也可以返回元組:

          var seniorTitles = QueryEngine.Compile<Person, (string Name, string City, string Level)>(    """    SELECT Name, City, Level FROM $     WHERE Level = 'Senior' AND City = 'Seattle'    """);foreach (var (name, city, level) in seniorTitles.Execute(allPeople.AsSpan())){     Console.WriteLine($"{ name} in { city} [{ level}]");}

          所有重活——解析 SQL 、我們實現了 :

          • 把列 、把它編譯成一個類型 ,在 TypeSql 中,來分別處理 null的情況。並且借助 JIT 編譯器的強大優化能力 ,內存內查詢,諸如查詢引擎、會留到後麵的編譯階段去做 。這給 TypedSql 帶來了一些麻煩 :.NET 會對引用類型采用共享泛型在運行時做分發  ,完全是 JIT 能看懂的強類型、

            順著這個想法,提升性能。沒有虛調用。投影、而不是為 string泛型實例化一個具體類型,我們的優化器還能識別更複雜的嵌套結構 ,比如:

            City = 'Seattle'Salary >= 180000Team != null

            都會變成一個具體的過濾器類型:

            Type BuildComparisonPredicate<TRow>(ComparisonExpression comparison){     var rowType = typeof(TRow);    var column = SchemaRegistry<TRow>.ResolveColumn(comparison.ColumnIdentifier);    var runtimeColumnType      = column.GetRuntimeColumnType(rowType);    var runtimeColumnValueType = column.GetRuntimeValueType();    var literalType = CreateLiteralType(runtimeColumnValueType, comparison.Literal);    var filterDefinition = comparison.Operator switch    {         ComparisonOperator.Equals        => typeof(EqualsFilter<,,,>),        ComparisonOperator.GreaterThan   => typeof(GreaterThanFilter<,,,>),        ComparisonOperator.LessThan      => typeof(LessThanFilter<,,,>),        ComparisonOperator.GreaterOrEqual=> typeof(GreaterOrEqualFilter<,,,>),        ComparisonOperator.LessOrEqual   => typeof(LessOrEqualFilter<,,,>),        ComparisonOperator.NotEqual      => typeof(NotEqualFilter<,,,>),        _ => throw …    };    return filterDefinition.MakeGenericType(        rowType, runtimeColumnType, literalType, runtimeColumnValueType);}

            City = 'Seattle'為例,

            把字符串塞進類型

            LiteralTypeFactory.CreateStringLiteral負責把字符串字麵量轉換成這樣一個類型 :

            public static Type CreateStringLiteral(string? value){     if (value is null)    {         return typeof(StringLiteral<StringNull>);    }    var type = typeof(StringEnd);    for (var i = value.Length - 1; i >= 0; i--)    {         var charType = CreateCharType(value[i]); // Char<...>        type = typeof(StringNode<,>).MakeGenericType(charType, type);    }    return typeof(StringLiteral<>).MakeGenericType(type);}

            比如我們有一個字麵量 'Seattle' ,生成一個 LiteralValue:

            • Kind == LiteralKind.String
            • StringValue == "Seattle"
          • 編譯階段根據列的類型判斷 :這是個字符串列,減少中間步驟,少一點引用類型的幹擾;

          • 避開了泛型共享帶來的類型字典查找開銷。內部用 ''轉義)
          • null
        • 列名大小寫不敏感
        • $代表當前行來源

        整體解析流程很簡單:

        1. 先把 SQL 字符串切成 token;
        2. 再構建一棵小 AST ,

          這裏我選擇在類型層麵構建一條字符鏈表,

          null 字符串字麵量

          null的處理稍微特殊一點:

          • 寫類似 WHERE Team != null這種代碼時,這段代碼專門處理長度為 10 的字符串的快速比較路徑。

            使用和性能測試

            快速上手

            和很多輕量級查詢庫類似 ,從而實現極高的性能 。

            因此答案是肯定的:.NET 的類型係統完全可以用來表達圖靈完備的邏輯,我們的抽象完全被 JIT 優化的一幹二淨 !CreateStringLiteral(null)會返回 typeof(StringLiteral<StringNull>)

          • StringNull.Length == -1 ,

            再注意看循環計數器的更新部分,列又是什麽  ,

            展望未來的應用,返回一個 ValueTuple<...>,JIT 直接把行類型的大小常量也嵌進去了,你既可以直接拿去執行,我們的字麵量就緩存在那個類型的靜態字段裏 ,當成查詢計劃會怎樣?

            也就是說,我們的引擎是完全支持來自外部的動態輸入的,'e'、

            本項目的代碼已經開源在 GitHub 上 ,JIT 又生成了代碼跳轉到 G_M000_IG10,但是 TypedSql 追求的是媲美手寫循環的性能,所以完全透明。我們就可以基於某個 IStringNode,

            上個跑分結果 :

            MethodMeanErrorStdDevGen0Code SizeAllocated
            TypedSql10.953 ns0.0250 ns0.0195 ns0.0051111 B80 B
            Linq27.030 ns0.1277 ns0.1067 ns0.01483,943 B232 B
            Foreach9.429 ns0.0417 ns0.0326 ns0.0046407 B72 B

            可以看到 :TypedSql 在時間和分配上無限逼近 foreach  ,

            於是 ,

          這樣一來 ,

      它在類型初始化時 ,投影一下 。都會在 Stop前麵再加一個 Select節點:

      Select<TRow, TProjection, Stop<...>, TMiddle, TRuntimeResult, TRoot> → Stop<...>

      這個節點內部會調用投影的靜態 Project方法 ,設計了一個很小的 SQL 方言:

      支持這些語句 :

      • SELECT * FROM $
      • SELECT col FROM $
      • SELECT col1, col2, ... FROM $
      • WHERE支持 :
        • 比較:=, !=, >, <, >=, <=
        • 布爾:AND, OR, NOT
        • 括號
      • 字麵量支持 :
        • 整數(如 42
        • 浮點數(如 123.45
        • 布爾(true/ false
        • 單引號字符串('Seattle',DSL 編譯器 、
          這個管道是由一些基礎節點拚出來的,展開、歡迎點讚和 Star :https://github.com/hez2010/TypedSql

          我們已經有了:

          • 一棵解析出來的查詢(SELECT+ WHERE);
          • 一份 schema ,

            GreaterThanFilter 、比如 WhereSelect<TRow, …, Stop<...>>這樣 。例如 :

            public sealed record Person(    int Id,    string Name,    int Age,    string City,    float Salary,    string Department,    bool IsManager,    int YearsAtCompany,    string Country,    string? Team,    string Level);
          • 為每一列實現一個 IColumn<Person, TValue>

          • 把這些列注冊到 Person對應的 schema 裏;

          • 然後就可以編譯並運行查詢,而把構建好的類型輸出成代碼文件,而是針對單表 、

            把字麵量變成類型 —— 包括字符串

            在這裏,過濾全是值類型 + 靜態方法

          • 字符串統一走 ValueString熱路徑
          • 字麵量則通過 ILiteral<T>嵌在類型參數裏
          • 所有這些都讓 JIT 能夠把代碼特化 、再往下推幾步 ,大概是對這棵樹一層層往下調自己的方法:

            Type BuildPredicate<TRow>(WhereExpression expr){     return expr switch    {         ComparisonExpression cmpExpr => BuildComparisonPredicate<TRow>(cmpExpr),        AndExpression andExpr => typeof(AndFilter<,,>).MakeGenericType(typeof(TRow), BuildPredicate<TRow>(andExpr.Left), BuildPredicate<TRow>(andExpr.Right)),        OrExpression orExpr => typeof(OrFilter<,,>).MakeGenericType(typeof(TRow), BuildPredicate<TRow>(orExpr.Left), BuildPredicate<TRow>(orExpr.Right)),        NotExpression notExpr => typeof(NotFilter<,>).MakeGenericType(typeof(TRow), BuildPredicate<TRow>(notExpr.Expression)),        _ => throw …    };}

            比較表達式

            每一個葉子比較表達式,

        • SELECT col1, col2, ... :

          • 分別解析每一列;
          • 構造一個 ValueTupleProjection ,都是同樣的套路 。這就是一張普通的靜態調用圖而已。會生成一個 DynamicMethod來做拷貝:

            internal static class ValueTupleConvertHelper<TPublicResult, TRuntimeResult>{     private delegate void CopyDelegate(ref TPublicResult dest, ref readonly TRuntimeResult source);    private static readonly CopyDelegate _helper = default!;    public static void Copy(ref TPublicResult dest, ref readonly TRuntimeResult source)    {         if (typeof(TPublicResult) == typeof(TRuntimeResult))        {             dest = Unsafe.As<TRuntimeResult, TPublicResult>(ref Unsafe.AsRef(in source));        }        else        {             _helper.Invoke(ref dest, in source);        }    }    static ValueTupleConvertHelper()    {         // 構造 DynamicMethod 和 IL,同時對外還不需要暴露這些內部細節,ValueString);
          • 字麵量的種類(Integer 、 // 若發現 string <-> ValueString ,沒有任何的運行時分發 ,

            這個想法最終促成了 TypedSql —— 一個用 C# 類型係統實現的內存內 SQL 查詢引擎 。't'  、

            這也符合我們對它內部結構的預期:

            • 查詢管道是類型層級的 ,隻不過最後用 Unsafe.BitCast<int, float>轉回 float :

              internal readonly struct Float<H7, H6, H5, H4, H3, H2, H1, H0> : ILiteral<float>    where H7 : IHex    // ...{     public static float Value        => Unsafe.BitCast<int, float>(               (H7.Value << 28)             | (H6.Value << 24)             | (H5.Value << 20)             | (H4.Value << 16)             | (H3.Value << 12)             | (H2.Value <<  8)             | (H1.Value <<  4)             |  H0.Value);}

              字符則是 4 個十六進製數位 :

              internal readonly struct Char<H3, H2, H1, H0> : ILiteral<char>    where H3 : IHex    // ...{     public static char Value        => (char)((H3.Value << 12)                | (H2.Value <<  8)                | (H1.Value <<  4)                |  H0.Value);}

              字符串字麵量  :類型的鏈表 !

              字符串字麵量就比較有趣了。一條 WHERE子句,看起來很像 SQL 的內存查詢引擎;而在 JIT 眼裏  ,Stop

            • 把數字和字符串字麵量都編碼成類型(ILiteral<T>

            最後得到的是一個小小的 、

          最終的效果就是 :WHERE 子句裏每一個字麵量,結構在編譯期就定死

        • 列、LessThanFilter、每個節點隻有一個靜態 Evaluate方法  。所有的字麵量類型都實現同一個接口 :

          internal interface ILiteral<T>{     static abstract T Value {  get; }}

          適用範圍包括:

          • 整數(int
          • 浮點數(float
          • 字符(char
          • 布爾(bool
          • 字符串(這裏是 ValueString ,就隻能退回到直接讓運行時結果類型和公共結果類型一致的方式。

            前言

            在 .NET 裏寫查詢的時候 ,就是有迭代器 、但在性能上還能再優化一點 :
            WhereSelect其實可以合並成一步 。其中複原通過靜態類型的緩存完成,隻需要簡單地把泛型參數取出來重新帶入到新的融合類型即可,內部包 string?

          • ……未來還可以擴展更多

          數值字麵量

          數值字麵量的編碼方式很直接:用 16 進製和位運算拚出來。雖然這點開銷不大,包含 :

          • ParsedQuery :整體查詢
          • Selection:SelectAll或者列名列表
          • WhereExpression:篩選表達式
            • ComparisonExpression :比較
            • AndExpression:與
            • OrExpression:或
            • NotExpression:非
          • LiteralValue :字麵量
            • LiteralKind.Integer+ IntValue
            • LiteralKind.Float+ FloatValue
            • LiteralKind.Boolean+ BoolValue
            • LiteralKind.String+ StringValuestring?
            • LiteralKind.Null
        • 在這個階段 ,它其實就是一套可以進行高度優化的、

      最後 ,我隻是想過濾一下、再寫真正的 SQL(這聽起來就有點反直覺……)

    但是我想嚐試一條完全不同的思路:如果我們把 C# 的類型係統本身,TypedSql 的打開方法是:

    1. 定義你的行類型,

      上述代碼的邏輯等價於:

      int length = elements.Length;Span<int> values = new int[length];int count = 0;for (int i = length - 1; i >= 0; i--){     var elem = elements[i];    var city = elem.City;    if (city == null)        continue;    if (city.Length == 10 && city == "Seattle")    {         values[length - 1 - count] = elem.Id;        count++;    }}return values[..count];

      看到了嗎 ?跟你手寫的循環幾乎一模一樣 !

    焦點
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