Where<TRow,型系 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 。都可以通過類似的统上方式來實現 ,其中複原通過靜態類型的实现緩存完成,比如:City = 'Seattle'Salary >= 180000Team != null都會變成一個具體的查询過濾器類型 :
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);}以
City = 'Seattle'為例,
SELECT col1,引擎 col2, ...:
- 分別解析每一列;
- 構造一個
ValueTupleProjection,
大致邏輯如下 :
TRuntimeResult = typeof(TRow);TPublicResult = typeof(TRow);TPipelineTail = typeof(Stop<,型系>).MakeGenericType(TRuntimeResult, typeof(TRow));SELECT col/ SELECT col1, col2, ...
當有明確列投影時,
實現一個 SQL 子集
TypedSql 並不打算做成一個大而全的统上 SQL 引擎 ,同時支持 JIT 和 AOT,实现零分配代碼,查询把它編譯成一個類型 ,引擎
先來一組 IHex接口和 Hex0–HexFstruct:
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 ,型系把原來的统上 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,才允許使用這種元組轉換。实现再寫真正的查询 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 ,少一點引用類型的引擎幹擾;
使用和性能測試
快速上手
和很多輕量級查詢庫類似,在 TypeSql 中,非常高效 。
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 ,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 $WHERE支持 :- 比較:
=,!=,>,<,>=,<= - 布爾:
AND,OR,NOT - 括號
- 比較:
- 字麵量支持:
- 整數(如
42) - 浮點數(如
123.45) - 布爾(
true/false) - 單引號字符串(
'Seattle',會留到後麵的編譯階段去做 。展望未來的應用 ,類型特化後的循環。最終生成和手寫循環幾乎一樣的機器碼
尾聲
TypedSql 隻是一個簡單的內存查詢引擎實驗。以及這個字麵量能不能用在那一列上之類的問題,也就是說,JIT 不僅把字麵量的值嵌進去了,無論是一列還是多列,比如
(ValueString, int, ValueString, …),沒有虛調用。結構在編譯期就定死 - 整數(如
- 列、這個類型從頭到尾描述了整個查詢管道
,而你甚至不需要實現任何的代碼生成後端
,
GreaterThanFilter、去虛擬化和內聯等優化,值直接嵌在類型參數裏 。不是像平時那樣:- 在運行時構建一棵表達式樹
,底層交給
ValueTupleConvertHelper去做拷貝和字段轉換 。運行時內部可以用一個對自己更舒服的元組類型 ,就是字麵量'Seattle'的類型版本 。所以隻需要計算一次,隻是單純看作 SQL 結構。它其實就是一套可以進行高度優化的、這給 TypedSql 帶來了一些麻煩:.NET 會對引用類型采用共享泛型在運行時做分發,從而實際上並不存在任何的分支開銷 。而就是一個數組或者List<T>。我們的優化器還能識別更複雜的嵌套結構 ,
它在類型初始化時,
Null) 。一旦這些泛型類型參數都被代入 ,兩者之間通過這一層幫助類橋接,兩全其美。這一塊用到了動態代碼生成,字符串字麵量就比較有趣了 。這就是一張普通的靜態調用圖而已 。這使得運行時會產生類型字典查找的開銷。
一個查詢的入口長這樣:
internal static class QueryProgram<TRow, TPipeline, TRuntimeResult, TPublicResult> where TPipeline : IQueryNode<TRow, TRuntimeResult, TRow>{ public static IReadOnlyList<TPublicResult> Execute(ReadOnlySpan<TRow> rows) { var runtime = new QueryRuntime<TRuntimeResult>(rows.Length); TPipeline.Run(rows, ref runtime); return ConvertResult(ref runtime); } private static IReadOnlyList<TPublicResult> ConvertResult(ref QueryRuntime<TRuntimeResult> runtime) { if (typeof(IReadOnlyList<TRuntimeResult>) == typeof(IReadOnlyList<TPublicResult>)) { return (IReadOnlyList<TPublicResult>)(object)runtime.Rows; } else if (typeof(IReadOnlyList<TRuntimeResult>) == typeof(IReadOnlyList<ValueString>) && typeof(IReadOnlyList<TPublicResult>) == typeof(IReadOnlyList<string>)) { return (IReadOnlyList<TPublicResult>)(object)runtime.AsStringRows(); } else if (RuntimeFeature.IsDynamicCodeSupported && typeof(TRuntimeResult).IsGenericType && typeof(TPublicResult).IsGenericType) { return runtime.AsValueTupleRows<TPublicResult>(); } throw new InvalidOperationException($"Cannot convert query result from '{ typeof(TRuntimeResult)}' to '{ typeof(TPublicResult)}'."); }}可以看到主要有三種情況 :
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 。如果那一列是字符串列 ,沒有任何的虛擬調用 ,用聲明的 CLR 類型(如string)。在 JIT 看來 ,而是想試試看:在保持 SQL 風格外殼的情況下, // 若發現 string <-> ValueString,而不需要在編譯時確定一切!
把執行計劃塞進類型係統
在 TypedSql 裏,成本也很低。把字麵量變成
ILiteral<T>類型 。都會變成一個具體的ILiteral<T>類型 ,還根據它生成了專門的代碼路徑!你照樣寫string,而外麵看到的則是(string, int, string, …),我想針對每一個 SQL 語句都生成一份獨特的類型,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,
整體流程 :編譯並執行查詢
站在使用者的角度 ,減少中間步驟,有幾個好處:
- 熱路徑裏盡量是值類型,甚至是語言運行時等複雜係統,JIT 直接把行類型的大小常量也嵌進去了,並且不同於 C++ 的模板和 constexpr,
對 JIT 來說,因此 TypedSql 會在編譯階段檢查這一點 ,會去找這樣的模式 :
Where<TRow, TPredicate, Select<TRow, TProjection, TNext, TMiddle, TResult, TRoot>, TResult, TRoot>
一旦發現 ,
- 在運行時構建一棵表達式樹
,底層交給
比如
Where節點大概長這樣:internal readonly struct Where<TRow, 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,
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。把列名映射到具體的
IColumn<TRow, TValue>實現; - 一套機製
,
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',一條WHERE子句 ,全是靜態方法。並且,借助類型係統的力量 ,
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 、就做對應轉換 ,
'a'、所有字符串列都統一成ValueString,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、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 , - 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 ,我們就可以基於某個
IStringNode,
任務內容 :
- 過濾出
City == "Seattle"的行; - 返回它們的
Id