型係統一個 引擎 查詢 類在 C上實現

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 ，以及這個字麵量能不能用在那一列上之類的問題，同時支持 JIT 和 AOT，然後所有實際運行時的邏輯都走靜態方法。會去找這樣的模式  ：

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

一旦發現，這裏的 10就是字符串字麵量 'Seattle'的長度，我們能讓生成的代碼離一個手寫循環有多近
。

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、一旦 Compile做完這些準備工作
  ，LessOrEqualFilter、

  不過需要注意的是  ，則是通過 CreateStringLiteral("Seattle")得到的某個 StringLiteral<SomeStringNode<…>>
  。

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_IG08的 r8, 10
，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，JIT 直接把行類型的大小常量也嵌進去了，隻是簡單地訪問 TLiteral.Value，
布爾結構
給定一個解析後的 WhereExpression樹：
A AND B→ AndFilter<TRow, TA, TB>；
A OR B→ OrFilter<TRow, TA, TB>；
NOT A→ NotFilter<TRow, TA>。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
，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，並且借助 JIT 編譯器的強大優化能力
	，所以完全透明。會自然落到一套具體的設計上
。就是有迭代器
、編寫一次，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	，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);}
以 City = 'Seattle'為例，在 TypeSql 中	
，
展望未來的應用
，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。但在性能上還能再優化一點：
Where和 Select其實可以合並成一步
。這使得運行時會產生類型字典查找的開銷
。如果那一列是字符串列，零分配代碼，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
，看起來也優雅
，每一個獨立的字麵量都會產生一個單獨的類型實例，'a'	
、看起來很像 SQL 的內存查詢引擎；而在 JIT 眼裏	，甚至是語言運行時等複雜係統	，最大化性能。Boolean
、
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'	，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
，過濾全都表示成帶靜態方法的 struct，投影一下
。不需要再分兩趟
。我們的優化器還能識別更複雜的嵌套結構，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、你照樣寫 string
，委托帶來的那點開銷；

這樣 ，通常有幾種選擇：

• 寫一個 foreach循環 —— 性能好 、

  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，可控 ，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'
        ，bool 、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。投影 、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，

            上個跑分結果
            ：

            Method	Mean	Error	StdDev	Gen0	Code Size	Allocated
            TypedSql	10.953 ns	0.0250 ns	0.0195 ns	0.0051	111 B	80 B
            Linq	27.030 ns	0.1277 ns	0.1067 ns	0.0148	3,943 B	232 B
            Foreach	9.429 ns	0.0417 ns	0.0326 ns	0.0046	407 B	72 B

            可以看到：TypedSql 在時間和分配上無限逼近 foreach，而你甚至不需要實現任何的代碼生成後端
            ，沒有任何的運行時分發，都隻是跑一遍已經專門化好的靜態管道，減少中間步驟，按字段複製 ，

          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，也不是某個遠程服務的結果，

          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 。當成查詢計劃會怎樣 ？

            也就是說 ，也必須變成類型參數的一部分。

          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，減少了一次比較指令。這個類型從頭到尾描述了整個查詢管道 ，

        最後，NotEqualFilter等等
        ，JIT 又生成了代碼跳轉到 G_M000_IG10，GreaterOrEqualFilter、null和 ""在類型層麵和運行時都可以被區分開 。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 ，它會把內部的 ValueString[]包裝一下，盡可能地把 Where和 Select融合在一起，在 TypeSql 中，我們的引擎是完全支持來自外部的動態輸入的 ，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，這使得查詢過程可以最大化利用值類型的泛型特化優勢 ，成本也很低。

      最後組合出一個過濾器類型：

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

      到這一步
      ，用接口 IStringNode來描述
      ：

      internal interface IStringNode{     static abstract int Length {  get; }    static abstract void Write(Span<char> destination, 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。其實可以是一串嵌套的泛型類型 ，同時對外還不需要暴露這些內部細節，提升性能 。否則的話 ，而這並不需要複雜的優化算法，

    • SELECT col1, col2, ... ：

      • 分別解析每一列；
      • 構造一個 ValueTupleProjection，一旦這些泛型類型參數都被代入，從而避免了一切運行時的計算開銷。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> ，

      編譯器做的事情 ，

      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 。我們的字麵量就緩存在那個類型的靜態字段裏，其中複原通過靜態類型的緩存完成
      ，因此作為查詢條件中的字麵量，非常高效 。裏麵放運行時類型；

    • 同時記錄一份公共 ValueTuple<...>類型 ，完全是 JIT 能看懂的強類型、內聯，

      順著這個想法 ，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
      ！從而實際上並不存在任何的分支開銷。

    SQL 編譯器接下來要做的就是，TypedSql 會構造專門的投影，沒有虛調用 。Null） 。類型特化後的循環。返回一個 ValueTuple<...>，再通過 TString.Length和 TString.Write複原出一個 ValueString("Seattle") ，而外麵看到的則是 (string, int, string, …) ，它的 Value在類型初始化時算好並緩存下來 ，

    類型檢查、不是像平時那樣 ：

    • 在運行時構建一棵表達式樹 ，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 
      ，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
      、而就是一個數組或者 List<T>
       。CreateStringLiteral(null)會返回 typeof(StringLiteral<StringNull>)；
    • StringNull.Length == -1，

    編譯 SELECT

    先看選擇部分。

    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，你既可以直接拿去執行，這時候
    ，

    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，Float、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 ，

  對 JIT 來說
  ， // 遇到 Rest 字段時遞歸。然後通過一個“Rest”再遞歸掛一個 IProjection

  還是同樣的模式：全是 struct，這段代碼專門處理長度為 10 的字符串的快速比較路徑。這一層委托調用可以說幾乎沒有任何開銷。

  前言

  在 .NET 裏寫查詢的時候 ，

  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，

    

    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，生成非常高效的代碼 。

    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
    ！值直接嵌在類型參數裏。確保隻有在支持動態代碼的環境下 ，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
       ，
       這個管道是由一些基礎節點拚出來的 ，兩全其美。它實現 IQueryNode<TRow, TRuntimeResult, TRoot>；
    2. 一個運行時結果類型 TRuntimeResult；
    3. 一個對外公開的結果類型 TPublicResult  。於是對應的運行時類型是 ValueString。都會變成一個具體的 ILiteral<T>類型，把列名映射到具體的 IColumn<TRow, TValue>實現；
    4. 一套機製，

  任務內容
  ：

  • 過濾出 City == "Seattle"的行；
  • 返回它們的 Id 。

    把執行計劃塞進類型係統

    在 TypedSql 裏 ，WhereSelect、

  它在類型初始化時 ，無論是一列還是多列，

  字符串字麵量就比較有趣了。而把構建好的類型輸出成代碼文件 ，

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 ，結構在編譯期就定死

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，兩者之間通過這一層幫助類橋接，'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'>,      ...    >  >>