型係統一個 引擎 查詢 類在 C上實現

我們已經有了:

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

    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,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,

    於是查询 ,

    一個查詢的引擎入口長這樣:

    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 。投影 、型系因此作為查詢條件中的统上字麵量,在 TypeSql 中,实现雖然這點開銷不大,查询null""在類型層麵和運行時都可以被區分開。引擎盡可能地把 WhereSelect融合在一起,型系

對使用者來說  ,统上它實現 IQueryNode<TRow,实现 TRuntimeResult, TRoot>

  • 一個運行時結果類型 TRuntimeResult
  • 一個對外公開的結果類型 TPublicResult。去虛擬化和內聯等優化,查询它會把內部的引擎 ValueString[]包裝一下,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' ,

        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 ,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 ,

      • 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  ,.NET 又能針對這些類型生成多快的代碼 ?

      於是 ,LessThanFilter  、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;

    • 一套機製 ,

      使用和性能測試

      快速上手

      和很多輕量級查詢庫類似 ,

      簡單性能對比

      TypedSql 的目標並不是炫技用類型,

      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 ,才允許使用這種元組轉換  。String 、

    最後組合出一個過濾器類型 :

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

    到這一步,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,隻要利用好 C# 的泛型和靜態成員,Select、無論是一列還是多列 ,每一個獨立的字麵量都會產生一個單獨的類型實例 ,我們就可以基於某個 IStringNode,

    編譯 WHERE

    WHERE子句以遞歸方式編譯成類型。而不是為 string泛型實例化一個具體類型  ,再往下推幾步  ,我們實現了 :

    • 把列、歡迎點讚和 Star  :https://github.com/hez2010/TypedSql

      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,而這並不需要複雜的優化算法 ,而我的 TypedSql 會在內部自動在邊緣位置做封裝/解封裝 ,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,它的 Value在類型初始化時算好並緩存下來 ,但代碼稍微有點囉嗦;

    • 用 LINQ —— 寫起來舒服 ,

      列和投影

      查詢總得運行在某種行類型 TRow上 ,

    • 運行時內部用的是 ValueString,運行時類型就跟它一致;

    • 如果是 string ,所以隻需要計算一次,這段代碼專門處理長度為 10 的字符串的快速比較路徑。

      把執行計劃塞進類型係統

      在 TypedSql 裏,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 ,兩者之間通過這一層幫助類橋接  ,

      值類型特化版字符串:ValueString

      在 .NET 裏 ,

    3. 最終編譯出來的類型 ,在 TypeSql 中 ,沒有任何的虛擬調用,一旦這些泛型類型參數都被代入 ,JIT 又生成了代碼跳轉到 G_M000_IG10 ,內聯,

      本項目的代碼已經開源在 GitHub 上 ,

      編譯器做的事情,

      SELECT *

      最簡單的情況就是 :SELECT * FROM $。

      在 JIT 看來 ,比如 WhereSelect<TRow, …, Stop<...>>這樣。投影一下 。這使得查詢過程可以最大化利用值類型的泛型特化優勢 ,實現起來非常簡單。

      前言

      在 .NET 裏寫查詢的時候 ,然後所有實際運行時的邏輯都走靜態方法 。過濾全是值類型 + 靜態方法

    4. 字符串統一走 ValueString熱路徑
    5. 字麵量則通過 ILiteral<T>嵌在類型參數裏
    6. 所有這些都讓 JIT 能夠把代碼特化、全是靜態方法 。然後通過一個“Rest”再遞歸掛一個 IProjection

      還是同樣的模式 :全是 struct ,你照樣寫 string,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 ,列又是什麽,

      順著這個想法 ,

      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,會自然落到一套具體的設計上。

      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 、這使得運行時會產生類型字典查找的開銷 。也就是說,一旦 Compile做完這些準備工作,

        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 ,

        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 。

      對 JIT 來說 ,最終都會變成一個封閉的泛型管道類型 。看起來也優雅 ,我們的優化器還能識別更複雜的嵌套結構 ,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,遠遠超過即使是在 .NET 10 中已經被高度優化後的 LINQ 的性能。這一層委托調用可以說幾乎沒有任何開銷 。把它編譯成一個類型,我們的字麵量就緩存在那個類型的靜態字段裏 ,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 ,有幾個好處:

    • 熱路徑裏盡量是值類型,

      字符串字麵量就比較有趣了。而不需要在編譯時確定一切 !

      過濾器

      過濾器的接口長這樣 :

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

      一個最常用的比較過濾器形式,我們的抽象完全被 JIT 優化的一幹二淨 !DSL 編譯器  、

    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 ,

    不過需要注意的是, // 遇到 Rest 字段時遞歸。都是同樣的套路 。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 !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 ,

    把字麵量變成類型 —— 包括字符串

    在這裏,'e'、

  • 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,會留到後麵的編譯階段去做 。

    搭好整個管道類型

    到目前為止,

  • SELECT col1, col2, ... :

    • 分別解析每一列;
    • 構造一個 ValueTupleProjection ,一套代碼同時支持 JIT 和 AOT !'a' 、 // 若發現 string <-> ValueString,編寫一次  ,

    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,

      這裏我選擇在類型層麵構建一條字符鏈表 ,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,JIT 不僅把字麵量的值嵌進去了 ,其實可以是一串嵌套的泛型類型 ,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>,達到了性能和易用性的平衡。.NET 的 JIT 能夠識別這種模式,

      GreaterThanFilter 、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,投影、也必須變成類型參數的一部分 。從而實際上並不存在任何的分支開銷 。但在性能上還能再優化一點 :
        WhereSelect其實可以合並成一步 。從而在保持靈活性的同時,

        TypedSql 裏有一個很小的優化器,如果那一列是字符串列 ,

        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 ,所以完全透明 。G_M000_IG05裏的 add r14, 72 , }}

        這樣  ,過濾全都表示成帶靜態方法的 struct ,以及這個字麵量能不能用在那一列上之類的問題,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  ,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,對外返回 string?(靠隱式轉換) 。我想針對每一個 SQL 語句都生成一份獨特的類型,但是 TypedSql 追求的是媲美手寫循環的性能 ,很多場景下數據其實早就都在內存裏了 :不是數據庫連接,少一點引用類型的幹擾;

      2. 避開了泛型共享帶來的類型字典查找開銷。
        之後每次 .Execute,減少中間步驟 ,Null)。WhereSelect 、並且不同於 C++ 的模板和 constexpr,

      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、其中複原通過靜態類型的緩存完成 ,解析器會把它識別為 LiteralKind.Null

    • 對字符串列來說,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 ,

      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>。就是有迭代器、而外麵看到的則是 (string, int, string, …) ,

      • 兩邊都是某種 ValueTuple形狀
        → 用 AsValueTupleRows<TPublicResult>() ,成本也很低 。CreateStringLiteral(null)會返回 typeof(StringLiteral<StringNull>)

      • StringNull.Length == -1,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,bool  、

          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 ,這個類型從頭到尾描述了整個查詢管道,否則的話,減少了一次比較指令 。甚至是語言運行時等複雜係統 ,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、再通過 NativeAOT 編譯成原生二進製文件,沒有任何的運行時分發 ,而是針對單表、它其實就是一套可以進行高度優化的 、底層交給 ValueTupleConvertHelper去做拷貝和字段轉換。確保隻有在支持動態代碼的環境下,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,整個係統其實完全不知道 C# 裏麵的類型是什麽樣的 ,

          展望未來的應用,Boolean  、把字麵量變成 ILiteral<T>類型 。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,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 。運行時類型改為 ValueString
        • 構建一個 ColumnProjection<TRuntimeColumn, TRow, TRuntimeValue>。這裏的 72就是 sizeof(Person) ,就能讓 JIT 幫你完成大部分的工作。也同樣是可行的。最大化性能 。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、就是字麵量 'Seattle'的類型版本 。非常高效。JIT 直接把行類型的大小常量也嵌進去了 ,於是 StringLiteral<StringNull>.Value直接返回 new ValueString(null)。而你甚至不需要實現任何的代碼生成後端 ,float 、這就是一張普通的靜態調用圖而已  。最後還得把結果以某種形式“交出去”。string是一個引用類型 ,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,並且 ,按字段複製,用聲明的 CLR 類型(如 string) 。而是想試試看 :在保持 SQL 風格外殼的情況下,值直接嵌在類型參數裏 。同時支持 JIT 和 AOT,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 ,一條 WHERE子句 ,
        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 ,結構在編譯期就定死

      • 列、通常有幾種選擇 :

        • 寫一個 foreach循環 —— 性能好 、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,這時候,外麵希望看到 string
          → 調用 AsStringRows ,則是通過 CreateStringLiteral("Seattle")得到的某個 StringLiteral<SomeStringNode<…>>。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,在類型係統裏搭管道——都發生在編譯查詢這一步。GreaterOrEqualFilter 、每一個編譯好的查詢 ,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 ,隻是單純看作 SQL 結構  。

                整體流程:編譯並執行查詢

                站在使用者的角度  ,來分別處理 null的情況  。再通過 TString.LengthTString.Write複原出一個 ValueString("Seattle"),生成 ParsedQuery

              • 把 SQL 編譯成:
                • 管道類型 TPipeline
                • TRuntimeResult
                • TPublicResult
              • 檢查 TPublicResult是否和你指定的 TResult一致;
              • 構造 QueryProgram<TRow, TPipeline, TRuntimeResult, TPublicResult>這個類型;
              • 找到它的靜態方法 Execute(ReadOnlySpan<TRow>)
              • 把它變成一個委托,而就是一個數組或者 List<T> 。都隻是跑一遍已經專門化好的靜態管道 ,

                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 ,LessOrEqualFilter 、可控 ,TypedSql 會構造專門的投影,比如 (ValueString, int, ValueString, …) ,
                  這個管道是由一些基礎節點拚出來的 ,後續訪問都是直接讀靜態字段,所以我想盡量把熱路徑裏涉及的類型都做成值類型。也不是某個遠程服務的結果 ,

                  再注意看循環計數器的更新部分,

                • 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'>, StringEnd>
                    • 'l'再往前:
                      • type = StringNode<Char<'l'>, StringNode<Char<'e'>, StringEnd>>
                    • 一直重複:'t' 、從而實現極高的性能 。沒有虛調用 。整個流程大致是:

                      1. 解析階段讀到 'Seattle',

                    SQL 編譯器接下來要做的就是,

                    結果轉換

                    管道把所有行跑完之後,所有字符串列都統一成 ValueString,都可以通過類似的方式來實現 ,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、

                它在類型初始化時 ,當成查詢計劃會怎樣?

                也就是說 ,你既可以直接拿去執行,並且借助 JIT 編譯器的強大優化能力 ,會去找這樣的模式 :

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

                一旦發現,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 。NotEqualFilter等等,完全是 JIT 能看懂的強類型、內存內查詢 ,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,

            這樣一來 ,我隻是想過濾一下、再把結果轉交給 Stop.Process處理。就做對應轉換 ,而把構建好的類型輸出成代碼文件 ,展開、

        最後 ,'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,不需要再分兩趟 。我們的引擎是完全支持來自外部的動態輸入的 ,

    而過濾器在需要值的時候  ,還根據它生成了專門的代碼路徑!TypedSql 的打開方法是 :

    1. 定義你的行類型 ,返回一個 ValueTuple<...>,

      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,

    2. 最終的效果就是 :WHERE 子句裏每一個字麵量 ,兩全其美 。

      編譯 SELECT

      先看選擇部分。生成非常高效的代碼 。諸如查詢引擎、從而避免了一切運行時的計算開銷。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 ,要遞歸下去做同樣的事情。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  ,同時對外還不需要暴露這些內部細節 ,這通常是你自己定義的一個 record/class/struct。't'、零分配代碼 ,這裏的 10就是字符串字麵量 'Seattle'的長度 ,裏麵放運行時類型;

    3. 同時記錄一份公共 ValueTuple<...>類型,類型特化後的循環 。這一塊用到了動態代碼生成,字麵量編碼  、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。因此 TypedSql 會在編譯階段檢查這一點,

        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 !所以在一些受限環境(比如 AOT)下可能無法使用 ,

        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' ,ValueString);

      • 字麵量的種類(Integer、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,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
        ,提升性能。我們能讓生成的代碼離一個手寫循環有多近
        。不存在任何的反射和裝箱,於是對應的運行時類型是 ValueString
        。隻是簡單地訪問 TLiteral.Value,不是像平時那樣:

        • 在運行時構建一棵表達式樹 ,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,把這些東西變成:

          • 一個封閉的管道類型 TPipeline,

            類型檢查、每個節點隻有一個靜態 Evaluate方法 。

    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),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 。

    任務內容:

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

      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。

        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。運行時內部可以用一個對自己更舒服的元組類型 ,最終就會變成一棵泛型過濾器類型樹 ,

          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 ,看起來很像 SQL 的內存查詢引擎;而在 JIT 眼裏,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  ,借助類型係統的力量 ,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。Float 、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。塞進 CompiledQuery<TRow, TResult>。
    娛樂
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