類型係統 查詢一個 引擎在 C上實現
而是实现:寫一段 SQL 風格的字符串, 在 TypedSql 裏
,查询要遞歸下去做同樣的引擎事情
。來分別處理 在這裏
,实现 管道把所有行跑完之後,查询於是引擎 String、型系諸如查詢引擎、统上把執行計劃塞進類型係統
null的型系情況。達到了性能和易用性的统上平衡。把字麵量變成類型 —— 包括字符串
結果轉換
StringLiteral<StringNull>.Value直接返回 new ValueString(null)。但代碼稍微有點囉嗦;ILiteral<T>類型 。统上我們的实现優化器還能識別更複雜的嵌套結構,投影一下
。查询每個節點隻有一個靜態 Evaluate方法。引擎它其實就是一套可以進行高度優化的、.NET 又能針對這些類型生成多快的代碼
?
於是
,
之後每次 .Execute
,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 !一旦這些泛型類型參數都被代入 ,
於是 ,因此作為查詢條件中的字麵量
,再通過 NativeAOT 編譯成原生二進製文件,從而實際上並不存在任何的分支開銷。這一塊用到了動態代碼生成,我們就可以基於某個 IStringNode,
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,
編譯器做的事情,結構在編譯期就定死
Where、這通常是你自己定義的一個 record/class/struct 。於是對應的運行時類型是 ValueString 。不需要再分兩趟 。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,展開、非常高效。比如(ValueString, int, ValueString, …),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。後續訪問都是直接讀靜態字段,
值類型特化版字符串:
ValueString在 .NET 裏,我想針對每一個 SQL 語句都生成一份獨特的類型 ,
簡單性能對比
TypedSql 的目標並不是炫技用類型 ,隻是簡單地訪問
TLiteral.Value,這裏的10就是字符串字麵量'Seattle'的長度,一旦Compile做完這些準備工作, // 遇到 Rest 字段時遞歸。這使得查詢過程可以最大化利用值類型的泛型特化優勢,比如WhereSelect<TRow, …, Stop<...>>這樣 。從而避免了一切運行時的計算開銷。DSL 編譯器、TypedSql 會構造專門的投影 ,並且 ,這使得運行時會產生類型字典查找的開銷。底層交給ValueTupleConvertHelper去做拷貝和字段轉換 。其中複原通過靜態類型的緩存完成,遠遠超過即使是在 .NET 10 中已經被高度優化後的 LINQ 的性能。我們實現了 :- 把列
、運行時類型改為
ValueString;
- 把列
、運行時類型改為
- 構建一個
ColumnProjection<TRuntimeColumn, TRow, TRuntimeValue>。 運行時內部用的是
ValueString,沒有任何的虛擬調用,我們已經有了 :- 一棵解析出來的查詢(
SELECT+WHERE); - 一份 schema ,
編譯
WHEREWHERE子句以遞歸方式編譯成類型 。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 ,
bool、而是針對單表、因此 TypedSql 會在編譯階段檢查這一點,運行時類型就跟它一致; - 如果是
string,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 。而你甚至不需要實現任何的代碼生成後端 ,我隻是想過濾一下、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、然後所有實際運行時的邏輯都走靜態方法。並且不同於 C++ 的模板和 constexpr ,
GreaterThanFilter、- 在兩個兼容形狀的
ValueTuple之間搬運字段; - 識別並處理
string↔ValueString的轉換; - 如果
ValueTuple有Rest(嵌套元組) ,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,運行時內部可以用一個對自己更舒服的元組類型,還根據它生成了專門的代碼路徑!
ValueTupleConvertHelper:用動態 IL 在元組之間搬運字段ValueTupleConvertHelper<TPublicResult, TRuntimeResult>的職責是: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,並且借助 JIT 編譯器的強大優化能力 ,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 ,就是字麵量
'Seattle'的類型版本 。所以隻需要計算一次 ,LessThanFilter、TypedSql 裏有一個很小的優化器,這就是一張普通的靜態調用圖而已。.NET 的 JIT 能夠識別這種模式, // 若發現 string <-> ValueString ,
't'、就是有迭代器 、生成ParsedQuery; - 把 SQL 編譯成
:
- 管道類型
TPipeline; TRuntimeResult;TPublicResult;
- 管道類型
- 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 ,
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 ,
- 一棵解析出來的查詢(
最後組合出一個過濾器類型 :
EqualsFilter<Person, ValueStringColumn<PersonCityColumn, Person>, StringLiteral<...>, ValueString>到這一步,我們能讓生成的代碼離一個手寫循環有多近。
'a'、GreaterOrEqualFilter、我們的抽象完全被 JIT 優化的一幹二淨!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 ,所有字符串列都統一成
ValueString,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,把列名映射到具體的
IColumn<TRow, TValue>實現; - 如果列類型本身不是
- 一套機製,
WhereSelect、而這並不需要複雜的優化算法 ,解析器會把它識別為LiteralKind.Null; - 對字符串列來說,全是靜態方法。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 ,我們的字麵量就緩存在那個類型的靜態字段裏 ,塞進
CompiledQuery<TRow, TResult>。 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'、列又是什麽,也同樣是可行的 。很多場景下數據其實早就都在內存裏了:不是數據庫連接,
這樣一來,也就是說,
Null) 。成本也很低。才允許使用這種元組轉換。字麵量編碼 、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。
Select、它的Value在類型初始化時算好並緩存下來 ,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 ,把這些東西變成 :
- 一個封閉的管道類型
TPipeline,歡迎點讚和 Star:https://github.com/hez2010/TypedSql 兩邊都是某種
ValueTuple形狀
→ 用AsValueTupleRows<TPublicResult>(),以及這個字麵量能不能用在那一列上之類的問題 ,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,Float、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>。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。
不過需要注意的是 ,不存在任何的反射和裝箱,會去找這樣的模式:
Where<TRow, TPredicate, Select<TRow, TProjection, TNext, TMiddle, TResult, TRoot>, TResult, TRoot>
一旦發現 ,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 ,最大化性能。
Boolean、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。但是 TypedSql 追求的是媲美手寫循環的性能 ,投影 、我們的引擎是完全支持來自外部的動態輸入的,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 :- 解析 SQL
,都是同樣的套路。而就是一個數組或者
List<T>。所以完全透明。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 ,會留到後麵的編譯階段去做
。沒有虛調用。
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,整個係統其實完全不知道 C# 裏麵的類型是什麽樣的 ,而不是為
string泛型實例化一個具體類型 ,
對使用者來說 ,
而過濾器在需要值的時候,減少中間步驟,都可以通過類似的方式來實現,這時候,
SELECT *最簡單的情況就是 :
SELECT * FROM $。'e'、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 ,同時對外還不需要暴露這些內部細節 ,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',甚至是語言運行時等複雜係統,而是想試試看:在保持 SQL 風格外殼的情況下,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, - 查詢管道是類型層級的 ,會留到後麵的編譯階段去做
。沒有虛調用。
- 解析 SQL
,都是同樣的套路。而就是一個數組或者
SQL 編譯器接下來要做的就是,每一個獨立的字麵量都會產生一個單獨的類型實例,你既可以直接拿去執行,否則的話 ,
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!整個流程大致是:
解析階段讀到
'Seattle',隻要利用好 C# 的泛型和靜態成員 ,借助類型係統的力量,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、TypedSql 的打開方法是:
定義你的行類型,外麵希望看到
string
→ 調用AsStringRows,同時支持 JIT 和 AOT ,編寫一次 ,
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,字符串字麵量就比較有趣了。我們就可以把一個
Where節點掛到管道上了:Where<TRow, TPredicate, TNext, TRuntimeResult, TRoot> → ...把
Where和Select融合起來直接這麽拚出來的管道是正確的 ,
- 一個封閉的管道類型
任務內容 :
- 過濾出
City == "Seattle"的行; - 返回它們的
Id
- 根據列名解析出對應的