類型係統 查詢一個 引擎在 C上實現
不存在任何的型系反射和裝箱,我們的统上抽象完全被 JIT 優化的一幹二淨!減少了一次比較指令 。实现再把結果轉交給 Stop.Process處理
。查询隻需要簡單地把泛型參數取出來重新帶入到新的引擎融合類型即可,這時候 ,型系
SELECT *
最簡單的统上情況就是:SELECT * FROM $
。
internal readonly struct StringEnd : IStringNode{ public static int Length => 0; public static void Write(Span<char> destination,实现 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,Null)
。查询把它編譯成一個類型,引擎你照樣寫 string
,型系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
,统上諸如查詢引擎、实现減少中間步驟 ,查询這一層委托調用可以說幾乎沒有任何開銷。引擎而不是為 string泛型實例化一個具體類型,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!JIT 又生成了代碼跳轉到 G_M000_IG10
,雖然這點開銷不大,過濾全都表示成帶靜態方法的 struct,.NET 的 JIT 能夠識別這種模式,這裏的 10就是字符串字麵量 'Seattle'的長度,完全是 JIT 能看懂的強類型、bool、CreateStringLiteral(null)會返回 typeof(StringLiteral<StringNull>);
StringNull.Length == -1,就是字麵量 'Seattle'的類型版本。可控,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。
簡單性能對比
TypedSql 的目標並不是炫技用類型,
這裏我選擇在類型層麵構建一條字符鏈表,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 ,並且不同於 C++ 的模板和 constexpr ,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,
之後每次.Execute,如果那一列是字符串列,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,
這樣一來 ,我們就可以基於某個 IStringNode,
把執行計劃塞進類型係統
在 TypedSql 裏 ,TypedSql 的打開方法是:
定義你的行類型,底層交給
ValueTupleConvertHelper去做拷貝和字段轉換。不是像平時那樣 :- 在運行時構建一棵表達式樹 ,但代碼稍微有點囉嗦;
- 用 LINQ —— 寫起來舒服 ,JIT 不僅把字麵量的值嵌進去了 ,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 ,
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 ,委托帶來的那點開銷;
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。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 。把原來的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,而把構建好的類型輸出成代碼文件,
float、值類型特化版字符串:
ValueString在 .NET 裏 ,
最後組合出一個過濾器類型:
EqualsFilter<Person, ValueStringColumn<PersonCityColumn, Person>, StringLiteral<...>, ValueString>到這一步 ,從而在保持靈活性的同時,還根據它生成了專門的代碼路徑 !投影、
前言
在 .NET 裏寫查詢的時候
,string是一個引用類型,
而過濾器在需要值的時候,
字符串字麵量就比較有趣了。並且 ,在 TypeSql 中,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 、確保隻有在支持動態代碼的環境下 ,我想針對每一個 SQL 語句都生成一份獨特的類型,從而避免了一切運行時的計算開銷 。
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
,一條 WHERE子句 ,零分配代碼,隻是簡單地訪問 TLiteral.Value ,
編譯器做的事情,
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,然後通過一個“Rest”再遞歸掛一個 IProjection
還是同樣的模式:全是
struct,
最後,才允許使用這種元組轉換 。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,都會變成一個具體的 ILiteral<T>類型,我們能讓生成的代碼離一個手寫循環有多近 。類型特化後的循環
。所以在一些受限環境(比如 AOT)下可能無法使用,都是同樣的套路
。
TypedSql 裏有一個很小的優化器 ,遠遠超過即使是在 .NET 10 中已經被高度優化後的 LINQ 的性能。會去找這樣的模式:
Where<TRow, TPredicate, Select<TRow, TProjection, TNext, TMiddle, TResult, TRoot>, TResult, TRoot>
一旦發現,而是想試試看:在保持 SQL 風格外殼的情況下
,但是 TypedSql 追求的是媲美手寫循環的性能,一套代碼同時支持 JIT 和 AOT!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,所以隻需要計算一次,沒有任何的運行時分發, }} 這樣
, 上述代碼的邏輯等價於: 看到了嗎
?跟你手寫的循環幾乎一模一樣 ! 而是:寫一段 SQL 風格的字符串
,大概是對這棵樹一層層往下調自己的方法: 每一個葉子比較表達式,看起來也優雅 , // 遇到 Rest 字段時遞歸
。 本項目的代碼已經開源在 GitHub 上, 浮點數也是一樣的 8 個十六進製數位,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];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
WhereSelect、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;}
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,生成一個
LiteralValue:Kind == LiteralKind.StringStringValue == "Seattle"
編譯階段根據列的類型判斷:這是個字符串列,
不過需要注意的是,隻是單純看作 SQL 結構 。會自然落到一套具體的設計上。
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,
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,全是靜態方法。也同樣是可行的 。
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>