這個想法最終促成了 TypedSql —— 一個用 C# 類型係統實現的查询內存內 SQL 查詢引擎。遠遠超過即使是引擎在 .NET 10 中已經被高度優化後的 LINQ 的性能 。
上述代碼的型系邏輯等價於:
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!因此 TypedSql 會在編譯階段檢查這一點,统上GreaterOrEqualFilter、实现都會變成一個具體的查询 ILiteral<T>類型,一旦 Compile做完這些準備工作,引擎每一個獨立的型系字麵量都會產生一個單獨的類型實例,最終就會變成一棵泛型過濾器類型樹 ,统上其實可以是实现一串嵌套的泛型類型,
CompiledQuery<TRow,查询 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、
TypedSql 編譯出來的引擎類型大概是這樣:
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
,不存在任何的反射和裝箱,盡可能地把 Where和 Select融合在一起,
於是,就是字麵量 'Seattle'的類型版本。無論是一列還是多列 ,會自然落到一套具體的設計上。這一層委托調用可以說幾乎沒有任何開銷 。但是 TypedSql 追求的是媲美手寫循環的性能,內部包 string?)
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。
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,就是有迭代器、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+IntValueLiteralKind.Float+FloatValueLiteralKind.Boolean+BoolValueLiteralKind.String+StringValue(string?)LiteralKind.Null
定義你的行類型 ,把字麵量變成
ILiteral<T>類型 。
在這個階段 ,
順著這個想法,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 ,隻要利用好 C# 的泛型和靜態成員,TypedSql 的打開方法是 :
這樣一來 ,DSL 編譯器、但在性能上還能再優化一點 :Where和 Select其實可以合並成一步。
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 ,而我的 TypedSql 會在內部自動在邊緣位置做封裝/解封裝,外麵希望看到 string
→ 調用 AsStringRows,這通常是你自己定義的一個 record/class/struct 。.NET 又能針對這些類型生成多快的代碼?
於是
,同時對外還不需要暴露這些內部細節,string是一個引用類型,
最後,
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 , 最後組合出一個過濾器類型: 到這一步,而外麵看到的則是 編譯階段根據列的類型判斷
:這是個字符串列,整個係統其實完全不知道 C# 裏麵的類型是什麽樣的,看起來很像 SQL 的內存查詢引擎;而在 JIT 眼裏,JIT 直接把行類型的大小常量也嵌進去了
,我們的引擎是完全支持來自外部的動態輸入的 ,也同樣是可行的。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
,不是像平時那樣: 在 .NET 裏寫查詢的時候,會去找這樣的模式 : 一旦發現, 於是我選擇把字符串包在一個小的值類型裏: 再配一個適配器,在 TypeSql 中, TypedSql 裏有一個很小的優化器,減少了一次比較指令 。就能讓 JIT 幫你完成大部分的工作。所以隻需要計算一次,設計了一個很小的 SQL 方言 : 支持這些語句:EqualsFilter<Person, ValueStringColumn<PersonCityColumn, Person>, StringLiteral<...>, ValueString>(string, int, string, …)
,bool、生成一個 LiteralValue:Kind == LiteralKind.StringStringValue == "Seattle"前言
Where<TRow, TPredicate, Select<TRow, TProjection, TNext, TMiddle, TResult, TRoot>, TResult, TRoot>NotEqualFilter等等,這使得查詢過程可以最大化利用值類型的泛型特化優勢,
這個管道是由一些基礎節點拚出來的,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;}G_M000_IG05裏的 add r14, 72,SELECT * FROM $SELECT col FROM $SELECT col1, col2, ... FROM $WHERE支持 :=, !=, >, <, >=, <=AND, OR, NOT42)123.45)true/ false)'Seattle',按字段複製,'a'、Select、於是對應的運行時類型是 ValueString。塞進 CompiledQuery<TRow, TResult>。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。String、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,我隻是想過濾一下、- 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),而是針對單表、整體流程 :編譯並執行查詢
站在使用者的角度,
Boolean、Float、 }}這樣,才允許使用這種元組轉換 。這個類型從頭到尾描述了整個查詢管道 ,
簡單性能對比
TypedSql 的目標並不是炫技用類型,
列和投影
查詢總得運行在某種行類型
TRow上 ,沒有任何的運行時分發,字麵量編碼 、float、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。所有字符串列都統一成ValueString,就做對應轉換 ,有幾個好處 :- 熱路徑裏盡量是值類型,來分別處理
null的情況 。我想針對每一個 SQL 語句都生成一份獨特的類型 ,我們的字麵量就緩存在那個類型的靜態字段裏,在 JIT 看來 ,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,都可以通過類似的方式來實現 ,投影、.NET 的 JIT 能夠識別這種模式 , 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'、
之後每次.Execute,類型檢查 、達到了性能和易用性的平衡 。可控 ,都是同樣的套路 。
使用和性能測試
快速上手
和很多輕量級查詢庫類似 ,
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、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 、
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,Null)。值直接嵌在類型參數裏。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、零分配代碼,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,去虛擬化和內聯等優化 ,
而過濾器在需要值的時候 ,從而避免了一切運行時的計算開銷。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 ,值類型特化版字符串:
ValueString在 .NET 裏 ,
'e'、確保隻有在支持動態代碼的環境下 ,
- 列的運行時類型(
- 如果列類型本身不是
- 根據列名解析出對應的
- 熱路徑裏盡量是值類型,來分別處理
搭好整個管道類型
到目前為止 ,我們就可以基於某個
IStringNode,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 。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 ,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,
ValueString); - 字麵量的種類(
Integer
- 運行時結果類型 = 行類型本身
:
ValueTupleConvertHelper
:用動態 IL 在元組之間搬運字段
ValueTupleConvertHelper<TPublicResult, TRuntimeResult>的職責是: