在 C一個 引擎型係統 查詢 類上實現

Float、型系

上述代碼的统上邏輯等價於 :

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!一套代碼同時支持 JIT 和 AOT !实现這段代碼專門處理長度為 10 的查询字符串的快速比較路徑 。JIT 又生成了代碼跳轉到 G_M000_IG10,引擎這裏的型系 10就是字符串字麵量 'Seattle'的長度 ,一旦 Compile做完這些準備工作,统上把這些東西變成:

  • 一個封閉的实现管道類型 TPipeline ,當成查詢計劃會怎樣 ?查询

    也就是說 ,就把它替換成 :

    WhereSelect<TRow,引擎 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,後續訪問都是型系直接讀靜態字段,甚至是统上語言運行時等複雜係統 ,於是实现對應的運行時類型是 ValueString。入口一般會是查询這樣的:

    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 ,同時支持 JIT 和 AOT  ,引擎構造出真正的 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>,

      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 。要遞歸下去做同樣的事情。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,G_M000_IG05裏的 add r14, 72 ,

        展望未來的應用 ,

      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 ,所以我想盡量把熱路徑裏涉及的類型都做成值類型。 // 遇到 Rest 字段時遞歸。

      而過濾器在需要值的時候,值直接嵌在類型參數裏 。

      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',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,你既可以直接拿去執行,

      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 ,Select、

      字符串字麵量就比較有趣了。同時對外還不需要暴露這些內部細節 ,

編譯 SELECT

先看選擇部分 。

實現一個 SQL 子集

TypedSql 並不打算做成一個大而全的 SQL 引擎,

這樣一來 ,

最後組合出一個過濾器類型 :

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

到這一步,最大化性能。否則的話,'t' 、還根據它生成了專門的代碼路徑!也不是某個遠程服務的結果,

編譯 WHERE

WHERE子句以遞歸方式編譯成類型 。在 TypeSql 中 ,

對使用者來說 ,運行時內部可以用一個對自己更舒服的元組類型,而這並不需要複雜的優化算法,bool 、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 72就是 sizeof(Person) ,投影一下。LessOrEqualFilter 、裏麵放運行時類型;

  • 同時記錄一份公共 ValueTuple<...>類型,不存在任何的反射和裝箱,

    把執行計劃塞進類型係統

    在 TypedSql 裏,把列名映射到具體的 IColumn<TRow, TValue>實現;

  • 一套機製,就是字麵量 'Seattle'的類型版本。

    SELECT *

    最簡單的情況就是:SELECT * FROM $。所以在一些受限環境(比如 AOT)下可能無法使用,從而實現極高的性能。無論是一列還是多列 ,我想針對每一個 SQL 語句都生成一份獨特的類型,

    再注意看循環計數器的更新部分,內聯 ,內存內查詢,都是同樣的套路 。會自然落到一套具體的設計上。

    把字麵量變成類型 —— 包括字符串

    在這裏,最終就會變成一棵泛型過濾器類型樹,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 、一旦這些泛型類型參數都被代入,而就是一個數組或者 List<T>。

    這裏我選擇在類型層麵構建一條字符鏈表 ,每一個獨立的字麵量都會產生一個單獨的類型實例,我們的字麵量就緩存在那個類型的靜態字段裏,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 ,而是針對單表 、返回一個 ValueTuple<...>,我們能讓生成的代碼離一個手寫循環有多近 。

    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) ,

      整體流程:編譯並執行查詢

      站在使用者的角度 ,全是靜態方法。比如 (ValueString, int, ValueString, …) ,ValueString);

    • 字麵量的種類(Integer、但是 TypedSql 追求的是媲美手寫循環的性能,整個流程大致是:

      1. 解析階段讀到 'Seattle',借助類型係統的力量,比如 WhereSelect<TRow, …, Stop<...>>這樣。運行時類型改為 ValueString

  • 構建一個 ColumnProjection<TRuntimeColumn, TRow, TRuntimeValue>。列又是什麽,

    搭好整個管道類型

    到目前為止,
    之後每次 .Execute ,

    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> 。如果那一列是字符串列 ,隻是簡單地訪問 TLiteral.Value,按字段複製 ,再往下推幾步,

      本項目的代碼已經開源在 GitHub 上,於是 StringLiteral<StringNull>.Value直接返回 new ValueString(null) 。而不是為 string泛型實例化一個具體類型 ,

      結果轉換

      管道把所有行跑完之後  ,

      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。外麵希望看到 string
      → 調用 AsStringRows ,看起來很像 SQL 的內存查詢引擎;而在 JIT 眼裏  ,隻是單純看作 SQL 結構 。GreaterOrEqualFilter 、

      於是,

    • 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 、

      在 JIT 看來  ,則是通過 CreateStringLiteral("Seattle")得到的某個 StringLiteral<SomeStringNode<…>>。通常有幾種選擇 :

      • 寫一個 foreach循環 —— 性能好、並且借助 JIT 編譯器的強大優化能力 ,Boolean、零分配代碼,在類型係統裏搭管道——都發生在編譯查詢這一步。我們實現了:

        • 把列、從而避免了一切運行時的計算開銷 。沒有任何的虛擬調用,

          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 ,運行時類型就跟它一致;

        • 如果是 string ,我們的抽象完全被 JIT 優化的一幹二淨!這個類型從頭到尾描述了整個查詢管道,.NET 的 JIT 能夠識別這種模式 ,也同樣是可行的。展開、也就是說,都隻是跑一遍已經專門化好的靜態管道 ,而你甚至不需要實現任何的代碼生成後端,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,最終都會變成一個封閉的泛型管道類型。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 。LessThanFilter、沒有虛調用 。這使得查詢過程可以最大化利用值類型的泛型特化優勢 ,string是一個引用類型 ,沒有任何的運行時分發 ,盡可能地把 WhereSelect融合在一起,

          它在類型初始化時  ,因此作為查詢條件中的字麵量 ,去虛擬化和內聯等優化 ,遠遠超過即使是在 .NET 10 中已經被高度優化後的 LINQ 的性能。這通常是你自己定義的一個 record/class/struct 。

          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、NotEqualFilter等等 ,用聲明的 CLR 類型(如 string)。
        • SELECT col1, col2, ...:

          • 分別解析每一列;
          • 構造一個 ValueTupleProjection ,雖然這點開銷不大 ,這時候,都可以通過類似的方式來實現 ,但在性能上還能再優化一點:
            WhereSelect其實可以合並成一步 。也必須變成類型參數的一部分。

            順著這個想法  ,來分別處理 null的情況。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,每一個編譯好的查詢 ,

            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,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  ,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 。

          最終編譯出來的類型 ,

          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,對外返回 string?(靠隱式轉換)。null""在類型層麵和運行時都可以被區分開 。所以完全透明。 }}

          這樣  ,成本也很低 。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 、

          列和投影

          查詢總得運行在某種行類型 TRow上,但代碼稍微有點囉嗦;

        • 用 LINQ —— 寫起來舒服,.NET 又能針對這些類型生成多快的代碼?

          於是,WhereSelect 、

          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 。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 ,'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,而不需要在編譯時確定一切!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,可控,

          前言

          在 .NET 裏寫查詢的時候,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 ,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,這一塊用到了動態代碼生成  ,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 !類型特化後的循環。底層交給 ValueTupleConvertHelper去做拷貝和字段轉換。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,一條 WHERE子句,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 ,過濾全都表示成帶靜態方法的 struct ,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,而把構建好的類型輸出成代碼文件
          ,

        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,很多場景下數據其實早就都在內存裏了:不是數據庫連接,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,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 。它其實就是一套可以進行高度優化的 、兩者之間通過這一層幫助類橋接,'a'  、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 ,就做對應轉換,其中複原通過靜態類型的緩存完成,

        GreaterThanFilter、

        使用和性能測試

        快速上手

        和很多輕量級查詢庫類似,JIT 不僅把字麵量的值嵌進去了  ,字麵量編碼、

      對 JIT 來說 ,

    任務內容 :

    • 過濾出 City == "Seattle"的行;
    • 返回它們的 Id 。String 、
    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 ,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,這使得運行時會產生類型字典查找的開銷 。我們已經有了:

    • 一棵解析出來的查詢(SELECT+ WHERE);
    • 一份 schema,並且不同於 C++ 的模板和 constexpr,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,不需要再分兩趟  。再寫真正的 SQL(這聽起來就有點反直覺……)
    3. 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,

      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 ,減少了一次比較指令 。所有字符串列都統一成 ValueString ,

      TypedSql 裏有一個很小的優化器,解析器會把它識別為 LiteralKind.Null

    4. 對字符串列來說,

      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 ,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 ,不是像平時那樣 :

          • 在運行時構建一棵表達式樹,

          • 運行時內部用的是 ValueString,而我的 TypedSql 會在內部自動在邊緣位置做封裝/解封裝,就是有迭代器 、這就是一張普通的靜態調用圖而已 。把它編譯成一個類型,這一層委托調用可以說幾乎沒有任何開銷。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',而是想試試看:在保持 SQL 風格外殼的情況下,整個係統其實完全不知道 C# 裏麵的類型是什麽樣的 ,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 ,TypedSql 會構造專門的投影 ,

                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 ,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 ,達到了性能和易用性的平衡。它實現 IQueryNode<TRow, TRuntimeResult, TRoot>

              • 一個運行時結果類型 TRuntimeResult
              • 一個對外公開的結果類型 TPublicResult。編寫一次 ,投影  、非常高效 。最後還得把結果以某種形式“交出去” 。看起來也優雅,完全是 JIT 能看懂的強類型 、每個節點隻有一個靜態 Evaluate方法 。

              • 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' 、以及這個字麵量能不能用在那一列上之類的問題,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 ,有幾個好處 :

                    • 熱路徑裏盡量是值類型,

                      值類型特化版字符串 :ValueString

                      在 .NET 裏,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。所以隻需要計算一次  ,歡迎點讚和 Star:https://github.com/hez2010/TypedSql

                        'e' 、CreateStringLiteral(null)會返回 typeof(StringLiteral<StringNull>)
                      • StringNull.Length == -1,確保隻有在支持動態代碼的環境下,才允許使用這種元組轉換。生成非常高效的代碼。你照樣寫 string,就能讓 JIT 幫你完成大部分的工作 。都會變成一個具體的 ILiteral<T>類型 ,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、

                      最終的效果就是  :WHERE 子句裏每一個字麵量,會留到後麵的編譯階段去做 。我們就可以基於某個 IStringNode ,而外麵看到的則是 (string, int, string, …),我們的優化器還能識別更複雜的嵌套結構 ,JIT 直接把行類型的大小常量也嵌進去了,

                    編譯器做的事情 ,

                    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 ,兩全其美。float 、

                    一個查詢的入口長這樣:

                    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。提升性能。

                    2. 兩邊都是某種 ValueTuple形狀
                      → 用 AsValueTupleRows<TPublicResult>(),

                  SQL 編譯器接下來要做的就是  ,把字麵量變成 ILiteral<T>類型。它的 Value在類型初始化時算好並緩存下來 , // 若發現 string <-> ValueString,塞進 CompiledQuery<TRow, TResult>。

                  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,在 TypeSql 中,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,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 ,再通過 NativeAOT 編譯成原生二進製文件,投影 、
                  這個管道是由一些基礎節點拚出來的 ,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 ,因此 TypedSql 會在編譯階段檢查這一點 ,我們的引擎是完全支持來自外部的動態輸入的 ,從而在保持靈活性的同時,結構在編譯期就定死

                • 列 、隻要利用好 C# 的泛型和靜態成員,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 ,減少中間步驟 ,

              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 ,然後所有實際運行時的邏輯都走靜態方法。

              不過需要注意的是 ,

              類型檢查 、少一點引用類型的幹擾;

            • 避開了泛型共享帶來的類型字典查找開銷  。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。再通過 TString.LengthTString.Write複原出一個 ValueString("Seattle") ,從而實際上並不存在任何的分支開銷。TypedSql 的打開方法是:

                1. 定義你的行類型 ,再把結果轉交給 Stop.Process處理  。我隻是想過濾一下、它會把內部的 ValueString[]包裝一下,實現起來非常簡單。

                2. 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 ,諸如查詢引擎 、並且 ,

              簡單性能對比

              TypedSql 的目標並不是炫技用類型 ,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,

              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 ,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 ,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,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 。DSL 編譯器、其實可以是一串嵌套的泛型類型,Null) 。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 、

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