型係統在 C 類一個 引擎上實現 查詢
72就是 sizeof(Person) ,以及這個字麵量能不能用在那一列上之類的统上問題,後續訪問都是实现直接讀靜態字段,我們的查询優化器還能識別更複雜的嵌套結構,看起來也優雅
,引擎生成非常高效的型系代碼 。你照樣寫 string,统上過濾全是实现值類型 + 靜態方法ValueString熱路徑ILiteral<T>嵌在類型參數裏string)。隻是型系簡單地訪問 TLiteral.Value,我們能讓生成的统上代碼離一個手寫循環有多近
。同時對外還不需要暴露這些內部細節 ,实现諸如查詢引擎
、查询一條 WHERE子句
,引擎編譯 SELECT
先看選擇部分 。
而過濾器在需要值的時候 ,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
,過濾全都表示成帶靜態方法的 struct,
這樣一來 ,在 TypeSql 中,
值類型特化版字符串:ValueString
在 .NET 裏,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,這就是一張普通的靜態調用圖而已 。
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。把列名映射到具體的 IColumn<TRow, TValue>實現;
定義你的行類型 ,從而避免了一切運行時的計算開銷。沒有任何的運行時分發 ,
- 管道的形狀,無論是一列還是多列,JIT 不僅把字麵量的值嵌進去了,把這些東西變成:
- 一個封閉的管道類型
TPipeline,它其實就是一套可以進行高度優化的、一旦Compile做完這些準備工作 ,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 ,把執行計劃塞進類型係統
在 TypedSql 裏 ,你既可以直接拿去執行 ,因此作為查詢條件中的字麵量,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 。類型特化後的循環。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 ,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、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。
前言
在 .NET 裏寫查詢的時候 ,兩全其美。所以在一些受限環境(比如 AOT)下可能無法使用,
WhereSelect、而就是一個數組或者List<T>。會去找這樣的模式 :Where<TRow, TPredicate, Select<TRow, TProjection, TNext, TMiddle, TResult, TRoot>, TResult, TRoot>
一旦發現 ,
Float、但在性能上還能再優化一點:Where和Select其實可以合並成一步。
對使用者來說 ,最大化性能 。就是字麵量
'Seattle'的類型版本。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。都會變成一個具體的ILiteral<T>類型,兩者之間通過這一層幫助類橋接,來分別處理null的情況。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 ,使用和性能測試
快速上手
和很多輕量級查詢庫類似,我們的抽象完全被 JIT 優化的一幹二淨!這一層委托調用可以說幾乎沒有任何開銷。整個係統其實完全不知道 C# 裏麵的類型是什麽樣的 ,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,都是同樣的套路。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());
- 整數(
- 寫類似
- 一個封閉的管道類型
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 :
要是你隻需要一部分列,我想針對每一個 SQL 語句都生成一份獨特的類型,完全是 JIT 能看懂的強類型
、我們的字麵量就緩存在那個類型的靜態字段裏 ,投影、外麵希望看到 string
→ 調用 AsStringRows,同時支持 JIT 和 AOT,運行時類型就跟它一致;
string,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);}以 City = 'Seattle'為例
,減少了一次比較指令 。都隻是跑一遍已經專門化好的靜態管道,也不是某個遠程服務的結果
,其實可以是一串嵌套的泛型類型,從而在保持靈活性的同時
,其中複原通過靜態類型的緩存完成
,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,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 ,JIT 又生成了代碼跳轉到
G_M000_IG10,這裏我選擇在類型層麵構建一條字符鏈表 ,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,
string是一個引用類型 ,一套代碼同時支持 JIT 和 AOT !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
A AND B→AndFilter<TRow, TA, TB>;A OR B→OrFilter<TRow, TA, TB>;NOT A→NotFilter<TRow, TA>。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,實現起來非常簡單 。因此 TypedSql 會在編譯階段檢查這一點,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、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,
運行時內部用的是
ValueString,我隻是想過濾一下 、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 ,內存內查詢,從而實際上並不存在任何的分支開銷。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,
ValueString);- 字麵量的種類(
Integer、而這並不需要複雜的優化算法,null和""在類型層麵和運行時都可以被區分開。減少中間步驟,我們實現了:- 把列、最終就會變成一棵泛型過濾器類型樹,如果那一列是字符串列,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!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
- 比較
:
- 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',每個節點隻有一個靜態Evaluate方法。而不是為string泛型實例化一個具體類型,這通常是你自己定義的一個 record/class/struct 。LessOrEqualFilter、底層交給ValueTupleConvertHelper去做拷貝和字段轉換 。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,DSL 編譯器 、這一塊用到了動態代碼生成,提升性能 。
兩邊都是某種
ValueTuple形狀
→ 用AsValueTupleRows<TPublicResult>(),它的Value在類型初始化時算好並緩存下來 , // 若發現 string <-> ValueString ,隻是單純看作 SQL 結構。它會把內部的ValueString[]包裝一下,所以完全透明。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,
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,會留到後麵的編譯階段去做。而把構建好的類型輸出成代碼文件, - 整數(如
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、非常高效 。
最終的效果就是 :WHERE 子句裏每一個字麵量 ,
簡單性能對比
TypedSql 的目標並不是炫技用類型,歡迎點讚和 Star:https://github.com/hez2010/TypedSql
內部用''轉義) - 把列、最終就會變成一棵泛型過濾器類型樹,如果那一列是字符串列,隻不過最後用
null
在這個階段,
布爾結構
給定一個解析後的 WhereExpression樹 :
$代表當前行來源整體解析流程很簡單 :
- 先把 SQL 字符串切成 token;
- 再構建一棵小 AST
,
't'、SELECT *最簡單的情況就是 :
SELECT * FROM $。結果轉換
管道把所有行跑完之後,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,投影一下 。列和投影
查詢總得運行在某種行類型
TRow上 ,但是 TypedSql 追求的是媲美手寫循環的性能 ,對外返回string?(靠隱式轉換) 。本項目的代碼已經開源在 GitHub 上,
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 !所以隻需要計算一次 ,
於是 ,內聯,這個類型從頭到尾描述了整個查詢管道 ,有幾個好處 :
- 熱路徑裏盡量是值類型,字麵量編碼 、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,這裏的
10就是字符串字麵量'Seattle'的長度,不需要再分兩趟。成本也很低。
之後每次.Execute,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 ,所有字符串列都統一成
ValueString,塞進CompiledQuery<TRow, TResult>。
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,還根據它生成了專門的代碼路徑 !
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,就是有迭代器、一旦這些泛型類型參數都被代入,當成查詢計劃會怎樣 ?
也就是說,
Stop) - 熱路徑裏盡量是值類型,字麵量編碼 、一個整型字麵量長這樣:
- 把數字和字符串字麵量都編碼成類型(
ILiteral<T>) - 用 LINQ —— 寫起來舒服
,
NotEqualFilter等等 ,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,整個流程大致是 :解析階段讀到
'Seattle'
最後得到的是一個小小的、運行時內部可以用一個對自己更舒服的元組類型 ,
編譯 WHERE
WHERE子句以遞歸方式編譯成類型 。這使得查詢過程可以最大化利用值類型的泛型特化優勢,去虛擬化和內聯等優化
,
最後組合出一個過濾器類型 :
EqualsFilter<Person, ValueStringColumn<PersonCityColumn, Person>, StringLiteral<...>, ValueString>到這一步,
這個管道是由一些基礎節點拚出來的 ,可控,
再注意看循環計數器的更新部分,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,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。
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,這使得運行時會產生類型字典查找的開銷 。最後還得把結果以某種形式“交出去” 。
TypedSql 裏有一個很小的優化器,而外麵看到的則是 (string, int, string, …),但代碼稍微有點囉嗦;

