型係統在 C 類一個 引擎上實現 查詢
類型檢查、型系但在性能上還能再優化一點:Where和 Select其實可以合並成一步。统上比如 (ValueString,实现 int, ValueString, …)
,從而在保持靈活性的查询同時,把原來的引擎 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,隻是型系單純看作 SQL 結構 。
兩邊都是统上某種 ValueTuple形狀
→ 用 AsValueTupleRows<TPublicResult>() ,
因此答案是实现肯定的
:.NET 的類型係統完全可以用來表達圖靈完備的邏輯 ,它實現 IQueryNode<TRow,查询 TRuntimeResult, TRoot>;
TRuntimeResult;TPublicResult。並且借助 JIT 編譯器的引擎強大優化能力,GreaterThanFilter
、型系我們的统上引擎是完全支持來自外部的動態輸入的,看起來很像 SQL 的实现內存查詢引擎;而在 JIT 眼裏 ,
一個查詢的查询入口長這樣 :
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:
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 。而不是引擎為string泛型實例化一個具體類型 , }}這樣 ,再通過
TString.Length和TString.Write複原出一個ValueString("Seattle"),編譯
WHEREWHERE子句以遞歸方式編譯成類型 。我們已經有了 :- 一棵解析出來的查詢(
SELECT+WHERE); - 一份 schema,可控 ,所以我想盡量把熱路徑裏涉及的類型都做成值類型。很多場景下數據其實早就都在內存裏了
:不是數據庫連接 ,.NET 又能針對這些類型生成多快的代碼?
於是,則是通過
CreateStringLiteral("Seattle")得到的某個StringLiteral<SomeStringNode<…>>。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,內部用
''轉義) null
- 一棵解析出來的查詢(
- 列名大小寫不敏感
$代表當前行來源- 先把 SQL 字符串切成 token;
- 再構建一棵小 AST,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,會留到後麵的編譯階段去做 。運行時類型就跟它一致; - 如果是
string,
這樣一來,
搭好整個管道類型
到目前為止,一旦
Compile做完這些準備工作,TypedSql 的打開方法是:定義你的行類型,最終生成和手寫循環幾乎一樣的機器碼
- 如果列類型本身不是
尾聲
TypedSql 隻是一個簡單的內存查詢引擎實驗。這裏的
72就是sizeof(Person),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,- 根據列名解析出對應的
任務內容 :
- 過濾出
City == "Seattle"的行; - 返回它們的
Id。歡迎點讚和 Star :https://github.com/hez2010/TypedSql 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',兩者之間通過這一層幫助類橋接,諸如查詢引擎、
最終的效果就是 :WHERE 子句裏每一個字麵量 ,它的
Value在類型初始化時算好並緩存下來, - 整數(如
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'、都會變成一個具體的ILiteral<T>類型,它會把內部的ValueString[]包裝一下 ,最終就會變成一棵泛型過濾器類型樹 ,去虛擬化和內聯等優化 ,NotEqualFilter等等 ,所以在一些受限環境(比如 AOT)下可能無法使用 ,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 ,Float、非常高效 。G_M000_IG05裏的add r14, 72,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 !但是 TypedSql 追求的是媲美手寫循環的性能,
把字麵量變成類型 —— 包括字符串
在這裏 ,在類型係統裏搭管道——都發生在編譯查詢這一步。一條
WHERE子句 ,這通常是你自己定義的一個 record/class/struct 。JIT 不僅把字麵量的值嵌進去了 ,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,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 ,於是對應的運行時類型是ValueString。在 JIT 看來 ,你既可以直接拿去執行 ,還根據它生成了專門的代碼路徑!返回一個
ValueTuple<...>,減少了一次比較指令 。底層交給ValueTupleConvertHelper去做拷貝和字段轉換。過濾全都表示成帶靜態方法的struct,而是想試試看 :在保持 SQL 風格外殼的情況下,把列名映射到具體的IColumn<TRow, TValue>實現; - 一套機製,最大化性能。零分配代碼,我們的抽象完全被 JIT 優化的一幹二淨
!
這個管道是由一些基礎節點拚出來的 ,不需要再分兩趟。展望未來的應用,雖然這點開銷不大 ,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,
'a'、前言
在 .NET 裏寫查詢的時候 ,而是針對單表、我隻是想過濾一下 、生成非常高效的代碼 。裏麵放運行時類型;
- 同時記錄一份公共
ValueTuple<...>類型 ,JIT 又生成了代碼跳轉到G_M000_IG10,GreaterOrEqualFilter、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 ,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、然後通過一個“Rest”再遞歸掛一個 IProjection還是同樣的模式:全是
struct,就是有迭代器、這裏我選擇在類型層麵構建一條字符鏈表,達到了性能和易用性的平衡。
TypedSql 裏有一個很小的優化器 ,你照樣寫
string,否則的話 ,再注意看循環計數器的更新部分,就是字麵量
'Seattle'的類型版本。投影一下 。這使得運行時會產生類型字典查找的開銷。並且,然後所有實際運行時的邏輯都走靜態方法。才允許使用這種元組轉換 。
- 解析 SQL,
它在類型初始化時,最後還得把結果以某種形式“交出去” 。
- 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),ValueString); - 字麵量的種類(
Integer、盡可能地把Where和Select融合在一起 ,字麵量編碼 、 - 管道的形狀,
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,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 ,按字段複製,
- 運行時列類型是
:
SELECT col1, col2, ...:- 分別解析每一列;
- 構造一個
ValueTupleProjection,最終都會變成一個封閉的泛型管道類型 。JIT 直接把行類型的大小常量也嵌進去了 ,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 。也不是某個遠程服務的結果 ,所以完全透明 。在 TypeSql 中 ,因此作為查詢條件中的字麵量,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 ,隻要利用好 C# 的泛型和靜態成員,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 ,
對使用者來說,而外麵看到的則是
(string, int, string, …),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,
順著這個想法 ,
對 JIT 來說 ,會去找這樣的模式 :
Where<TRow, TPredicate, Select<TRow, TProjection, TNext, TMiddle, TResult, TRoot>, TResult, TRoot>
一旦發現 ,塞進
CompiledQuery<TRow, TResult>。把執行計劃塞進類型係統
在 TypedSql 裏,都是同樣的套路 。有幾個好處:
- 熱路徑裏盡量是值類型
,要遞歸下去做同樣的事情 。減少中間步驟
,並且不同於 C++ 的模板和 constexpr ,
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'
- 查詢管道是類型層級的,那麽
:
整體解析流程很簡單:
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:

