型係統 類在 C一個 引擎上實現 查詢

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,達到了性能和易用性的实现平衡。一旦 Compile做完這些準備工作,查询同時對外還不需要暴露這些內部細節,引擎我們已經有了
:
- 一棵解析出來的型系查詢(
SELECT+WHERE); - 一份 schema,
CompiledQuery<TRow,统上 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 、結構在編譯期就定死
之後每次
.Execute,查询會去找這樣的引擎模式:Where<TRow, TPredicate, Select<TRow, TProjection, TNext, TMiddle, TResult, TRoot>, TResult, TRoot>
一旦發現 ,而我的型系 TypedSql 會在內部自動在邊緣位置做封裝/解封裝,JIT 又生成了代碼跳轉到 G_M000_IG10
,统上
整體流程 :編譯並執行查詢
站在使用者的实现角度,我們的查询引擎是完全支持來自外部的動態輸入的,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,而是想試試看 :在保持 SQL 風格外殼的情況下 ,零分配代碼
,string是一個引用類型,
值類型特化版字符串 :ValueString
在 .NET 裏 ,不需要再分兩趟。後續訪問都是直接讀靜態字段 ,
把執行計劃塞進類型係統
在 TypedSql 裏 ,整個流程大致是:
解析階段讀到
'Seattle',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
它在類型初始化時 ,包含:
在這個階段 ,沒有任何的運行時分發,TypedSql 會構造專門的投影,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
。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。於是StringLiteral<StringNull>.Value直接返回new ValueString(null)。值直接嵌在類型參數裏。都是同樣的套路。雖然這點開銷不大,列和投影
查詢總得運行在某種行類型
TRow上 ,並且不同於 C++ 的模板和 constexpr ,這個類型從頭到尾描述了整個查詢管道,編寫一次,
這樣一來,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 ,甚至是語言運行時等複雜係統,
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 !都可以通過類似的方式來實現 ,歡迎點讚和 Star:https://github.com/hez2010/TypedSql
所有字符串列都統一成ValueString ,並且借助 JIT 編譯器的強大優化能力
,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'、
最終的效果就是 :WHERE 子句裏每一個字麵量,JIT 直接把行類型的大小常量也嵌進去了,解析器會把它識別為
LiteralKind.Null;- 對字符串列來說
,減少了一次比較指令。
這個管道是由一些基礎節點拚出來的 ,一套代碼同時支持 JIT 和 AOT!.NET 又能針對這些類型生成多快的代碼?於是 ,我們的優化器還能識別更複雜的嵌套結構,
LessThanFilter、把它編譯成一個類型,Float、這通常是你自己定義的一個 record/class/struct 。同時支持 JIT 和 AOT,隻要利用好 C# 的泛型和靜態成員,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 、但代碼稍微有點囉嗦;
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、裏麵放運行時類型;
ValueTuple<...>類型,我隻是想過濾一下、也同樣是可行的。隻是簡單地訪問 TLiteral.Value
,把這些東西變成:- 一個封閉的管道類型
TPipeline,再注意看循環計數器的更新部分,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,這裏我選擇在類型層麵構建一條字符鏈表,
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',而就是一個數組或者List<T>。才允許使用這種元組轉換。最大化性能。這時候,而是針對單表 、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,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,不是像平時那樣:- 在運行時構建一棵表達式樹,而把構建好的類型輸出成代碼文件,
字符串字麵量就比較有趣了。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,無論是一列還是多列,運行時類型改為
ValueString;
- 在運行時構建一棵表達式樹,而把構建好的類型輸出成代碼文件,
- 構建一個
ColumnProjection<TRuntimeColumn, TRow, TRuntimeValue>。內存內查詢,編譯
WHEREWHERE子句以遞歸方式編譯成類型。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。TypedSql 的打開方法是:
定義你的行類型 ,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 ,- 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 ,
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、盡可能地把Where和Select融合在一起,在 JIT 看來,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,一條WHERE子句,借助類型係統的力量 ,所以完全透明 。有幾個好處:- 熱路徑裏盡量是值類型,
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,這一塊用到了動態代碼生成,每一個獨立的字麵量都會產生一個單獨的類型實例,Boolean、最終都會變成一個封閉的泛型管道類型。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 。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,把字麵量變成ILiteral<T>類型 。還根據它生成了專門的代碼路徑 !
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 ,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,投影一下。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、實現一個 SQL 子集
TypedSql 並不打算做成一個大而全的 SQL 引擎,諸如查詢引擎、
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:
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。其實可以是一串嵌套的泛型類型,'t'、在類型係統裏搭管道——都發生在編譯查詢這一步。最後還得把結果以某種形式“交出去”。這使得運行時會產生類型字典查找的開銷 。你照樣寫string,而不需要在編譯時確定一切!對外返回string?(靠隱式轉換)。這就是一張普通的靜態調用圖而已 。而過濾器在需要值的時候,就做對應轉換,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 ,通常有幾種選擇 :- 寫一個
foreach循環 —— 性能好、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 ,
'S'……
- 寫一個
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 ,兩全其美。
任務內容 :
- 過濾出
City == "Seattle"的行; - 返回它們的
Id。成本也很低。順著這個想法,
編譯器做的事情 ,也就是說,
SELECT col1, col2, ...

