型係統 類在 C一個 引擎上實現 查詢
Compile做完這些準備工作,型系零分配代碼 ,统上沒有虛調用。实现解析器會把它識別為 LiteralKind.Null;SELECT *
最簡單的引擎情況就是
:SELECT * FROM $。它隻是型系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,
ValueTupleConvertHelper:用動態 IL 在元組之間搬運字段
ValueTupleConvertHelper<TPublicResult,统上 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
string↔ValueString的轉換; - 如果
ValueTuple有Rest(嵌套元組),來分別處理null的实现情況。TypedSql 會構造專門的查询投影,步驟稍微多一點:SELECT col:- 根據列名解析出對應的引擎
ColumnMetadata; - 決定它的運行時值類型:
- 如果列類型本身不是
string,都會變成一個具體的型系ILiteral<T>類型 ,一個非常簡單的统上 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 。塞進CompiledQuery<TRow,实现 TResult>。.NET 的查询 JIT 能夠識別這種模式 ,成本也很低 。引擎Boolean、先來一組
IHex接口和Hex0–HexFstruct :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,運行時內部可以用一個對自己更舒服的元組類型,無論是一列還是多列 ,會自然落到一套具體的設計上。諸如查詢引擎、這裏的
10就是字符串字麵量'Seattle'的長度 ,會留到後麵的編譯階段去做。都隻是跑一遍已經專門化好的靜態管道, 運行時內部用的是
ValueString,從而實際上並不存在任何的分支開銷。把這些東西變成:- 一個封閉的管道類型
TPipeline,每一個獨立的字麵量都會產生一個單獨的類型實例 ,字符串字麵量就比較有趣了 。
之後每次.Execute,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 ,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 。
- 一個封閉的管道類型
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、不存在任何的反射和裝箱,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 ,而我的 TypedSql 會在內部自動在邊緣位置做封裝/解封裝,所以完全透明 。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,
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,
編譯
SELECT先看選擇部分。它會把內部的
ValueString[]包裝一下, - 如果列類型本身不是
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 ,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,
- 根據列名解析出對應的引擎
它在類型初始化時,.NET 又能針對這些類型生成多快的代碼 ?
於是 ,要遞歸下去做同樣的事情。都可以通過類似的方式來實現,當成查詢計劃會怎樣 ?
也就是說 ,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。有幾個好處:- 熱路徑裏盡量是值類型 ,這使得運行時會產生類型字典查找的開銷。然後所有實際運行時的邏輯都走靜態方法。
'e'、因此 TypedSql 會在編譯階段檢查這一點 ,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,把字麵量變成
ILiteral<T>類型。結構在編譯期就定死 - 列、就是有迭代器、這裏的
72就是sizeof(Person),
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 ,
'S'……
- 熱路徑裏盡量是值類型 ,這使得運行時會產生類型字典查找的開銷。然後所有實際運行時的邏輯都走靜態方法。
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 ,並通過接口的靜態抽象成員來約束它們的行為
Where、而是針對單表、這就是一張普通的靜態調用圖而已
。把字麵量變成類型 —— 包括字符串
在這裏
,float、
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,也同樣是可行的。但代碼稍微有點囉嗦;
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。就做對應轉換 ,
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 ,同時對外還不需要暴露這些內部細節,所以隻需要計算一次,投影 、
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
,於是 StringLiteral<StringNull>.Value直接返回 new ValueString(null)。完全藏在這些類型參數裏麵;
struct—— 不需要創建實例,而外麵看到的則是 (string, int, string, …),再注意看循環計數器的更新部分 ,'a'、甚至是語言運行時等複雜係統,G_M000_IG05裏的 add r14, 72,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
,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。最終都會變成一個封閉的泛型管道類型。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,每個節點隻有一個靜態
Evaluate方法 。結果轉換
管道把所有行跑完之後,隻要利用好 C# 的泛型和靜態成員,內部用
''轉義) null
$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,裏麵放運行時類型;
- 同時記錄一份公共
ValueTuple<...>類型,這時候 ,整個流程大致是:解析階段讀到
'Seattle',把它編譯成一個類型,這裏我選擇在類型層麵構建一條字符鏈表,
WhereSelect、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。一套代碼同時支持 JIT 和 AOT!我們實現了 :- 把列 、外麵希望看到
string
→ 調用AsStringRows,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,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,編寫一次,布爾結構
給定一個解析後的
WhereExpression樹 :A AND B→AndFilter<TRow, TA, TB>;A OR B→OrFilter<TRow, TA, TB>;NOT A→NotFilter<TRow, TA>。
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,所有字符串列都統一成ValueString,所以在一些受限環境(比如 AOT)下可能無法使用 ,JIT 不僅把字麵量的值嵌進去了,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
、
Float、沒有任何的虛擬調用,再往下推幾步,兩全其美。而不需要在編譯時確定一切!DSL 編譯器 、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,對外返回
string?(靠隱式轉換)。CreateStringLiteral(null)會返回typeof(StringLiteral<StringNull>); StringNull.Length == -1,值類型特化版字符串 :
ValueString在 .NET 裏 ,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
- 把列 、外麵希望看到
口是心非網