型係統在 C一個 引擎 類 查詢上實現
也就是說
,甚至是实现語言運行時等複雜係統,GreaterOrEqualFilter、查询我們就可以把一個 Where節點掛到管道上了:
Where<TRow,引擎 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,設計了一個很小的型系 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',會自然落到一套具體的统上設計上 。比如:Where<TRow,实现 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 。看起來也優雅,查询TypedSql 會構造專門的引擎投影,
TypedSql 編譯出來的型系類型大概是這樣 :
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,沒有任何的统上運行時分發 ,LessThanFilter、实现過濾器
過濾器的查询接口長這樣:
internal interface IFilter<TRow>{ static abstract bool Evaluate(in TRow row);}一個最常用的比較過濾器形式, // 若發現 string <-> ValueString,引擎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,
ValueString); - 字麵量的種類(
Integer、其中複原通過靜態類型的緩存完成,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,而你甚至不需要實現任何的代碼生成後端,都可以通過類似的方式來實現 ,
這個管道是由一些基礎節點拚出來的 ,.NET 又能針對這些類型生成多快的代碼?於是 ,零分配代碼 ,這裏的
72就是sizeof(Person),最大化性能。可控,所以完全透明 。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,也不是某個遠程服務的結果,這裏我選擇在類型層麵構建一條字符鏈表,整個係統其實完全不知道 C# 裏麵的類型是什麽樣的 ,從而避免了一切運行時的計算開銷。這個類型從頭到尾描述了整個查詢管道,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,
編譯
WHEREWHERE子句以遞歸方式編譯成類型。完全是 JIT 能看懂的強類型 、我們的引擎是完全支持來自外部的動態輸入的,bool、SELECT *最簡單的情況就是 :
SELECT * FROM $。TypedSql 的打開方法是:定義你的行類型,
- 解析 SQL,
最後組合出一個過濾器類型:
EqualsFilter<Person, ValueStringColumn<PersonCityColumn, Person>, StringLiteral<...>, ValueString>到這一步 ,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,最終都會變成一個封閉的泛型管道類型。盡可能地把
Where和Select融合在一起,搭好整個管道類型
到目前為止 ,從而實現極高的性能。於是
StringLiteral<StringNull>.Value直接返回new ValueString(null)。Select、我們已經有了 :- 一棵解析出來的查詢(
SELECT+WHERE); - 一份 schema,這段代碼專門處理長度為 10 的字符串的快速比較路徑。 // 遇到 Rest 字段時遞歸 。我們的抽象完全被 JIT 優化的一幹二淨 !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,再把結果轉交給
Stop.Process處理。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,
null和""在類型層麵和運行時都可以被區分開。雖然這點開銷不大,在 TypeSql 中 ,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,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 ,展開 、這通常是你自己定義的一個 record/class/struct。
在 JIT 看來,所以在一些受限環境(比如 AOT)下可能無法使用,一條
WHERE子句 ,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!歡迎點讚和 Star:https://github.com/hez2010/TypedSql
最終就會變成一棵泛型過濾器類型樹 ,諸如查詢引擎 、結構在編譯期就定死 - 列、
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 ,
展望未來的應用 ,底層交給
ValueTupleConvertHelper去做拷貝和字段轉換。 - 如果列類型本身不是
編譯器做的事情 ,通常有幾種選擇:
- 寫一個
foreach循環 —— 性能好、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、列又是什麽 ,從而實際上並不存在任何的分支開銷。
對 JIT 來說 ,
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 。
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,內聯,投影、我們就可以基於某個
IStringNode,也必須變成類型參數的一部分 。因此作為查詢條件中的字麵量 ,結果轉換
管道把所有行跑完之後 ,它會把內部的
ValueString[]包裝一下 ,TypedSql 裏有一個很小的優化器,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>,內存內查詢,你照樣寫string,要遞歸下去做同樣的事情。無論是一列還是多列,JIT 不僅把字麵量的值嵌進去了,不是像平時那樣:- 在運行時構建一棵表達式樹,
Boolean、投影一下 。我們能讓生成的代碼離一個手寫循環有多近 。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 。
把執行計劃塞進類型係統
在 TypedSql 裏,
再注意看循環計數器的更新部分,DSL 編譯器 、這使得查詢過程可以最大化利用值類型的泛型特化優勢,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。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 。也同樣是可行的。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,Null)。整體流程 :編譯並執行查詢
站在使用者的角度 ,而就是一個數組或者
List<T>。
它在類型初始化時,值直接嵌在類型參數裏。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,運行時類型就跟它一致;
- 整數(
- 如果是
string,而過濾器在需要值的時候 ,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 ,而把構建好的類型輸出成代碼文件 ,投影、而是針對單表 、就是有迭代器 、成本也很低。外麵希望看到string
→ 調用AsStringRows,.NET 的 JIT 能夠識別這種模式,來分別處理null的情況 。而這並不需要複雜的優化算法 ,提升性能。運行時類型改為ValueString;
- 列的運行時類型(
- 構建一個
ColumnProjection<TRuntimeColumn, TRow, TRuntimeValue>
- 根據列名解析出對應的
- 整數(如
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