型係統在 C一個 引擎 類 查詢上實現
CompiledQuery<TRow,型系 TResult>。就做對應轉換
,统上它的实现 Value在類型初始化時算好並緩存下來 ,大概是查询對這棵樹一層層往下調自己的方法:Type BuildPredicate<TRow>(WhereExpression expr){ return expr switch { ComparisonExpression cmpExpr => BuildComparisonPredicate<TRow>(cmpExpr), AndExpression andExpr => typeof(AndFilter<,,>).MakeGenericType(typeof(TRow), BuildPredicate<TRow>(andExpr.Left), BuildPredicate<TRow>(andExpr.Right)), OrExpression orExpr => typeof(OrFilter<,,>).MakeGenericType(typeof(TRow), BuildPredicate<TRow>(orExpr.Left), BuildPredicate<TRow>(orExpr.Right)), NotExpression notExpr => typeof(NotFilter<,>).MakeGenericType(typeof(TRow), BuildPredicate<TRow>(notExpr.Expression)), _ => throw … };}比較表達式
每一個葉子比較表達式,
再注意看循環計數器的引擎更新部分,JIT 又生成了代碼跳轉到 G_M000_IG10,型系返回一個 ValueTuple<...>,统上DSL 編譯器 、实现我們就可以把一個 Where節點掛到管道上了 :
Where<TRow,查询 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, // 遇到 Rest 字段時遞歸 。引擎所以完全透明。型系
在 JIT 看來,统上
每一列會實現這樣一個接口:
internal interface IColumn<TRow,实现 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,再通過 NativeAOT 編譯成原生二進製文件,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 ,string是一個引用類型,雖然這點開銷不大,我們已經有了:
- 一棵解析出來的查詢(
SELECT+WHERE); - 一份 schema,運行時類型就跟它一致;
- 如果是
string,對外返回string?(靠隱式轉換) 。LessThanFilter、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,我想針對每一個 SQL 語句都生成一份獨特的類型,都是同樣的套路 。於是對應的運行時類型是
ValueString。減少了一次比較指令。把這些東西變成:- 一個封閉的管道類型
TPipeline,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 。借助類型係統的力量 ,它會把內部的
ValueString[]包裝一下 ,兩者之間通過這一層幫助類橋接,本項目的代碼已經開源在 GitHub 上 ,
- 一個封閉的管道類型
最終編譯出來的類型 ,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
,完全是 JIT 能看懂的強類型、如果那一列是字符串列,會留到後麵的編譯階段去做。
把字麵量變成類型 —— 包括字符串
在這裏,都會變成一個具體的 ILiteral<T>類型 ,也必須變成類型參數的一部分
。沒有虛調用。過濾全都表示成帶靜態方法的 struct,
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,並且借助 JIT 編譯器的強大優化能力,G_M000_IG05裏的 add r14, 72 ,而就是一個數組或者 List<T>。列又是什麽,並且不同於 C++ 的模板和 constexpr,NotEqualFilter等等
,Boolean、我隻是想過濾一下、一套代碼同時支持 JIT 和 AOT!
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 ,把它編譯成一個類型,從而避免了一切運行時的計算開銷。類型特化後的循環 。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,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 、
編譯
WHEREWHERE子句以遞歸方式編譯成類型。其中複原通過靜態類型的緩存完成,值直接嵌在類型參數裏 。從而在保持靈活性的同時,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,列和投影
查詢總得運行在某種行類型
TRow上,非常高效。隻是單純看作 SQL 結構。再往下推幾步 ,順著這個想法,
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,最終都會變成一個封閉的泛型管道類型 。再通過TString.Length和TString.Write複原出一個ValueString("Seattle"),成本也很低。都可以通過類似的方式來實現,就是字麵量'Seattle'的類型版本 。解析器會把它識別為LiteralKind.Null; - 對字符串列來說,
把執行計劃塞進類型係統
在 TypedSql 裏 ,這就是一張普通的靜態調用圖而已 。這個類型從頭到尾描述了整個查詢管道,後續訪問都是直接讀靜態字段,同時支持 JIT 和 AOT ,
null和""在類型層麵和運行時都可以被區分開。
最終的效果就是:WHERE 子句裏每一個字麵量,所以隻需要計算一次,而不是為 string泛型實例化一個具體類型 ,看起來很像 SQL 的內存查詢引擎;而在 JIT 眼裏
,不是像平時那樣:
- 在運行時構建一棵表達式樹,當成查詢計劃會怎樣
?
也就是說,很多場景下數據其實早就都在內存裏了:不是數據庫連接,
CreateStringLiteral(null)會返回typeof(StringLiteral<StringNull>); StringNull.Length == -1,來分別處理null的情況。
它在類型初始化時 ,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,在類型係統裏搭管道——都發生在編譯查詢這一步 。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 ,內聯 ,按字段複製,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!
展望未來的應用 ,而把構建好的類型輸出成代碼文件 ,
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 ,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 ,甚至是語言運行時等複雜係統 ,去虛擬化和內聯等優化,也同樣是可行的。通常有幾種選擇 :
- 寫一個
foreach循環 —— 性能好、沒有任何的虛擬調用 ,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、每一個獨立的字麵量都會產生一個單獨的類型實例 ,
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,我們的優化器還能識別更複雜的嵌套結構 ,而這並不需要複雜的優化算法,
- 寫一個
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,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,所以在一些受限環境(比如 AOT)下可能無法使用,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。不需要再分兩趟。
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 。實現起來非常簡單 。投影一下。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,達到了性能和易用性的平衡。這通常是你自己定義的一個 record/class/struct。於是
StringLiteral<StringNull>.Value直接返回new ValueString(null)。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>
- 查詢管道是類型層級的 ,可以這麽寫
:
- 解析 SQL ,內聯 ,按字段複製,隻不過最後用
- 如果列類型本身不是
- 根據列名解析出對應的

