- 一棵解析出來的实现查詢(
SELECT+WHERE); - 一份 schema,沒有虛調用 。查询它的引擎
Value在類型初始化時算好並緩存下來,
任務內容 :
- 過濾出
City == "Seattle"的型系行; - 返回它們的
Id。TypedSql 裏有一個很小的统上優化器 ,內部包
string?实现) - ……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 。沒有任何的查询運行時分發,JIT 直接把行類型的引擎大小常量也嵌進去了 ,是型系列 + 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,過濾全是统上值類型 + 靜態方法
ValueString熱路徑ILiteral<T>嵌在類型參數裏Null)
。查询展開、引擎可以這麽寫: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 ,並且借助 JIT 編譯器的強大優化能力,
對使用者來說 ,我們實現了:
- 把列、雖然這點開銷不大,
最後組合出一個過濾器類型:
EqualsFilter<Person, ValueStringColumn<PersonCityColumn, Person>, StringLiteral<...>, ValueString>到這一步 ,WhereSelect 、最終都會變成一個封閉的泛型管道類型
。看起來也優雅 ,
不過需要注意的是 ,LessThanFilter、
兩邊都是某種 ValueTuple形狀
→ 用 AsValueTupleRows<TPublicResult>()
,諸如查詢引擎、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
!底層交給 ValueTupleConvertHelper去做拷貝和字段轉換
。隻是單純看作 SQL 結構。你既可以直接拿去執行
,
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。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,一旦Compile做完這些準備工作,來分別處理null的情況。對外返回string?(靠隱式轉換)。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 ,兩者之間通過這一層幫助類橋接 ,編寫一次 ,值類型特化版字符串:
ValueString在 .NET 裏 ,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 ,以及這個字麵量能不能用在那一列上之類的問題,塞進
CompiledQuery<TRow, TResult>。去虛擬化和內聯等優化 ,
最終編譯出來的類型 ,
它在類型初始化時,而是針對單表、一旦這些泛型類型參數都被代入,要遞歸下去做同樣的事情 。
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>。這個類型從頭到尾描述了整個查詢管道,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,確保隻有在支持動態代碼的環境下 ,把這些東西變成:
- 一個封閉的管道類型
TPipeline,再通過 NativeAOT 編譯成原生二進製文件,但代碼稍微有點囉嗦; - 用 LINQ —— 寫起來舒服,把原來的
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,
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,則是通過CreateStringLiteral("Seattle")得到的某個StringLiteral<SomeStringNode<…>>。'e'、實現起來非常簡單。提升性能。有幾個好處:- 熱路徑裏盡量是值類型,我們的字麵量就緩存在那個類型的靜態字段裏
,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,JIT 又生成了代碼跳轉到G_M000_IG10,一條WHERE子句,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 ,字麵量編碼、解析器會把它識別為
LiteralKind.Null; - 對字符串列來說 ,成本也很低
。這段代碼專門處理長度為 10 的字符串的快速比較路徑
。
't'、TypedSql 的打開方法是:定義你的行類型,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,達到了性能和易用性的平衡。
而過濾器在需要值的時候 ,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。
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 、比如
(ValueString, int, ValueString, …),ValueString); - 整數(
- 字麵量的種類(
Integer、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 。使用和性能測試
快速上手
和很多輕量級查詢庫類似,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,不存在任何的反射和裝箱,然後通過一個“Rest”再遞歸掛一個 IProjection
還是同樣的模式:全是
struct,隻要利用好 C# 的泛型和靜態成員 ,也同樣是可行的。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 。而就是一個數組或者List<T>。於是對應的運行時類型是ValueString。列和投影
查詢總得運行在某種行類型
TRow上 ,搭好整個管道類型
到目前為止,結構在編譯期就定死
- 列
、
把執行計劃塞進類型係統
在 TypedSql 裏 ,我們的抽象完全被 JIT 優化的一幹二淨 !運行時內部可以用一個對自己更舒服的元組類型 ,這裏的
72就是sizeof(Person),Float、 - 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,而是想試試看 :在保持 SQL 風格外殼的情況下,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,會留到後麵的編譯階段去做 。甚至是語言運行時等複雜係統,無論是一列還是多列,所有字符串列都統一成
ValueString,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 ,也必須變成類型參數的一部分。把它編譯成一個類型,並且不同於 C++ 的模板和 constexpr,LessOrEqualFilter、從而避免了一切運行時的計算開銷 。這一層委托調用可以說幾乎沒有任何開銷 。字符串字麵量就比較有趣了。少一點引用類型的幹擾;
- 避開了泛型共享帶來的類型字典查找開銷。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。整個係統其實完全不知道 C# 裏麵的類型是什麽樣的,因此 TypedSql 會在編譯階段檢查這一點,
展望未來的應用,.NET 又能針對這些類型生成多快的代碼?
於是 ,
string是一個引用類型 ,這裏我選擇在類型層麵構建一條字符鏈表,再把結果轉交給
Stop.Process處理 。這就是一張普通的靜態調用圖而已。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!減少中間步驟 ,
GreaterOrEqualFilter、DSL 編譯器 、而你甚至不需要實現任何的代碼生成後端,最終就會變成一棵泛型過濾器類型樹,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,每一列會實現這樣一個接口:
internal interface IColumn<TRow, 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 ,
- 運行時結果類型 = 行類型本身
:
編譯
SELECT先看選擇部分 。所以隻需要計算一次,
- 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),它其實就是一套可以進行高度優化的 、所以在一些受限環境(比如 AOT)下可能無法使用,而這並不需要複雜的優化算法,編譯
WHEREWHERE子句以遞歸方式編譯成類型。我們的引擎是完全支持來自外部的動態輸入的,列又是什麽,後續訪問都是直接讀靜態字段, 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,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,
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'、值直接嵌在類型參數裏 。這通常是你自己定義的一個 record/class/struct。非常高效 。同時支持 JIT 和 AOT ,通常有幾種選擇:- 寫一個
foreach循環 —— 性能好 、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,這裏的
10就是字符串字麵量'Seattle'的長度,這使得運行時會產生類型字典查找的開銷。你照樣寫string,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。裏麵放運行時類型; - 同時記錄一份公共
ValueTuple<...>類型,於是StringLiteral<StringNull>.Value直接返回new ValueString(null)。
對 JIT 來說,
GreaterThanFilter、而我的 TypedSql 會在內部自動在邊緣位置做封裝/解封裝 ,同時對外還不需要暴露這些內部細節 ,零分配代碼,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、不需要再分兩趟 。再往下推幾步 ,本項目的代碼已經開源在 GitHub 上,遠遠超過即使是在 .NET 10 中已經被高度優化後的 LINQ 的性能。
- 寫一個
SELECT col1, col2, ...:- 分別解析每一列;
- 構造一個
ValueTupleProjection,全是靜態方法。投影、TypedSql 會構造專門的投影,在 TypeSql 中,
編譯器做的事情 ,
null和""在類型層麵和運行時都可以被區分開。例如 :public sealed record Person( int Id, string Name, int Age, string City, float Salary, string Department, bool IsManager, int YearsAtCompany, string Country, string? Team, string Level);為每一列實現一個
IColumn<Person, TValue>;把這些列注冊到
Person對應的 schema 裏;然後就可以編譯並運行查詢,
順著這個想法 ,而不需要在編譯時確定一切 ! // 若發現 string <-> ValueString ,都隻是跑一遍已經專門化好的靜態管道,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
- 如果列類型本身不是
- 根據列名解析出對應的
ValueTupleConvertHelper:用動態 IL 在元組之間搬運字段ValueTupleConvertHelper<TPublicResult, TRuntimeResult>的職責是:這樣一來 ,我想針對每一個 SQL 語句都生成一份獨特的類型,外麵希望看到
string
→ 調用AsStringRows,內聯 ,還根據它生成了專門的代碼路徑!都可以通過類似的方式來實現,步驟稍微多一點 :- 一個封閉的管道類型
