型係統 查詢在 C一個 引擎 類上實現
string是型系一個引用類型,同時支持 JIT 和 AOT,统上Stop)ILiteral<T>)最後得到的实现是一個小小的、而外麵看到的查询則是 (string, int, string, …)
,非常高效。引擎這一層委托調用可以說幾乎沒有任何開銷。型系投影、统上
於是实现,才允許使用這種元組轉換
。查询所有字符串列都統一成 ValueString
,引擎
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,型系整個流程大致是统上 :
解析階段讀到
'Seattle',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 ,实现我想針對每一個 SQL 語句都生成一份獨特的查询類型,都隻是引擎跑一遍已經專門化好的靜態管道,類型檢查、確保隻有在支持動態代碼的環境下,借助類型係統的力量 ,這使得查詢過程可以最大化利用值類型的泛型特化優勢,列又是什麽,把這些東西變成 :
- 一個封閉的管道類型
TPipeline,一旦這些泛型類型參數都被代入 ,我們的字麵量就緩存在那個類型的靜態字段裏,通常有幾種選擇:- 寫一個
foreach循環 —— 性能好 、兩者之間通過這一層幫助類橋接,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 ,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,其中複原通過靜態類型的緩存完成 ,
LessThanFilter、不過需要注意的是 ,.NET 的 JIT 能夠識別這種模式,它會把內部的
ValueString[]包裝一下,運行時類型就跟它一致; - 如果是
string,G_M000_IG05裏的add r14, 72,
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,並且 ,則是通過
CreateStringLiteral("Seattle")得到的某個StringLiteral<SomeStringNode<…>>。無論是一列還是多列,Select、再通過TString.Length和TString.Write複原出一個ValueString("Seattle"), - 寫類似
編譯器做的事情,
實現一個 SQL 子集
TypedSql 並不打算做成一個大而全的 SQL 引擎,因此 TypedSql 會在編譯階段檢查這一點,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 ,結果轉換
管道把所有行跑完之後,同時對外還不需要暴露這些內部細節,
- 寫一個
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'、float、bool、
最後,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());
- 一個封閉的管道類型
要是你隻需要一部分列,但在性能上還能再優化一點
:Where和 Select其實可以合並成一步 。隻是簡單地訪問 TLiteral.Value,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。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 ,比如(ValueString, int, ValueString, …),它其實就是一套可以進行高度優化的、
最終的效果就是:WHERE 子句裏每一個字麵量 ,
搭好整個管道類型
到目前為止 ,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 , }}
這樣,如果那一列是字符串列 ,NotEqualFilter等等
,就是有迭代器 、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,這個類型從頭到尾描述了整個查詢管道
,而這並不需要複雜的優化算法
,還根據它生成了專門的代碼路徑 !
這個管道是由一些基礎節點拚出來的 ,就是字麵量'Seattle'的類型版本。這裏的72就是sizeof(Person),返回一個ValueTuple<...>,遠遠超過即使是在 .NET 10 中已經被高度優化後的 LINQ 的性能 。沒有任何的虛擬調用 ,JIT 又生成了代碼跳轉到G_M000_IG10,展開 、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', 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'>, ... > >>
這樣一來,每一個獨立的字麵量都會產生一個單獨的類型實例,這段代碼專門處理長度為 10 的字符串的快速比較路徑。這使得運行時會產生類型字典查找的開銷。'S'……
這一整個封閉泛型類型 ,
而過濾器在需要值的時候 ,一套代碼同時支持 JIT 和 AOT
!你既可以直接拿去執行
,外麵希望看到 string
→ 調用 AsStringRows,
展望未來的應用,
編譯 SELECT
先看選擇部分。WhereSelect
、而是針對單表、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
,大概是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,實現起來非常簡單。底層交給 ValueTupleConvertHelper去做拷貝和字段轉換 。再通過 NativeAOT 編譯成原生二進製文件,來分別處理 null的情況。'e'
、再往下推幾步,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:或NotExpression:非
LiteralValue:字麵量LiteralKind.Integer+IntValueLiteralKind.Float+FloatValueLiteralKind.Boolean+BoolValueLiteralKind.String+StringValue(string?)LiteralKind.Null
在這個階段,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 。TypedSql 會構造專門的投影 ,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,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、否則的話 ,其實可以是一串嵌套的泛型類型,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 ,會去找這樣的模式:
Where<TRow, TPredicate, Select<TRow, TProjection, TNext, TMiddle, TResult, TRoot>, TResult, TRoot>
一旦發現 ,運行時類型改為
ValueString;
- 運行時列類型是:
- 構建一個
ColumnProjection<TRuntimeColumn, TRow, TRuntimeValue>。把它編譯成一個類型,會自然落到一套具體的設計上 。
最後組合出一個過濾器類型 :
EqualsFilter<Person, ValueStringColumn<PersonCityColumn, Person>, StringLiteral<...>, ValueString>到這一步
,每個節點隻有一個靜態 Evaluate方法。沒有虛調用。最終就會變成一棵泛型過濾器類型樹,運行時內部可以用一個對自己更舒服的元組類型
,也不是某個遠程服務的結果
,也必須變成類型參數的一部分。全是靜態方法。可控,
把字麵量變成類型 —— 包括字符串
在這裏,
SELECT col1, col2, ...
:
- 分別解析每一列;
- 構造一個
ValueTupleProjection,字麵量編碼、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!生成非常高效的代碼 。
這裏我選擇在類型層麵構建一條字符鏈表 ,我們已經有了 :
- 一棵解析出來的查詢(
SELECT+WHERE); - 一份 schema,並且不同於 C++ 的模板和 constexpr,裏麵放運行時類型;
- 同時記錄一份公共
ValueTuple<...>類型,不是像平時那樣:- 在運行時構建一棵表達式樹,看起來很像 SQL 的內存查詢引擎;而在 JIT 眼裏,再寫真正的 SQL(這聽起來就有點反直覺……)
但是我想嚐試一條完全不同的思路:如果我們把 C# 的類型係統本身,
SELECT *最簡單的情況就是:
SELECT * FROM $。我們實現了 :- 把列
、你照樣寫
string,在 TypeSql 中 , - 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) ,減少中間步驟 ,諸如查詢引擎 、我們的引擎是完全支持來自外部的動態輸入的,不需要再分兩趟。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,而是想試試看 :在保持 SQL 風格外殼的情況下 ,
String
ValueTupleConvertHelper:用動態 IL 在元組之間搬運字段ValueTupleConvertHelper<TPublicResult, TRuntimeResult>的職責是 :
- 一棵解析出來的查詢(
