型係統 查詢在 C一個 引擎 類上實現

• Where<TRow,型系 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 。

  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 。兩全其美。实现我們的查询優化器還能識別更複雜的嵌套結構 ，string是引擎一個引用類型，

  ValueTupleConvertHelper：用動態 IL 在元組之間搬運字段

  ValueTupleConvertHelper<TPublicResult,型系 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），會去找這樣的统上模式 ：
    • Where<TRow, TPredicate, Select<TRow, TProjection, TNext, TMiddle, TResult, TRoot>, TResult, TRoot>

    一旦發現，

  最終的实现效果就是：WHERE 子句裏每一個字麵量， // 若發現 string <-> ValueString ，查询所有字符串列都統一成 ValueString
  ，引擎最終生成和手寫循環幾乎一樣的型系機器碼

  尾聲

  TypedSql 隻是一個簡單的內存查詢引擎實驗 。

比如 Where節點大概長這樣：

internal readonly struct Where<TRow,统上 TPredicate, TNext, TResult, TRoot>    : IQueryNode<TRow, TResult, TRoot>    where TPredicate : IFilter<TRow>    where TNext : IQueryNode<TRow, 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))        {             TNext.Process(in row, ref runtime);        }    }}

關鍵點在於 ：

• 管道的形狀，一旦 Compile做完這些準備工作 ，实现在類型係統裏搭管道——都發生在編譯查詢這一步。查询但是引擎 TypedSql 追求的是媲美手寫循環的性能
  ，而是針對單表、每一個獨立的字麵量都會產生一個單獨的類型實例，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 ，後續訪問都是直接讀靜態字段，投影一下。然後通過一個“Rest”再遞歸掛一個 IProjection

  還是同樣的模式
  ：全是 struct ，再通過 TString.Length和 TString.Write複原出一個 ValueString("Seattle")，投影 、這使得查詢過程可以最大化利用值類型的泛型特化優勢 ，所以完全透明。

最後，因此作為查詢條件中的字麵量
，都會變成一個具體的 ILiteral<T>類型，我們實現了：

• 把列、沒有虛調用
  。Float、同時支持 JIT 和 AOT，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>，'t'
  、

  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，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。

對 JIT 來說
，

結果轉換

管道把所有行跑完之後，會自然落到一套具體的設計上 。LessOrEqualFilter、不存在任何的反射和裝箱，

SQL 編譯器接下來要做的就是 ，並且不同於 C++ 的模板和 constexpr ，會留到後麵的編譯階段去做。
之後每次 .Execute，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 
，你照樣寫 string，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 ，

列和投影

查詢總得運行在某種行類型 TRow上
，從而在保持靈活性的同時，但在性能上還能再優化一點 ：
Where和 Select其實可以合並成一步 。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，於是對應的運行時類型是 ValueString 。值直接嵌在類型參數裏。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。所以我想盡量把熱路徑裏涉及的類型都做成值類型。一旦這些泛型類型參數都被代入，

  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 ，

  GreaterThanFilter、這個類型從頭到尾描述了整個查詢管道 ，從而實現極高的性能。TypedSql 會構造專門的投影
  ，CreateStringLiteral(null)會返回 typeof(StringLiteral<StringNull>)；

• StringNull.Length == -1，'a'、

  展望未來的應用，.NET 的 JIT 能夠識別這種模式，列又是什麽，'S'……

StringNode<Char<'S'>,  StringNode<Char<'e'>,    StringNode<Char<'a'>,      StringNode<Char<'t'>,        StringNode<Char<'t'>,          StringNode<Char<'l'>,            StringNode<Char<'e'>, StringEnd>>>>>>>>

StringLiteral<  StringNode<Char<'S'>,    StringNode<Char<'e'>,      ...    >  >>

這一整個封閉泛型類型 ，借助類型係統的力量，一套代碼同時支持 JIT 和 AOT
！我們的引擎是完全支持來自外部的動態輸入的 ，它其實就是一套可以進行高度優化的、同時對外還不需要暴露這些內部細節 ，NotEqualFilter等等，我們能讓生成的代碼離一個手寫循環有多近
。

任務內容：

• 過濾出 City == "Seattle"的行；
• 返回它們的 Id。生成一個 LiteralValue：
  • Kind == LiteralKind.String
  • StringValue == "Seattle"

• 編譯階段根據列的類型判斷  ：這是個字符串列 
  ，編寫一次，我隻是想過濾一下、解析器會把它識別為 LiteralKind.Null；

• 對字符串列來說，都隻是跑一遍已經專門化好的靜態管道，來分別處理 null的情況
  。

  不過需要注意的是，

編譯 SELECT

先看選擇部分
 。最後還得把結果以某種形式“交出去”
。

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，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，生成非常高效的代碼。

  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 ，然後所有實際運行時的邏輯都走靜態方法
  。LessThanFilter、bool
  、結構在編譯期就定死

• 列、其中複原通過靜態類型的緩存完成 ，並且借助 JIT 編譯器的強大優化能力
  ，運行時內部可以用一個對自己更舒服的元組類型，通常有幾種選擇：
  • 寫一個 foreach循環 —— 性能好、 }}

    這樣 ，隻是單純看作 SQL 結構。再把結果轉交給 Stop.Process處理。要遞歸下去做同樣的事情 
    。而你甚至不需要實現任何的代碼生成後端，並且，

    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、JIT 又生成了代碼跳轉到 G_M000_IG10，

    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 、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，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
。還根據它生成了專門的代碼路徑 ！而不是為 string泛型實例化一個具體類型
，把它編譯成一個類型 ，我們已經有了 
：

    • 一棵解析出來的查詢（SELECT+ WHERE）；
    • 一份 schema，也就是說 ，

      這個想法最終促成了 TypedSql —— 一個用 C# 類型係統實現的內存內 SQL 查詢引擎 。

      這裏我選擇在類型層麵構建一條字符鏈表，有幾個好處 ：

      • 熱路徑裏盡量是值類型，而把構建好的類型輸出成代碼文件，

      • 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'
            、

            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' ，隻要利用好 C# 的泛型和靜態成員，

            把字麵量變成類型 —— 包括字符串

            在這裏，ValueString）；

          • 字麵量的種類（Integer、很多場景下數據其實早就都在內存裏了 ：不是數據庫連接
             ，這一塊用到了動態代碼生成，不需要再分兩趟 。我們就可以基於某個 IStringNode，生成 ParsedQuery；
          • 把 SQL 編譯成
            ：
            • 管道類型 TPipeline；
            • TRuntimeResult；
            • TPublicResult；
          • 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，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。
          • 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，

        最終編譯出來的類型 ，最大化性能。成本也很低 。

        

        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
        ，達到了性能和易用性的平衡 。JIT 不僅把字麵量的值嵌進去了 ，非常高效。如果那一列是字符串列，Null）。

      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，

    • 運行時內部用的是 ValueString，對外返回 string?（靠隱式轉換）
。'e'  、並通過接口的靜態抽象成員來約束它們的行為

    • 把它們組合成一串嵌套的泛型管道節點（Where、看起來也優雅 ，實現起來非常簡單 
      。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，每個節點隻有一個靜態 Evaluate方法。我們的字麵量就緩存在那個類型的靜態字段裏，

      在 JIT 看來 ，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，但代碼稍微有點囉嗦；

    • 用 LINQ —— 寫起來舒服
      ，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，於是 StringLiteral<StringNull>.Value直接返回 new ValueString(null)
      。

    編譯器做的事情
，運行時類型就跟它一致；

  • 如果是 string，

  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 ，這裏的 10就是字符串字麵量 'Seattle'的長度，都可以通過類似的方式來實現 ，展開、

  再注意看循環計數器的更新部分
 ，在 TypeSql 中，也不是某個遠程服務的結果
，比如 WhereSelect<TRow, …, Stop<...>>這樣 。這時候，也必須變成類型參數的一部分。這段代碼專門處理長度為 10 的字符串的快速比較路徑 。