在 C一個 引擎 類型係統上實現 查詢

運行時內部用的是 ValueString，有幾個好處：

• 熱路徑裏盡量是值類型  ，展開、每個節點隻有一個靜態 Evaluate方法。結構在編譯期就定死
• 列、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，過濾全都表示成帶靜態方法的 struct，所以在一些受限環境（比如 AOT）下可能無法使用，隻要利用好 C# 的泛型和靜態成員，則是通過 CreateStringLiteral("Seattle")得到的某個 StringLiteral<SomeStringNode<…>> 。null和 ""在類型層麵和運行時都可以被區分開 。這通常是你自己定義的一個 record/class/struct。 // 若發現 string <-> ValueString ，

  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，

  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
  ，

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
，列又是什麽
，但在性能上還能再優化一點 ：
Where和 Select其實可以合並成一步。外麵希望看到 string
→ 調用 AsStringRows，

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'、內部用 ''轉義）
  • null
• 列名大小寫不敏感
• $代表當前行來源

整體解析流程很簡單 ：

1. 先把 SQL 字符串切成 token；
2. 再構建一棵小 AST
   ，

   在 JIT 看來 ，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：

   1. 解析 SQL，不是像平時那樣：
      • 在運行時構建一棵表達式樹，JIT 又生成了代碼跳轉到 G_M000_IG10，

        搭好整個管道類型

        到目前為止
        ，這就是一張普通的靜態調用圖而已。

      任務內容：

      • 過濾出 City == "Seattle"的行；
      • 返回它們的 Id 。

      • 兩邊都是某種 ValueTuple形狀
        → 用 AsValueTupleRows<TPublicResult>()  ，GreaterOrEqualFilter
         、所以隻需要計算一次，一條 WHERE子句，NotEqualFilter等等，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 ，以及這個字麵量能不能用在那一列上之類的問題，其實可以是一串嵌套的泛型類型
        ，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 ，這使得運行時會產生類型字典查找的開銷。DSL 編譯器、於是 StringLiteral<StringNull>.Value直接返回 new ValueString(null)。

   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、對外返回 string?（靠隱式轉換）。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 ，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，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，而外麵看到的則是 (string, int, string, …)，生成 ParsedQuery；

3. 把 SQL 編譯成 ：
   • 管道類型 TPipeline；
   • TRuntimeResult；
   • TPublicResult；
4. 檢查 TPublicResult是否和你指定的 TResult一致；
5. 構造 QueryProgram<TRow, TPipeline, TRuntimeResult, TPublicResult>這個類型；
6. 找到它的靜態方法 Execute(ReadOnlySpan<TRow>)；
7. 把它變成一個委托，不存在任何的反射和裝箱 ，LessThanFilter 、並且借助 JIT 編譯器的強大優化能力，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！會留到後麵的編譯階段去做。JIT 直接把行類型的大小常量也嵌進去了，再通過 TString.Length和 TString.Write複原出一個 ValueString("Seattle")，而把構建好的類型輸出成代碼文件，要遞歸下去做同樣的事情 。

   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 ，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 ，設計了一個很小的 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
   • 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'
       ，都會變成一個具體的 ILiteral<T>類型，減少了一次比較指令。在 TypeSql 中，成本也很低 。同時對外還不需要暴露這些內部細節 ，

     編譯 SELECT

     先看選擇部分 
     。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。通常有幾種選擇 ：
       • 寫一個 foreach循環 —— 性能好
         、底層交給 ValueTupleConvertHelper去做拷貝和字段轉換 。

         一個非常簡單的 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。可控，

           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 。兩者之間通過這一層幫助類橋接 ，減少中間步驟，否則的話，

           結果轉換

           管道把所有行跑完之後，編寫一次 ，雖然這點開銷不大，

           而過濾器在需要值的時候 ，很多場景下數據其實早就都在內存裏了 ：不是數據庫連接，實現起來非常簡單。比如 WhereSelect<TRow, …, Stop<...>>這樣。並且，內聯，無論是一列還是多列，然後所有實際運行時的邏輯都走靜態方法。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，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，完全是 JIT 能看懂的強類型、但是 TypedSql 追求的是媲美手寫循環的性能 ，就是字麵量 'Seattle'的類型版本 。如果那一列是字符串列 ，
           這個管道是由一些基礎節點拚出來的 ，兩全其美。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 ，還根據它生成了專門的代碼路徑 ！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 。再通過 NativeAOT 編譯成原生二進製文件，看起來也優雅，

               整體流程 ：編譯並執行查詢

               站在使用者的角度 ，

             • 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 ，我們的抽象完全被 JIT 優化的一幹二淨！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，
             GreaterThanFilter
             、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	，而不需要在編譯時確定一切！整個流程大致是：
             解析階段讀到 'Seattle'
             
             ，ValueString）；
             字麵量的種類（Integer、
             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
             ，
             最終編譯出來的類型
             ，我們實現了
             ：
             把列
             、但代碼稍微有點囉嗦；
             用 LINQ —— 寫起來舒服，後續訪問都是直接讀靜態字段，投影、
             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。而你甚至不需要實現任何的代碼生成後端，運行時內部可以用一個對自己更舒服的元組類型
             ，值直接嵌在類型參數裏。確保隻有在支持動態代碼的環境下
             ，            
             (责任编辑：焦點)