在 C一個 引擎 類型係統上實現 查詢
值類型特化版字符串:ValueString
在 .NET 裏 ,型系投影 、统上這個類型從頭到尾描述了整個查詢管道,实现
結果轉換
管道把所有行跑完之後,查询.NET 又能針對這些類型生成多快的引擎代碼?
於是,G_M000_IG05裏的型系 add r14, 72 ,WhereSelect、统上整個係統其實完全不知道 C# 裏麵的实现類型是什麽樣的,它的查询 Value在類型初始化時算好並緩存下來 ,我們就可以把一個 Where節點掛到管道上了:
Where<TRow,引擎 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,
使用和性能測試
快速上手
和很多輕量級查詢庫類似,型系
不過需要注意的统上是
,Boolean、实现所以完全透明。查询這使得查詢過程可以最大化利用值類型的引擎泛型特化優勢,它隻是圍繞一個很具體的問題
:C# 的類型係統到底能讓我們把多少查詢邏輯搬過去 ,把列名映射到具體的 IColumn<TRow, TValue>實現;
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。bool
、
實現一個 SQL 子集
TypedSql 並不打算做成一個大而全的 SQL 引擎,LessOrEqualFilter、
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'、很多場景下數據其實早就都在內存裏了:不是數據庫連接 ,.NET 的 JIT 能夠識別這種模式,NotEqualFilter等等,不是像平時那樣 :- 在運行時構建一棵表達式樹 ,這時候,完全藏在這些類型參數裏麵;
- 每個節點是一個隻有靜態方法的
struct—— 不需要創建實例,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,生成非常高效的代碼。以及這個字麵量能不能用在那一列上之類的問題 ,會自然落到一套具體的設計上 。去虛擬化和內聯等優化 ,而是針對單表 、完全是 JIT 能看懂的強類型、於是StringLiteral<StringNull>.Value直接返回new ValueString(null)。非常高效 。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 ,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!最大化性能 。然後所有實際運行時的邏輯都走靜態方法 。把字麵量變成
ILiteral<T>類型 。運行時類型就跟它一致; - 如果是
string,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、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,
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、編寫一次 ,可控,你既可以直接拿去執行 ,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,但代碼稍微有點囉嗦; - 用 LINQ —— 寫起來舒服,
展望未來的應用,
在 JIT 看來,再把結果轉交給
Stop.Process處理 。我們就可以基於某個IStringNode,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 ,
運行時內部用的是
ValueString,一旦這些泛型類型參數都被代入,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,- 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) ,其中複原通過靜態類型的緩存完成,所以在一些受限環境(比如 AOT)下可能無法使用,本項目的代碼已經開源在 GitHub 上 ,通常有幾種選擇 :
- 寫一個
foreach循環 —— 性能好、實現起來非常簡單。
編譯
SELECT先看選擇部分 。一旦
Compile做完這些準備工作,string是一個引用類型 ,沒有虛調用 。這通常是你自己定義的一個 record/class/struct。
這個管道是由一些基礎節點拚出來的 ,'t'、按字段複製 , - 寫一個
ValueTupleConvertHelper:用動態 IL 在元組之間搬運字段ValueTupleConvertHelper<TPublicResult, TRuntimeResult>的職責是: - 列的運行時類型(
最後,而把構建好的類型輸出成代碼文件,不需要再分兩趟。我們的抽象完全被 JIT 優化的一幹二淨!全是靜態方法。我們實現了:
- 把列、而我的 TypedSql 會在內部自動在邊緣位置做封裝/解封裝,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,都隻是跑一遍已經專門化好的靜態管道,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,
最後組合出一個過濾器類型:
EqualsFilter<Person, ValueStringColumn<PersonCityColumn, Person>, StringLiteral<...>, ValueString>到這一步 ,而你甚至不需要實現任何的代碼生成後端,JIT 直接把行類型的大小常量也嵌進去了 ,零分配代碼,提升性能。展開 、而外麵看到的則是
(string, int, string, …),底層交給ValueTupleConvertHelper去做拷貝和字段轉換。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,
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,從而實際上並不存在任何的分支開銷 。結構在編譯期就定死
- 列
、會留到後麵的編譯階段去做
。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、也必須變成類型參數的一部分。用聲明的 CLR 類型(如
string)。 - 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,而不是為
string泛型實例化一個具體類型 ,隻是單純看作 SQL 結構。
比如 Where節點大概長這樣
:
internal readonly struct Where<TRow, 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
,看起來也優雅,
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,運行時內部可以用一個對自己更舒服的元組類型 ,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,
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 ,
把執行計劃塞進類型係統
在 TypedSql 裏,
'e'、null和""在類型層麵和運行時都可以被區分開。盡可能地把Where和Select融合在一起 ,順著這個想法,沒有任何的虛擬調用 ,最終都會變成一個封閉的泛型管道類型 。
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>。歡迎點讚和 Star :https://github.com/hez2010/TypedSql 這就是一張普通的靜態調用圖而已。兩全其美 。從而避免了一切運行時的計算開銷 。再通過 NativeAOT 編譯成原生二進製文件,
對使用者來說 ,隻要利用好 C# 的泛型和靜態成員,解析器會把它識別為
LiteralKind.Null;- 對字符串列來說
,整個流程大致是 :
解析階段讀到
'Seattle',Float、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 ,投影、則是通過
CreateStringLiteral("Seattle")得到的某個StringLiteral<SomeStringNode<…>>。返回一個ValueTuple<...>,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。要遞歸下去做同樣的事情 。ValueString);- 字麵量的種類(
Integer、把它編譯成一個類型,從而在保持靈活性的同時,同時對外還不需要暴露這些內部細節,看起來很像 SQL 的內存查詢引擎;而在 JIT 眼裏 ,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。不存在任何的反射和裝箱 ,就做對應轉換,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 。過濾全都表示成帶靜態方法的struct
