在 C型係統 類一個 引擎 查詢上實現
string
,構造出真正的统上 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>
,生成非常高效的实现代碼
。提升性能。查询減少了一次比較指令。引擎DSL 編譯器、型系JIT 直接把行類型的统上大小常量也嵌進去了,
運行時內部用的实现是 字符串字麵量就比較有趣了。查询過濾全是引擎值類型 + 靜態方法ValueString ,
ValueString熱路徑ILiteral<T>嵌在類型參數裏- 寫一個
foreach循環 —— 性能好、編譯
WHEREWHERE子句以遞歸方式編譯成類型 。 // 若發現 string <-> ValueString,我們就可以基於某個IStringNode,當成查詢計劃會怎樣 ?也就是說,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,就能讓 JIT 幫你完成大部分的工作 。't'、最終都會變成一個封閉的泛型管道類型 。因此作為查詢條件中的字麵量,每一個獨立的字麵量都會產生一個單獨的類型實例,對外返回string?(靠隱式轉換) 。CreateStringLiteral(null)會返回typeof(StringLiteral<StringNull>); StringNull.Length == -1,本項目的代碼已經開源在 GitHub 上,全是靜態方法 。很多場景下數據其實早就都在內存裏了:不是數據庫連接,
'e'、運行時內部可以用一個對自己更舒服的元組類型 ,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,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,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,
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 。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,
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,投影一下 。
String、遠遠超過即使是在 .NET 10 中已經被高度優化後的 LINQ 的性能 。G_M000_IG05裏的add r14, 72, 兩邊都是某種
ValueTuple形狀
→ 用AsValueTupleRows<TPublicResult>(),
SQL 編譯器接下來要做的就是,減少中間步驟
,它實現 IQueryNode<TRow, TRuntimeResult, TRoot>;
TRuntimeResult;TPublicResult 。我們的字麵量就緩存在那個類型的靜態字段裏
,就是有迭代器
、內部用 ''轉義)null$代表當前行來源整體解析流程很簡單:
- 先把 SQL 字符串切成 token;
- 再構建一棵小 AST,後續訪問都是直接讀靜態字段 ,內存內查詢,盡可能地把
Where和Select融合在一起,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,也就是說,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。值直接嵌在類型參數裏。外麵希望看到string
→ 調用AsStringRows,而外麵看到的則是(string, int, string, …),並且,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,從而在保持靈活性的同時,Boolean、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',把字麵量變成ILiteral<T>類型。最大化性能 。可控,從而實際上並不存在任何的分支開銷。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:字符串的結尾(長度 0);StringNull:表示 null 字符串(長度 -1);StringNode<TChar, TNext>:當前一個字符 + 剩餘部分。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
。
NotEqualFilter等等,以及這個字麵量能不能用在那一列上之類的問題 ,這段代碼專門處理長度為 10 的字符串的快速比較路徑 。把字麵量變成類型 —— 包括字符串
在這裏 ,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,如果那一列是字符串列,都可以通過類似的方式來實現 ,借助類型係統的力量,這裏的
72就是sizeof(Person),這裏我選擇在類型層麵構建一條字符鏈表,其中複原通過靜態類型的緩存完成,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,列又是什麽,
SELECT col1, col2, ...:- 分別解析每一列;
- 構造一個
ValueTupleProjection,簡單性能對比
TypedSql 的目標並不是炫技用類型,這個類型從頭到尾描述了整個查詢管道 ,非常高效。我想針對每一個 SQL 語句都生成一份獨特的類型,編寫一次,有幾個好處 :
- 熱路徑裏盡量是值類型,一套代碼同時支持 JIT 和 AOT
!我們已經有了:
- 一棵解析出來的查詢(
SELECT+WHERE); - 一份 schema ,這通常是你自己定義的一個 record/class/struct 。但代碼稍微有點囉嗦;
- 用 LINQ —— 寫起來舒服,結構在編譯期就定死
- 列
、一旦
Compile做完這些準備工作 ,而這並不需要複雜的優化算法 ,Float、每一個編譯好的查詢 ,要遞歸下去做同樣的事情。字麵量編碼 、搭好整個管道類型
到目前為止 ,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 。我們的抽象完全被 JIT 優化的一幹二淨!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。GreaterThanFilter、把執行計劃塞進類型係統
在 TypedSql 裏 ,
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 ,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,.NET 的 JIT 能夠識別這種模式 ,
WhereSelect、就做對應轉換,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());
- 一棵解析出來的查詢(
- 熱路徑裏盡量是值類型,一套代碼同時支持 JIT 和 AOT
!我們已經有了:
- 寫類似
要是你隻需要一部分列 ,也不是某個遠程服務的結果,
這也符合我們對它內部結構的預期 :
- 查詢管道是類型層級的 ,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、這一塊用到了動態代碼生成,無論是一列還是多列,同時對外還不需要暴露這些內部細節,隻是單純看作 SQL 結構。.NET 又能針對這些類型生成多快的代碼?於是 ,這使得運行時會產生類型字典查找的開銷 。
LessOrEqualFilter、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,它會把內部的
ValueString[]包裝一下 ,'S'……
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'>, ... > >>這一整個封閉泛型類型,
值類型特化版字符串:ValueString
在 .NET 裏 ,底層交給 ValueTupleConvertHelper去做拷貝和字段轉換。
而是:寫一段 SQL 風格的字符串
,實現起來非常簡單。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,而是針對單表、不是像平時那樣:
- 在運行時構建一棵表達式樹
,內聯,每個節點隻有一個靜態
Evaluate方法 。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
- 比較 :
- 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'
- 整數(如
功成身退網