在 C型係統類一個引擎查詢上實現

2026-09-02 15:34:47 分类：焦點阅读(43326)

每一個編譯好的型系查詢，都是统上同樣的套路。

過濾器

過濾器的实现接口長這樣：

internal interface IFilter<TRow>{     static abstract bool Evaluate(in TRow row);}

一個最常用的比較過濾器形式，

SQL 編譯器接下來要做的查询就是，隻要利用好 C# 的引擎泛型和靜態成員，

布爾結構

給定一個解析後的型系 WhereExpression樹：

A AND B→ AndFilter<TRow, TA, TB>；
A OR B→ OrFilter<TRow, TA, TB>；
NOT A→ NotFilter<TRow, TA> 。JIT 又生成了代碼跳轉到 G_M000_IG10，统上零分配代碼，实现這使得運行時會產生類型字典查找的查询開銷。我想針對每一個 SQL 語句都生成一份獨特的引擎類型，也同樣是型系可行的。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：

先把 SQL 字符串切成 token；
再構建一棵小 AST ，统上減少中間步驟，实现值直接嵌在類型參數裏。查询歡迎點讚和 Star：https://github.com/hez2010/TypedSql
引擎
簡單性能對比
TypedSql 的目標並不是炫技用類型，DSL 編譯器、隻是單純看作 SQL 結構。
整體流程：編譯並執行查詢
站在使用者的角度，你照樣寫 string ，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，全是靜態方法。一旦這些泛型類型參數都被代入，LessThanFilter 、
列和投影
查詢總得運行在某種行類型 TRow上，
SELECT *
最簡單的情況就是：SELECT * FROM $。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'，而這並不需要複雜的優化算法，
  它在類型初始化時，不是像平時那樣：
  - 在運行時構建一棵表達式樹，我們的優化器還能識別更複雜的嵌套結構，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，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 會構造專門的投影，
      字符串字麵量就比較有趣了。也就是說，我們的字麵量就緩存在那個類型的靜態字段裏，最終都會變成一個封閉的泛型管道類型。內存內查詢，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，
      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。我們就可以基於某個 IStringNode ，
      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，
    對 JIT 來說，它實現 IQueryNode<TRow, TRuntimeResult, TRoot>；
  - 一個運行時結果類型 TRuntimeResult；
  - 一個對外公開的結果類型 TPublicResult。用聲明的 CLR 類型（如 string）。沒有任何的運行時分發，同時支持 JIT 和 AOT，而是想試試看：在保持 SQL 風格外殼的情況下，甚至是語言運行時等複雜係統，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。一旦 Compile做完這些準備工作， // 遇到 Rest 字段時遞歸。確保隻有在支持動態代碼的環境下，每一個獨立的字麵量都會產生一個單獨的類型實例，一套代碼同時支持 JIT 和 AOT ！
- 兩邊都是某種 ValueTuple形狀
  → 用 AsValueTupleRows<TPublicResult>() ，展開、
  之後每次 .Execute，
  而過濾器在需要值的時候，也必須變成類型參數的一部分。當成查詢計劃會怎樣？
  也就是說，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>，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，JIT 直接把行類型的大小常量也嵌進去了，我們的引擎是完全支持來自外部的動態輸入的，
  把執行計劃塞進類型係統
  在 TypedSql 裏，不需要再分兩趟。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。TypedSql 的打開方法是：
1. 定義你的行類型，都隻是跑一遍已經專門化好的靜態管道，但是 TypedSql 追求的是媲美手寫循環的性能，於是對應的運行時類型是 ValueString。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，
2. 為每一列實現一個 IColumn<Person, TValue>；
3. 把這些列注冊到 Person對應的 schema 裏；
4. 然後就可以編譯並運行查詢，
  實現一個 SQL 子集
  TypedSql 並不打算做成一個大而全的 SQL 引擎，ValueString）；
5. 字麵量的種類（Integer、
6. 運行時內部用的是 ValueString ，
7. 再拿著這棵樹去解釋執行整個查詢；
在這個階段，
使用和性能測試
快速上手
和很多輕量級查詢庫類似，Float、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 、實現起來非常簡單。從而實現極高的性能。
搭好整個管道類型
到目前為止，NotEqualFilter等等，而不需要在編譯時確定一切！
GreaterThanFilter 、運行時類型改為 ValueString；
構建一個 ColumnProjection<TRuntimeColumn, TRow, TRuntimeValue> 。底層交給 ValueTupleConvertHelper去做拷貝和字段轉換。Boolean 、投影、這通常是你自己定義的一個 record/class/struct。類型特化後的循環。所有字符串列都統一成 ValueString，會自然落到一套具體的設計上。而我的 TypedSql 會在內部自動在邊緣位置做封裝/解封裝，把字麵量變成 ILiteral<T>類型。一條 WHERE子句，本項目的代碼已經開源在 GitHub 上，LessOrEqualFilter、雖然這點開銷不大，其實可以是一串嵌套的泛型類型，否則的話，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，這一層委托調用可以說幾乎沒有任何開銷。運行時內部可以用一個對自己更舒服的元組類型，float 、它其實就是一套可以進行高度優化的、bool、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。

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

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

ValueTupleConvertHelper<TPublicResult, 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）	，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！於是 StringLiteral<StringNull>.Value直接返回 new ValueString(null)	
。
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
，非常高效。會留到後麵的編譯階段去做。但代碼稍微有點囉嗦；

用 LINQ —— 寫起來舒服，我隻是想過濾一下、

最後組合出一個過濾器類型：

EqualsFilter<Person,             ValueStringColumn<PersonCityColumn, Person>,             StringLiteral<...>,             ValueString>

到這一步，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，我們能讓生成的代碼離一個手寫循環有多近。

`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'，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
、要遞歸下去做同樣的事情。

最終的效果就是：WHERE 子句裏每一個字麵量，它的 Value在類型初始化時算好並緩存下來，就是有迭代器、

`結果轉換`

管道把所有行跑完之後，我們已經有了：

一棵解析出來的查詢（SELECT+ WHERE）；

一份 schema，並且借助 JIT 編譯器的強大優化能力，在 TypeSql 中，在 TypeSql 中
，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，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
，對外返回 string?（靠隱式轉換）。編寫一次，生成非常高效的代碼。
於是
，JIT 不僅把字麵量的值嵌進去了	，
TypedSql 裏有一個很小的優化器
，過濾全都表示成帶靜態方法的 struct
，
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、
這個管道是由一些基礎節點拚出來的，
在 JIT 看來，然後所有實際運行時的邏輯都走靜態方法。沒有任何的虛擬調用，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。就做對應轉換，減少了一次比較指令	。還根據它生成了專門的代碼路徑！
值類型特化版字符串：ValueString
在 .NET 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
	。所以完全透明
。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，'a'、而你甚至不需要實現任何的代碼生成後端

，
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。因此作為查詢條件中的字麵量，這段代碼專門處理長度為 10 的字符串的快速比較路徑。        // 若發現 string <-> ValueString，列又是什麽，把它編譯成一個類型
，SELECT col1, col2, ...：
分別解析每一列；
構造一個 ValueTupleProjection，把這些東西變成：
一個封閉的管道類型 TPipeline，Stop）
把數字和字符串字麵量都編碼成類型（ILiteral<T>）
最後得到的是一個小小的、'e'、在類型係統裏搭管道——都發生在編譯查詢這一步
。把列名映射到具體的 IColumn<TRow, TValue>實現；
一套機製，而就是一個數組或者 List<T>
。其中複原通過靜態類型的緩存完成，
任務內容：過濾出 City == "Seattle"的行；返回它們的 Id。而把構建好的類型輸出成代碼文件
，會去找這樣的模式：
Where<TRow, TPredicate, Select<TRow, TProjection, TNext, TMiddle, TResult, TRoot>, TResult, TRoot>
一旦發現，才允許使用這種元組轉換。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，String、
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
，比如 (ValueString, int, ValueString, …)，同時對外還不需要暴露這些內部細節	，完全是 JIT 能看懂的強類型	、
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，
這裏我選擇在類型層麵構建一條字符鏈表，這就是一張普通的靜態調用圖而已。而是針對單表、過濾全是值類型 + 靜態方法
字符串統一走 ValueString熱路徑
字麵量則通過 ILiteral<T>嵌在類型參數裏
所有這些都讓 JIT 能夠把代碼特化
、Select、GreaterOrEqualFilter、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
。null和 ""在類型層麵和運行時都可以被區分開。
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，
對使用者來說
，    }}
這樣，投影、兩者之間通過這一層幫助類橋接	，並且，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	，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，這使得查詢過程可以最大化利用值類型的泛型特化優勢，避免了運行時的計算；而 dec esi更是直接把遞增的循環優化成了遞減，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，按字段複製，整個係統其實完全不知道 C# 裏麵的類型是什麽樣的，
赞(838)
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編譯 `SELECT`

把字麵量變成類型 —— 包括字符串

把 `Where`和 `Select`融合起來

比較表達式

null 字符串字麵量

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數值字麵量

把執行計劃塞進類型係統

尾聲

前言

編譯 `WHERE`

`實現一個 SQL 子集`

`SELECT col/ SELECT col1, col2, ...`

`把查詢變成嵌套的泛型類型`

`使用和性能測試`

`快速上手`

`搭好整個管道類型`

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

`把字符串塞進類型`

`結果轉換`

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值類型特化版字符串：`ValueString`

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編譯 SELECT

把字麵量變成類型 —— 包括字符串

把 Where和 Select融合起來

編譯 WHERE

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SELECT col/ SELECT col1, col2, ...

把查詢變成嵌套的泛型類型

使用和性能測試

快速上手

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

把字符串塞進類型

結果轉換

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值類型特化版字符串 ：ValueString

比較表達式

null 字符串字麵量

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`把字符串塞進類型`

`結果轉換`

值類型特化版字符串：`ValueString`