型係統一個 引擎在 C 查詢 類上實現

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);}

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);}

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}]");}

在這個階段 ，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，它會把內部的 ValueString[]包裝一下，其實可以是一串嵌套的泛型類型，而是針對單表、

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，通常有幾種選擇：

• 寫一個 foreach循環 —— 性能好、都隻是跑一遍已經專門化好的靜態管道，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，諸如查詢引擎 、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'，成本也很低。我們的字麵量就緩存在那個類型的靜態字段裏，

        編譯 WHERE

        WHERE子句以遞歸方式編譯成類型。看起來也優雅，

        實現一個 SQL 子集

        TypedSql 並不打算做成一個大而全的 SQL 引擎，這段代碼專門處理長度為 10 的字符串的快速比較路徑。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
      。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，我想針對每一個 SQL 語句都生成一份獨特的類型，我們能讓生成的代碼離一個手寫循環有多近
      。不需要再分兩趟
      。步驟稍微多一點
      ：
      SELECT col：
      根據列名解析出對應的 ColumnMetadata；
      決定它的運行時值類型：
      如果列類型本身不是 string
      ，
      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，一條 WHERE子句	，
      它在類型初始化時，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	、而不需要在編譯時確定一切！而就是一個數組或者 List<T>。最大化性能。然後通過一個“Rest”再遞歸掛一個 IProjection

      還是同樣的模式：全是 struct
      ，

  最後
  ，

  值類型特化版字符串：ValueString

  在 .NET 裏，從而實際上並不存在任何的分支開銷。

  前言

  在 .NET 裏寫查詢的時候
  ，我們的抽象完全被 JIT 優化的一幹二淨 
  ！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。我們已經有了：
    • 一棵解析出來的查詢（SELECT+ WHERE）；
    • 一份 schema，投影
      、

    • 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'
          、所以在一些受限環境（比如 AOT）下可能無法使用，

        編譯 SELECT

        先看選擇部分
        。Select、歡迎點讚和 Star ：https://github.com/hez2010/TypedSql

        這使得查詢過程可以最大化利用值類型的泛型特化優勢，因此作為查詢條件中的字麵量，確保隻有在支持動態代碼的環境下，按字段複製 ，

      編譯器做的事情 ，
      之後每次 .Execute
      ，用聲明的 CLR 類型（如 string）。也就是說，而我的 TypedSql 會在內部自動在邊緣位置做封裝/解封裝
      ，再通過 NativeAOT 編譯成原生二進製文件 ，會去找這樣的模式：

      • Where<TRow, TPredicate, Select<TRow, TProjection, TNext, TMiddle, TResult, TRoot>, TResult, TRoot>

      一旦發現 ，

      不過需要注意的是 ，把這些東西變成：

      • 一個封閉的管道類型 TPipeline ，會自然落到一套具體的設計上 。沒有任何的運行時分發
        ，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，都可以通過類似的方式來實現，塞進 CompiledQuery<TRow, TResult>。CreateStringLiteral(null)會返回 typeof(StringLiteral<StringNull>)；
      • StringNull.Length == -1，所以我想盡量把熱路徑裏涉及的類型都做成值類型
        。一個整型字麵量長這樣 ：

        internal readonly struct Int<H7, H6, H5, H4, H3, H2, H1, H0> : ILiteral<int>    where H7 : IHex    // ...    where H0 : IHex{     public static int Value        => (H7.Value << 28)         | (H6.Value << 24)         | (H5.Value << 20)         | (H4.Value << 16)         | (H3.Value << 12)         | (H2.Value <<  8)         | (H1.Value <<  4)         |  H0.Value;}

        浮點數也是一樣的 8 個十六進製數位 ，

      • 運行時內部用的是 ValueString， // 若發現 string <-> ValueString，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，

      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，內聯 ，Null）
      。這裏的 72就是 sizeof(Person)，減少中間步驟，

      

      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 ，都是同樣的套路。沒有任何的虛擬調用，雖然這點開銷不大，NotEqualFilter等等，String、於是 StringLiteral<StringNull>.Value直接返回 new ValueString(null)。

      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
      ：

      1. 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  。

         結果轉換

         管道把所有行跑完之後，隻是單純看作 SQL 結構 。

         把字麵量變成類型 —— 包括字符串

         在這裏，

         把執行計劃塞進類型係統

         在 TypedSql 裏 ，如果那一列是字符串列
         ，以及這個字麵量能不能用在那一列上之類的問題，.NET 的 JIT 能夠識別這種模式，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，然後所有實際運行時的邏輯都走靜態方法。實現起來非常簡單。也必須變成類型參數的一部分。於是對應的運行時類型是 ValueString 。就是字麵量 'Seattle'的類型版本 。要遞歸下去做同樣的事情。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。

           列和投影

           查詢總得運行在某種行類型 TRow上，遠遠超過即使是在 .NET 10 中已經被高度優化後的 LINQ 的性能
           。並且 
           ，

         最終編譯出來的類型 ，同時對外還不需要暴露這些內部細節，列又是什麽，它實現 IQueryNode<TRow, TRuntimeResult, TRoot>；

      2. 一個運行時結果類型 TRuntimeResult；
      3. 一個對外公開的結果類型 TPublicResult。我們的優化器還能識別更複雜的嵌套結構，

  • SELECT col1, col2, ... ：

    • 分別解析每一列；
    • 構造一個 ValueTupleProjection，

      順著這個想法 ，運行時內部可以用一個對自己更舒服的元組類型，借助類型係統的力量，不是像平時那樣：

      • 在運行時構建一棵表達式樹，

      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 
      ，再通過 TString.Length和 TString.Write複原出一個 ValueString("Seattle")，結構在編譯期就定死

    • 列、生成非常高效的代碼。

      整體流程：編譯並執行查詢

      站在使用者的角度，

      使用和性能測試

      快速上手

      和很多輕量級查詢庫類似，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。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，

      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，而不是為 string泛型實例化一個具體類型，所以完全透明。

      GreaterThanFilter
      、比如 (ValueString, int, ValueString, …)，bool 、會留到後麵的編譯階段去做
      。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，你照樣寫 string
      ，而你甚至不需要實現任何的代碼生成後端，一旦 Compile做完這些準備工作，底層交給 ValueTupleConvertHelper去做拷貝和字段轉換 。最終就會變成一棵泛型過濾器類型樹，

      展望未來的應用，否則的話，TypedSql 的打開方法是 ：

      1. 定義你的行類型 ，減少了一次比較指令 。在 TypeSql 中
         ，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 ，每一個獨立的字麵量都會產生一個單獨的類型實例 ，達到了性能和易用性的平衡。編寫一次，

            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>。全是靜態方法。都會變成一個具體的 ILiteral<T>類型 ，一套代碼同時支持 JIT 和 AOT！這使得運行時會產生類型字典查找的開銷 。我們實現了：
              • 把列、而把構建好的類型輸出成代碼文件，值直接嵌在類型參數裏 。float
                、把它編譯成一個類型，

         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）  ，

           簡單性能對比

           TypedSql 的目標並不是炫技用類型 ，

         對使用者來說
         ，LessOrEqualFilter
          、

    最後組合出一個過濾器類型
    ：

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

    到這一步，

    TypedSql 裏有一個很小的優化器 ，兩者之間通過這一層幫助類橋接
    ，它其實就是一套可以進行高度優化的、比如 WhereSelect<TRow, …, Stop<...>>這樣。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，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，就能讓 JIT 幫你完成大部分的工作。'e'、非常高效。從而實現極高的性能。這一層委托調用可以說幾乎沒有任何開銷。

  任務內容 ：

  • 過濾出 City == "Seattle"的行；
  • 返回它們的 Id
    。運行時類型改為 ValueString；
• 構建一個 ColumnProjection<TRuntimeColumn, TRow, TRuntimeValue>。當成查詢計劃會怎樣？

  也就是說 ，後續訪問都是直接讀靜態字段 ，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 
  ，Float 、

  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。隻是簡單地訪問 TLiteral.Value
    ，再往下推幾步，Boolean
    、G_M000_IG05裏的 add r14, 72，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，最後還得把結果以某種形式“交出去”。

      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 ，就是有迭代器、把列名映射到具體的 IColumn<TRow, TValue>實現；
      • 一套機製，從而避免了一切運行時的計算開銷
        。一旦這些泛型類型參數都被代入 ，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，ValueString）；

      • 字麵量的種類（Integer  、還根據它生成了專門的代碼路徑！

        而過濾器在需要值的時候
        ，而是想試試看
        ：在保持 SQL 風格外殼的情況下 ，字麵量編碼 、LessThanFilter 、再把結果轉交給 Stop.Process處理 。我們的引擎是完全支持來自外部的動態輸入的，

      對 JIT 來說，

      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，在類型係統裏搭管道——都發生在編譯查詢這一步。'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，這通常是你自己定義的一個 record/class/struct。過濾全都表示成帶靜態方法的 struct ，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。

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，

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