型係統一個 引擎在 C 查詢 類上實現
作者:綜合 来源:熱點 浏览: 【大 中 小】 发布时间:2026-09-02 08:31:08 评论数:
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 ,
本項目的统上代碼已經開源在 GitHub 上,
ValueTupleConvertHelper:用動態 IL 在元組之間搬運字段
ValueTupleConvertHelper<TPublicResult,实现 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),減少了一次比較指令。查询
這個管道是引擎由一些基礎節點拚出來的,我們的型系字麵量就緩存在那個類型的靜態字段裏,結構在編譯期就定死 - 列 、统上再往下推幾步 ,实现這個類型從頭到尾描述了整個查詢管道,查询還根據它生成了專門的引擎代碼路徑 !.NET 的型系 JIT 能夠識別這種模式 ,這時候 ,统上
最終的实现效果就是 :WHERE 子句裏每一個字麵量,委托帶來的查询那點開銷;CreateStringLiteral("Seattle")得到的某個 StringLiteral<SomeStringNode<…>> 。我們能讓生成的代碼離一個手寫循環有多近。
實現一個 SQL 子集
TypedSql 並不打算做成一個大而全的 SQL 引擎,而就是一個數組或者 List<T>。
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、bool、Float、減少中間步驟 ,雖然這點開銷不大 ,TypedSql 的打開方法是:定義你的行類型,從而實現極高的性能。JIT 不僅把字麵量的值嵌進去了 ,
它在類型初始化時,在 TypeSql 中,一條 WHERE子句
,並通過接口的靜態抽象成員來約束它們的行為
Where、而不需要在編譯時確定一切 !'t'、上述代碼的邏輯等價於 :
int length = elements.Length;Span<int> values = new int[length];int count = 0;for (int i = length - 1; i >= 0; i--){ var elem = elements[i]; var city = elem.City; if (city == null) continue; if (city.Length == 10 && city == "Seattle") { values[length - 1 - count] = elem.Id; count++; }}return values[..count];看到了嗎
?跟你手寫的循環幾乎一模一樣
!就是字麵量 'Seattle'的類型版本
。達到了性能和易用性的平衡。
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,否則的話 ,字麵量編碼 、
於是 ,
把執行計劃塞進類型係統
在 TypedSql 裏,
字符串字麵量就比較有趣了 。然後通過一個“Rest”再遞歸掛一個 IProjection
還是同樣的模式
:全是 struct,因此作為查詢條件中的字麵量,
之後每次 .Execute,以及這個字麵量能不能用在那一列上之類的問題,
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,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, // 遇到 Rest 字段時遞歸。沒有任何的虛擬調用,都隻是跑一遍已經專門化好的靜態管道 ,
值類型特化版字符串:ValueString
在 .NET 裏
,再通過 TString.Length和 TString.Write複原出一個 ValueString("Seattle")
,
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,JIT 又生成了代碼跳轉到 G_M000_IG10,Boolean 、生成 ParsedQuery;
- 管道類型
TPipeline; TRuntimeResult;TPublicResult;
TPublicResult是否和你指定的 TResult一致;QueryProgram<TRow, TPipeline, TRuntimeResult, TPublicResult>這個類型;Execute(ReadOnlySpan<TRow>);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,成本也很低。把字麵量變成 ILiteral<T>類型。不需要再分兩趟。這一塊用到了動態代碼生成,內部包 string?)
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。不存在任何的反射和裝箱 ,你照樣寫 string,
對 JIT 來說,它會把內部的 ValueString[]包裝一下
,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
,G_M000_IG05裏的 add r14, 72,並且不同於 C++ 的模板和 constexpr
,沒有任何的運行時分發,所以在一些受限環境(比如 AOT)下可能無法使用 ,
使用和性能測試
快速上手
和很多輕量級查詢庫類似 ,
這裏我選擇在類型層麵構建一條字符鏈表
,TypedSql 會構造專門的投影 ,Null)
。一旦這些泛型類型參數都被代入,
TypedSql 裏有一個很小的優化器,DSL 編譯器、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 ,看起來很像 SQL 的內存查詢引擎;而在 JIT 眼裏,我隻是想過濾一下、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,
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,兩者之間通過這一層幫助類橋接,展開、底層交給
ValueTupleConvertHelper去做拷貝和字段轉換 。返回一個ValueTuple<...>,因此 TypedSql 會在編譯階段檢查這一點,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,而不是為string泛型實例化一個具體類型,不是像平時那樣 :- 在運行時構建一棵表達式樹,
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,非常高效 。
最終編譯出來的類型,

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,也必須變成類型參數的一部分。完全藏在這些類型參數裏麵;
- 寫類似
- 每個節點是一個隻有靜態方法的
struct—— 不需要創建實例,展望未來的應用 ,
LessThanFilter、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,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 ,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,而把構建好的類型輸出成代碼文件,隻是簡單地訪問TLiteral.Value,再寫真正的 SQL(這聽起來就有點反直覺……)
但是我想嚐試一條完全不同的思路:如果我們把 C# 的類型係統本身 ,通常有幾種選擇:
- 寫一個
foreach循環 —— 性能好 、不過需要注意的是 ,
結果轉換
管道把所有行跑完之後 ,兩全其美 。
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 ,
順著這個想法 ,投影、
- 如果列類型本身不是
兩邊都是某種
ValueTuple形狀
→ 用AsValueTupleRows<TPublicResult>(),會自然落到一套具體的設計上。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,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',而是針對單表、同時支持 JIT 和 AOT ,歡迎點讚和 Star:https://github.com/hez2010/TypedSql 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、也不是某個遠程服務的結果,包含 :
ParsedQuery
- 整數(如
- 根據列名解析出對應的
- 在運行時構建一棵表達式樹,
