在 JIT 看來,型系
ValueTupleConvertHelper:用動態 IL 在元組之間搬運字段
ValueTupleConvertHelper<TPublicResult,统上 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),
SELECT col1,实现 col2, ... :
- 分別解析每一列;
- 構造一個
ValueTupleProjection,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 ,查询最後還得把結果以某種形式“交出去” 。引擎string是型系一個引用類型,比如 :City = 'Seattle'Salary >= 180000Team != null都會變成一個具體的统上過濾器類型:
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 ,.NET 的实现 JIT 能夠識別這種模式,
編譯器做的查询事情
,兩全其美。引擎對外返回 string?型系(靠隱式轉換)
。
這個管道是统上由一些基礎節點拚出來的
,
CompiledQuery<TRow,实现 TResult>本身隻是包了一個委托:
private readonly Func<ReadOnlySpan<TRow>, IReadOnlyList<TResult>> _entryPoint = executeMethod.CreateDelegate<Func<ReadOnlySpan<TRow>, IReadOnlyList<TResult>>>();然後對外暴露 :
public IReadOnlyList<TResult> Execute(ReadOnlySpan<TRow> rows) => _entryPoint(rows);得益於 .NET 10 對委托的逃逸分析、那麽:
- 運行時列類型是查询:
ValueStringColumn<PersonCityColumn, Person>; - 運行時值類型是:
ValueString; - 字麵量類型 ,
之後每次.Execute,引擎再寫真正的 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,所以完全透明
。把字麵量變成 ILiteral<T>類型 。完全是 JIT 能看懂的強類型 、所有字符串列都統一成 ValueString,
每一列會實現這樣一個接口 :
internal interface IColumn<TRow, TValue>{ static abstract string Identifier { get; } static abstract TValue Get(in TRow row);}舉個簡單的例子 :
internal readonly struct PersonNameColumn : IColumn<Person, string>{ public static string Identifier => "Name"; public static string Get(in Person row) => row.Name;}而投影(SELECT後麵那部分)則實現:
internal interface IProjection<TRow, TResult>{ static abstract TResult Project(in TRow row);}將選出某一列本身做成一個投影,你照樣寫 string,零分配代碼,一旦這些泛型類型參數都被代入,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> ,運行時內部可以用一個對自己更舒服的元組類型,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,JIT 不僅把字麵量的值嵌進去了,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,來分別處理
null的情況 。不是像平時那樣 :- 在運行時構建一棵表達式樹 ,
- 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,因此作為查詢條件中的字麵量 ,
簡單性能對比
TypedSql 的目標並不是炫技用類型 ,
編譯
SELECT先看選擇部分 。
- 如果列類型本身不是
對使用者來說 ,
- 根據列名解析出對應的
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,這一塊用到了動態代碼生成
,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
,全是靜態方法
。GreaterOrEqualFilter 、沒有虛調用。
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,
展望未來的應用,都隻是跑一遍已經專門化好的靜態管道,我隻是想過濾一下、JIT 又生成了代碼跳轉到 G_M000_IG10,String 、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
,很多場景下數據其實早就都在內存裏了 :不是數據庫連接,同時對外還不需要暴露這些內部細節 ,
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 。'e'、- 每個節點是一個隻有靜態方法的
struct—— 不需要創建實例 ,把它編譯成一個類型,看起來也優雅,這裏的10就是字符串字麵量'Seattle'的長度 ,雖然這點開銷不大 ,它會把內部的ValueString[]包裝一下 ,還根據它生成了專門的代碼路徑!再注意看循環計數器的更新部分 ,解析器會把它識別為
LiteralKind.Null; - 對字符串列來說
,但在性能上還能再優化一點
:
Where和Select其實可以合並成一步 。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,
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,就做對應轉換,字麵量編碼 、塞進
CompiledQuery<TRow, TResult>。LessOrEqualFilter、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。 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'、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 ,投影一下。隻是單純看作 SQL 結構。遠遠超過即使是在 .NET 10 中已經被高度優化後的 LINQ 的性能。
null和""在類型層麵和運行時都可以被區分開 。看起來很像 SQL 的內存查詢引擎;而在 JIT 眼裏,如果那一列是字符串列,.NET 又能針對這些類型生成多快的代碼?於是,用聲明的 CLR 類型(如
string) 。GreaterThanFilter、而過濾器在需要值的時候,
LessThanFilter、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 ,
字符串字麵量就比較有趣了。會留到後麵的編譯階段去做。
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。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 ,
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 ,確保隻有在支持動態代碼的環境下 ,裏麵放運行時類型;
- 同時記錄一份公共
ValueTuple<...>類型 ,而外麵看到的則是(string, int, string, …),JIT 直接把行類型的大小常量也嵌進去了,
最後 ,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',CreateStringLiteral(null)會返回typeof(StringLiteral<StringNull>); StringNull.Length == -1,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。每一個獨立的字麵量都會產生一個單獨的類型實例,按字段複製,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,
最終的效果就是 :WHERE 子句裏每一個字麵量 ,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()); - 整數(如
對 JIT 來說,所以在一些受限環境(比如 AOT)下可能無法使用 ,完全藏在這些類型參數裏麵;
SQL 編譯器接下來要做的就是,減少中間步驟,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);要是你隻需要一部分列,從而實現極高的性能 。一旦 Compile做完這些準備工作,達到了性能和易用性的平衡。才允許使用這種元組轉換 。不存在任何的反射和裝箱
,會去找這樣的模式:
Where<TRow, TPredicate, Select<TRow, TProjection, TNext, TMiddle, TResult, TRoot>, TResult, TRoot>
一旦發現 ,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 ,這使得運行時會產生類型字典查找的開銷。而把構建好的類型輸出成代碼文件 ,TypedSql 的打開方法是 :
定義你的行類型 ,投影、但代碼稍微有點囉嗦;
- 用 LINQ —— 寫起來舒服 ,歡迎點讚和 Star :https://github.com/hez2010/TypedSql
我們就可以基於某個
IStringNode,可控 ,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,甚至是語言運行時等複雜係統 ,
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 。 兩邊都是某種
ValueTuple形狀
→ 用AsValueTupleRows<TPublicResult>(),不需要再分兩趟。一條WHERE子句,把字麵量變成類型 —— 包括字符串
在這裏,
搭好整個管道類型
到目前為止,於是對應的運行時類型是
ValueString。包含:ParsedQuery