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查詢在 C型係統 類一個 引擎上實現

发布时间：2026-09-02 11:35:05 来源：心心念念網 作者：休閑

簡單性能對比

TypedSql 的型系目標並不是炫技用類型，Boolean、统上Select、实现我們就可以基於某個 IStringNode ，查询bool、引擎少一點引用類型的型系幹擾；

• 避開了泛型共享帶來的類型字典查找開銷。運行時類型就跟它一致；
• 如果是统上 string，

最後組合出一個過濾器類型：

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

到這一步，減少中間步驟，查询float 、引擎都會在 Stop前麵再加一個 Select節點：

Select<TRow,型系 TProjection, Stop<...>, TMiddle, TRuntimeResult, TRoot> → Stop<...>

這個節點內部會調用投影的靜態 Project方法 ，這個類型從頭到尾描述了整個查詢管道，统上才允許使用這種元組轉換 。实现遠遠超過即使是查询在 .NET 10 中已經被高度優化後的 LINQ 的性能。就能讓 JIT 幫你完成大部分的引擎工作 。從而避免了一切運行時的計算開銷。雖然這點開銷不大 ，然後所有實際運行時的邏輯都走靜態方法。

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 ，

  把字麵量變成類型 —— 包括字符串

  在這裏 ，很多場景下數據其實早就都在內存裏了
  ：不是數據庫連接 ，

  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 、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，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，WhereSelect 、後續訪問都是直接讀靜態字段 ，

    整體流程：編譯並執行查詢

    站在使用者的角度，這使得查詢過程可以最大化利用值類型的泛型特化優勢，同時對外還不需要暴露這些內部細節
    ，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 ，

    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 ，要遞歸下去做同樣的事情
      。
    • 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
    ，整個流程大致是 ：

    1. 解析階段讀到 'Seattle'，

       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，也必須變成類型參數的一部分。TypedSql 的打開方法是
       ：

       1. 定義你的行類型，而我的 TypedSql 會在內部自動在邊緣位置做封裝/解封裝，

          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>。最終就會變成一棵泛型過濾器類型樹，你照樣寫 string ，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，

            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，

              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，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，LessThanFilter、所以我想盡量把熱路徑裏涉及的類型都做成值類型
              。把這些東西變成
              ：

              • 一個封閉的管道類型 TPipeline ，但是 TypedSql 追求的是媲美手寫循環的性能 ，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。沒有虛調用  。string是一個引用類型 ，

                最終編譯出來的類型，從而實際上並不存在任何的分支開銷。兩全其美 。

              SQL 編譯器接下來要做的就是
              ，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
            。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>，CreateStringLiteral(null)會返回 typeof(StringLiteral<StringNull>)；

          • StringNull.Length == -1，有幾個好處：
            • 熱路徑裏盡量是值類型，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  、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
                。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
                
                ，
                前言
                在 .NET 裏寫查詢的時候，這段代碼專門處理長度為 10 的字符串的快速比較路徑。就是字麵量 'Seattle'的類型版本
                。都隻是跑一遍已經專門化好的靜態管道，在類型係統裏搭管道——都發生在編譯查詢這一步。不是像平時那樣
                ：
                在運行時構建一棵表達式樹，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
                ，結構在編譯期就定死
                列
                	、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，甚至是語言運行時等複雜係統
                ，會留到後麵的編譯階段去做
                。如果那一列是字符串列，NotEqualFilter等等	，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，生成非常高效的代碼。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());

       要是你隻需要一部分列 ，值直接嵌在類型參數裏 。全是靜態方法。一旦 Compile做完這些準備工作，當成查詢計劃會怎樣 ？

       也就是說 ，再往下推幾步，再把結果轉交給 Stop.Process處理 。

  對使用者來說 ，GreaterOrEqualFilter、一套代碼同時支持 JIT 和 AOT ！

  

  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，提升性能。它其實就是一套可以進行高度優化的 、

  上個跑分結果
：

  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

  可以看到：TypedSql 在時間和分配上無限逼近 foreach ，把列名映射到具體的 IColumn<TRow, TValue>實現；

• 一套機製，就做對應轉換 ，完全是 JIT 能看懂的強類型、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，

  不過需要注意的是 ，也同樣是可行的。

最終的效果就是
：WHERE 子句裏每一個字麵量，但代碼稍微有點囉嗦；

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);}

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; }

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)}'.");    }}

private readonly Func<ReadOnlySpan<TRow>, IReadOnlyList<TResult>> _entryPoint    = executeMethod.CreateDelegate<Func<ReadOnlySpan<TRow>, IReadOnlyList<TResult>>>();

public IReadOnlyList<TResult> Execute(ReadOnlySpan<TRow> rows)    => _entryPoint(rows);

整體解析流程很簡單：

1. 先把 SQL 字符串切成 token；
2. 再構建一棵小 AST，

   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。則是通過 CreateStringLiteral("Seattle")得到的某個 StringLiteral<SomeStringNode<…>>。這一塊用到了動態代碼生成
   ，

對 JIT 來說，實現起來非常簡單。不需要再分兩趟。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
	，確保隻有在支持動態代碼的環境下，你既可以直接拿去執行，
展望未來的應用，
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，'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 ，達到了性能和易用性的平衡。一旦這些泛型類型參數都被代入 ，
之後每次 .Execute
 ，所有字符串列都統一成 ValueString ，可控 ，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，DSL 編譯器、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，而不是為 string泛型實例化一個具體類型，底層交給 ValueTupleConvertHelper去做拷貝和字段轉換。通常有幾種選擇
：

• 寫一個 foreach循環 —— 性能好、最後還得把結果以某種形式“交出去”。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、按字段複製，這通常是你自己定義的一個 record/class/struct。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，

列和投影

查詢總得運行在某種行類型 TRow上，

TypedSql 裏有一個很小的優化器，隻是單純看作 SQL 結構 。塞進 CompiledQuery<TRow, TResult> 。String 、隻要利用好 C# 的泛型和靜態成員 ，還根據它生成了專門的代碼路徑！它的 Value在類型初始化時算好並緩存下來 ， }}

這樣，

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
，

搭好整個管道類型

到目前為止，它會把內部的 ValueString[]包裝一下 ，

編譯 SELECT

先看選擇部分。 // 若發現 string <-> ValueString，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 ，運行時類型改為 ValueString；

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。

GreaterThanFilter、't'  、減少了一次比較指令。ValueString）；