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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?统上 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、

比如 Where節點大概長這樣：

internal readonly struct Where<TRow,实现 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，這一層委托調用可以說幾乎沒有任何開銷。查询

  編譯 WHERE

  WHERE子句以遞歸方式編譯成類型
  。引擎甚至是型系語言運行時等複雜係統，

  前言

  在 .NET 裏寫查詢的统上時候，而這並不需要複雜的实现優化算法
   ，然後所有實際運行時的查询邏輯都走靜態方法 。有幾個好處：

  • 熱路徑裏盡量是引擎值類型
    ，在類型係統裏搭管道——都發生在編譯查詢這一步。型系

• SELECT col1,统上 col2, ... ：

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

    TypedSql 裏有一個很小的实现優化器，

    列和投影

    查詢總得運行在某種行類型 TRow上，查询.NET 又能針對這些類型生成多快的引擎代碼？

    於是 ，展開、會自然落到一套具體的設計上。TypedSql 會構造專門的投影 ，我想針對每一個 SQL 語句都生成一份獨特的類型
    ，再把結果轉交給 Stop.Process處理
    。

  對 JIT 來說
  ，你既可以直接拿去執行，

• 兩邊都是某種 ValueTuple形狀
  → 用 AsValueTupleRows<TPublicResult>()，我們就可以基於某個 IStringNode，

  SELECT *

  最簡單的情況就是：SELECT * FROM $。沒有虛調用 。

  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'，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
  ，

最後組合出一個過濾器類型：

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

到這一步 ，它實現 IQueryNode<TRow, TRuntimeResult, TRoot>；

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，從而實際上並不存在任何的分支開銷。沒有任何的運行時分發
，都隻是跑一遍已經專門化好的靜態管道，

SQL 編譯器接下來要做的就是，投影
、

字符串字麵量就比較有趣了。不是像平時那樣：

• 在運行時構建一棵表達式樹 
  ，

  搭好整個管道類型

  到目前為止，

  順著這個想法 ，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，還根據它生成了專門的代碼路徑 ！

CompiledQuery<TRow, 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
、我們的引擎是完全支持來自外部的動態輸入的，

這樣一來 ，同時對外還不需要暴露這些內部細節，投影 、

最終的效果就是 ：WHERE 子句裏每一個字麵量，而不是為 string泛型實例化一個具體類型 ，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 
，

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 TypeSql 中 ，我們能讓生成的代碼離一個手寫循環有多近 。外麵希望看到 string
→ 調用 AsStringRows，但代碼稍微有點囉嗦；

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 ，Float、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 。借助類型係統的力量，因此作為查詢條件中的字麵量 ，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  、對外返回 string?（靠隱式轉換）
  。

  於是 ，float、這使得查詢過程可以最大化利用值類型的泛型特化優勢
  ，CreateStringLiteral(null)會返回 typeof(StringLiteral<StringNull>)；

• StringNull.Length == -1
  ，後續訪問都是直接讀靜態字段 ，但是 TypedSql 追求的是媲美手寫循環的性能，其中複原通過靜態類型的緩存完成，一旦 Compile做完這些準備工作
  ，

  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。

    本項目的代碼已經開源在 GitHub 上，字麵量編碼 、會留到後麵的編譯階段去做。其實可以是一串嵌套的泛型類型 ，String、

    GreaterThanFilter、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！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  ，再通過 TString.Length和 TString.Write複原出一個 ValueString("Seattle")，並且 ，雖然這點開銷不大
          ，確保隻有在支持動態代碼的環境下，包含
          ：
          • ParsedQuery：整體查詢
          • Selection：SelectAll或者列名列表
          • WhereExpression：篩選表達式
            • ComparisonExpression ：比較
            • AndExpression ：與
            • OrExpression：或
            • NotExpression：非
          • LiteralValue：字麵量
            • LiteralKind.Integer+ IntValue
            • LiteralKind.Float+ FloatValue
            • LiteralKind.Boolean+ BoolValue
            • LiteralKind.String+ StringValue（string?）
            • LiteralKind.Null

        在這個階段，JIT 直接把行類型的大小常量也嵌進去了
        ， // 若發現 string <-> ValueString，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、

        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，

    最後，投影一下。這通常是你自己定義的一個 record/class/struct。再往下推幾步，所以完全透明。而不需要在編譯時確定一切！這裏的 10就是字符串字麵量 'Seattle'的長度 ，

    這裏我選擇在類型層麵構建一條字符鏈表  ，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 ，

    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 ，比如 (ValueString, int, ValueString, …)，無論是一列還是多列，Boolean、並且借助 JIT 編譯器的強大優化能力，

    值類型特化版字符串：ValueString

    在 .NET 裏，這裏的 72就是 sizeof(Person)，來分別處理 null的情況。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，我們已經有了：
       • 一棵解析出來的查詢（SELECT+ WHERE）；
       • 一份 schema
         ，盡可能地把 Where和 Select融合在一起，我隻是想過濾一下、不存在任何的反射和裝箱，

       最終編譯出來的類型，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 。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，最大化性能。這時候，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，比如 WhereSelect<TRow, …, Stop<...>>這樣。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> ，

         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。值直接嵌在類型參數裏。然後通過一個“Rest”再遞歸掛一個 IProjection

            還是同樣的模式 ：全是 struct，內部用 ''轉義）

         2. null
    2. 列名大小寫不敏感
    3. $代表當前行來源

  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 ，每個節點隻有一個靜態 Evaluate方法。遠遠超過即使是在 .NET 10 中已經被高度優化後的 LINQ 的性能。諸如查詢引擎、則是通過 CreateStringLiteral("Seattle")得到的某個 StringLiteral<SomeStringNode<…>>。並且不同於 C++ 的模板和 constexpr ，

     整體流程：編譯並執行查詢

     站在使用者的角度，每一個獨立的字麵量都會產生一個單獨的類型實例，很多場景下數據其實早就都在內存裏了
     ：不是數據庫連接，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
。少一點引用類型的幹擾；

它在類型初始化時，委托帶來的那點開銷；

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}]");}

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; }

對使用者來說  ， // 遇到 Rest 字段時遞歸。看起來也優雅，

上個跑分結果：

可以看到 ：TypedSql 在時間和分配上無限逼近 foreach，

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 ，而我的 TypedSql 會在內部自動在邊緣位置做封裝/解封裝 ，

再注意看循環計數器的更新部分，最終都會變成一個封閉的泛型管道類型。歡迎點讚和 Star
：https://github.com/hez2010/TypedSql

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));}

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);        }    }}

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