TL;DR: LingoDB是一个用MLIR构建的实验室数据库，支持MLIR的原有特性，未来可期

VLDB 22的论文，作者团队来自TUM（德国慕尼黑工业大学）

项目官网：https://www.lingo-db.com/

文章下载地址：p2389-jungmair

LingoDB是一个基于MLIR开发的数据库项目，其底层存储使用Apache Arrow实现，将数据库的各类Query转为方言（Dialect）中的不同算子（Operator），通过不同层级中间代码转换，完成执行计划从逻辑计划向物理计划转化

直观上翻译：一个用于查询编译和优化的开放框架（即LingoDB），说明可以在这个平台上实现想要数据库优化和编译的特性🧐

更新记录：

2025.7.10 结合这一年的经历，增加些内容

技术背景

MLIR（Multi-Level Intermediate Representation）是由 Google 发起的一个编译器基础设施项目，其目标是为多样化硬件和高层语言的编译优化提供统一框架，目前是 LLVM 项目的子项目之一。

其存储结构使用的是Apache Arrow，是一个采用列式内存格式，用于跨平台、跨语言高效数据处理的开源项目

Github仓库情况

在Github开源了项目的代码：lingo-db

截至到2024.7.26，Star的数量为198

截至到2025.7.10，Star的数量为264

正文快速浏览

Section1: 日常介绍(讲故事)🤐

Section2: 我们要站在巨人的肩膀上开发，而LLVM就是这个巨人的肩膀，可以帮助我们构建LingoDB这个开放的平台😄

Section3: 介绍MLIR这个强大的工具（怎么感觉这介绍MLIR的部分要比MLIR Tuotrial写的要好😅），讲了IR,Dialcect,Pass（Transform）这三个部分

Section4：将SQL转为MLIR架构，进而实现端到端😲（通过编写MLIR Dialect实现）

用户只管用就行了，开发者考虑的就多了😆

Section5：SQL -> MLIR的Dialect的编写

相关源码(Op和Interface)可以在include/mlir/Dialect下面找到：

写了4种Dialect：

relalg（处理关系代数运算）,db(处理数据类型与数据基本运算)，dsa（数据库表，哈希表以及索引建立），util（杂项，比如Tuple的操作）

Table1的实现可见include/mlir/Dialect/RelAlg/IR/RelAlgOps.td

Table2的实现可见include/mlir/Dialect/DB/IR/DBOps.td

Section6：流程概览

有一张足够说明流程的全部细节的图：

将SQL，Pytorch模型转为MLIR，通过MLIR Dialect转换变为LLVM IR，最后读取Apache Arrow文件实现数据操作

Section7，8：与其他数据库的对比（我没啥兴趣，大伙们感兴趣的可以自己下载论文看🤔）

Section9：可扩展性

用MLIR最大的优势在于，可以与PyTorch或TensorFlow框架对接，于是我们就见到了在数据库里跑模型的情况：

数据库里可以跑模型？这可太酷了🤩~~(Wait，我明明有显卡，为什么要在数据库里面跑？)~~

Note：这部分内容,目前在LingoDB的文档中并未提及

Section10：未来展望

1. 多线程运行（使用OpenMP相关的Dialect）
2. 分布式运行（需要写Dialect支持MPI或RDMA）
3. 异构计算

Section 11: 结语

实现细节整理

LingoDB通过方言（Dialect）的逐层降级（Lowering）可以将SQL，Pytorch代码转为可执行代码，下面将展示代码转换流程：

第一步是将SQL与PyTorch代码，转为以MLIR形式的抽象逻辑代数与元组操作（relalg），数据库杂项操作（db），数学运算（atith），在这其中可以制定查询优化（Query Opt）的方案实现MLIR代码逻辑的优化

借助MLIR的改写（Rewrite）机制，可以实现

1. 代码简化（Simplification）合并冗余逻辑和消除无效分支
2. 解嵌套 (Unnesting)，将嵌套查询（如子查询）转换为扁平化的连接操作
3. 下推 (Pushdown)，将复杂条件拆分为更小的过滤（filter）单元的同时，调整操作顺序，使过滤和投影(Project)尽早执行，从而减少后续处理的数据量
4. 连接排序 (Join Ordering)，根据MLIR分析表间关系，设定动态规划或启发式算法生成合适的Join顺序
5. 物理优化 (Physical Opt)，选择算子的物理实现方式（如 Hash Join、Sort-Merge Join）

第二步实现逻辑代数的转化（lower-relalg），将抽象的逻辑代数转为具体的逻辑代数的MLIR实现（dsa）

第三步实现数据库杂项操作与数学运算的转换（lower-db,lower-dsa），将这两部分转为机器友好的MLIR实现（程序控制流scf）

最后将MLIR代码转为LLVM IR，借助LLVM的JIT运行框架完成JIT编译，读取Apache Arrow文件，实现数据的读取操作

实验结果

LingoDB用于查询优化的代码要少于DuckDB和NoisePage

而在编译时间上，因为MLIR的编译机制的原因，编译时间会高于Hyper数据库

而在TPC-H SF1数据集上，运行速度要高于Hyper于DuckDB，特别是在Q2，Q6，Q11上

总结

用MLIR写数据库，只能说意思，但感觉实用性不大：我为什么不直接用LLVM实现呢？😐

同样，多线程，分布式运行这两个Feature，直接用C++（Even Rust）实现会不会更加省事情🤐MLIR Dialect也不是能现学现用的东西

异构计算用MLIR确实有优势——那我为什么不用LLVM呢？😆

按我目前浅薄的理解：LLVM IR太底层，一些复杂操作（矩阵运算）不如MLIR方便——嗯，这可能是个不错的理由

实际情况是：

虽然LLVM相对简单，但仍然是相对的，比起高级语言来说手写LLVM IR仍有不低的复杂度。比如说实现一个简单的for循环或者分支语句，仍需要类似汇编的跳转指令。

可以看看这篇文章，解决了我不少困惑：查询编译综述

还有，我为什么要在数据库里跑机器学习？😂受限于算力，短期内应该不存在这种需求

既然VLDB 22收了，想必有其中的道理，可以再蹲个后续

2025.7.10补充

该项目的最大优点是与MLIR生态融合，这有利于AI与数据库生态系统融合，而优化中的“逐层下降”的理念，也让查询优化的边界更清晰，实现更可控，也有利于UDF(User Define Function)的实现。

但使用MLIR无疑提高了数据库的开发门槛，深度参与要求开发者横跨数据库系统与编译器技术（MLIR Dialect, LLVM）两大领域，需要处理好开发效率和可维护性之间的平衡关系