原文: Why I'm Building a Database Engine in C#

作者: Loïc Baumann

译者: 六六

译注：本文翻译使用AI+人工校对的方式完成

Typhon 是一个用 .NET 编写的嵌入式、持久化、支持 ACID 的数据库引擎，原生支持游戏服务器与实时仿真所熟悉的实体-组件-系统（ECS）范式。

它通过 MVCC 快照隔离提供完整事务安全，并以缓存行感知的存储、零拷贝访问和可配置持久化能力为基础，目标是达到亚微秒级延迟。

这将是一个系列文章：A Database That Thinks Like a Game Engine

1. Why I'm Building a Database Engine in C#（本文）
2. What Game Engines Know About Data That Databases Forgot
3. Microsecond Latency in a Managed Language
4. Deadlock-Free by Construction
5. Three Durability Modes, One WAL
6. Epoch-Based Page Cache (即将发布)

当我告诉别人我正在用 C# 构建一个 ACID 数据库引擎时，第一反应总是如出一辙：“那 GC（垃圾回收）停顿怎么办？”

这是一个合情合理的问题。几乎没有人会在 .NET 中构建高性能数据库引擎。人们普遍认为，这类软件必须使用 C、C++ 或 Rust 编写——托管语言基本上被排除在“微秒级延迟俱乐部”之外。

但在构建了 30 年实时 3D 引擎和系统软件之后，我还是选择了 C#。这个项目名为 Typhon：一个嵌入式 ACID 数据库引擎，目标是实现 1–2 微秒的事务提交。

选择它的原因可能会改变你对 C# 能力的看法。

反对 C# 的理由（让我们直面它吧）

在我阐述理由之前，让我诚实地列出所有反对选择 C# 的理由。这些是现实存在的担忧，而非“稻草人”谬论。

• GC 是非确定性的：它可以在任何时候暂停你的所有线程。对于一个承诺微秒级延迟的数据库引擎来说，一次 10 毫秒的 Gen2（第 2 代）回收是灾难性的——这超出了你延迟预算的 10,000 倍。
• 你无法控制内存布局：托管堆决定了对象的存放位置。GC 可以在压缩过程中移动它们。你无法保证 B+ 树节点位于缓存行边界上，也无法保证你的页面缓存缓冲区不会在事务中途被重新定位。
• JIT（即时编译）预热是真实存在的：对任何方法的第一次调用都要支付编译成本。在数据库引擎中，启动后的第一个事务不应该比稳定状态慢 100 倍。
• 虚函数分发和边界检查会增加开销：每次数组访问都有隐藏的边界检查。每次接口调用都要经过虚函数表（vtable）。在处理数百万实体的热点循环中，这些纳秒级的开销会不断累积。

这些都是合理的问题。我不会假装它们不存在。但这就是大多数人忽略的一点：现代 C# 对每一个问题都有对应的解决方案。

大多数人不知道的 C# 另一面

很多开发者熟悉的 C# 是类、垃圾回收和 LINQ。但这只是语言的一半。.NET Runtime 团队在过去十年里逐步建立了另一面能力，而这部分看起来和许多人想象中的 C# 很不一样。

unsafe 提供接近 C 级别的控制：原始指针、指针运算、栈上缓冲区的 stackalloc、固定大小数组等。JIT 可以生成与 C 中相同类型的底层指令。

GCHandle.Alloc(Pinned) 可以让 GC 在关键位置变得不再相关。开发者可以固定字节数组，让 GC 不移动它们。Typhon 的整个页缓存都是固定内存；GC 不触碰、不扫描、不移动它。对引擎核心而言，它就是一个固定地址上的原始字节区。

ref struct 可以消除热路径上的堆分配。ref struct 不能逃逸到堆，只能存在于栈上，并在作用域结束时消失。Typhon 的实体访问器 EntityRef 是一个 96 字节的 ref struct，目标是零分配、零 GC 压力。

受约束泛型可以提供真正的单态化（Monomorphization）。当代码写成 where T : unmanaged 时，JIT 能为每个类型参数生成单独的原生代码路径。sizeof(T) 会成为常量，无用分支会被消除。这接近 Rust 泛型带来的优化效果：不是运行时分派，而是编译期专门化。

硬件原语（Hardware intrinsics）是一等公民。System.Runtime.Intrinsics 提供 Vector256、Sse42.Crc32、BitOperations.TrailingZeroCount 等能力。它们对应 C/C++ 中可用的 SIMD 指令，并且带有运行时特性检测，可以在不支持相关指令的平台上回退。

[StructLayout(Explicit)] 则可以精确控制内存布局：字段偏移、填充、大小等，你可以控制每一个字节。缓存行对齐、防止伪共享（False-sharing）、位打包（Bit-packing）——这些功能一应俱全。

这不是“C# 试图成为 C”，而是 C# 在其顶级的托管生态系统之上，提供了一个真正的系统级编程层。

Typhon 实际是什么样

硬件加速的 WAL 校验和

写入预写日志（WAL）的每个页面都需要 CRC32C 校验和。这是它在 C# 中的样子——直接按名字调用 CPU 指令：

private static uint ComputePartial(uint crc, ReadOnlySpan<byte> data)
{
    if (Sse42.X64.IsSupported)   return ComputeSse42X64(crc, data);
    if (Sse42.IsSupported)       return ComputeSse42X32(crc, data);
    if (ArmCrc32.Arm64.IsSupported) return ComputeArm64(crc, data);
    return ComputeSoftware(crc, data);
}

private static uint ComputeSse42X64(uint crc, ReadOnlySpan<byte> data)
{
    ulong crc64 = crc;
    ref byte ptr = ref MemoryMarshal.GetReference(data);
    int offset = 0;
    int aligned = data.Length & ~7;

    while (offset < aligned)
    {
        // 编译为单条 x86 crc32 指令
        crc64 = Sse42.X64.Crc32(crc64, Unsafe.ReadUnaligned<ulong>(ref Unsafe.Add(ref ptr, offset)));
        offset += 8;
    }

    uint crc32 = (uint)crc64;
    while (offset < data.Length)
    {
        crc32 = Sse42.Crc32(crc32, Unsafe.Add(ref ptr, offset));
        offset++;
    }
    return crc32;
}

Sse42.X64.Crc32() 会编译成单条 x86 crc32 指令。运行时检测 CPU 能力，JIT 消除无用分支，最后执行的是 C 程序员会写出的同类机器代码，同时还保留了不支持 SSE4.2 时的自动回退。

结果：每 8 KB 页面约 1.3 微秒。

SIMD 数据块访问器

Typhon 的页缓存热路径使用一个 16 槽缓存，通过三层路径查找数据。

// === 超快路径：MRU（最近最常使用）检查 ===
var mru = _mruSlot;
if (_pageIndices[mru] == pageIndex)
{
    var headerOffset = pageIndex == 0 ? _rootHeaderOffset : _otherHeaderOffset;
    return (byte*)_baseAddresses[mru] + headerOffset + offset * _stride;
}

// === 快路径：通过 SIMD 搜索所有 16 个缓存插槽 ===
fixed (int* indices = _pageIndices)
{
    var target = Vector256.Create(pageIndex);

    var v0 = Vector256.Load(indices);
    var mask0 = Vector256.Equals(v0, target).ExtractMostSignificantBits();
    if (mask0 != 0)
    {
        var slot = BitOperations.TrailingZeroCount(mask0);
        return GetFromSlot(slot, pageIndex, offset, dirty);
    }

    var v1 = Vector256.Load(indices + 8);
    var mask1 = Vector256.Equals(v1, target).ExtractMostSignificantBits();
    if (mask1 != 0)
    {
        var slot = 8 + BitOperations.TrailingZeroCount(mask1);
        return GetFromSlot(slot, pageIndex, offset, dirty);
    }
}

_pageIndices 是一个 fixed int[16]，共 64 字节，刚好一个缓存行，并且以适合 SIMD 的方式排列。一次 Vector256.Equals 可以比较 8 个页索引。MRU 快路径覆盖“重复访问同一页”这个常见场景，对分支预测友好，成本接近于零。

零拷贝实体读取

EntityRef 是一个只存在于栈上的 ref struct，大小为 96 字节，其中包含一个内联固定数组，用来缓存组件位置。

public unsafe ref struct EntityRef
{
    internal readonly EntityId _id;
    // ... 其他元数据
    private fixed int _locations[16];  // 内联组件数据块 ID

    [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
    public ref readonly T Read<T>(Comp<T> comp) where T : unmanaged
    {
        byte slot = _archetype.GetSlot(comp._componentTypeId);
        int chunkId = _locations[slot];
        var table = _engineState.SlotToComponentTable[slot];
        return ref _tx.ReadEcsComponentData<T>(table, chunkId);
    }
}

这个 Read<T> 调用经历了：方法调用 → 插槽查找 → 数据块 ID → 页面缓存 → 指针算术 → 指向固定内存页面的 ref readonly T。零拷贝，零分配，零 GC 介入。由于泛型约束是 where T : unmanaged，JIT 知道确切布局，最终会编译成指针运算。

JIT 特化的哈希函数

Typhon 的哈希函数也利用了 JIT。由于受约束泛型下的 sizeof(TKey) 是编译期常量，不需要的分支会被消除。

[MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
internal static uint ComputeHash<TKey>(TKey key) where TKey : unmanaged
{
    if (sizeof(TKey) == 4) return FastHash32(Unsafe.As<TKey, uint>(ref key));
    if (sizeof(TKey) == 8) return XxHash32_8Bytes(Unsafe.As<TKey, long>(ref key));
    return XxHash32_Bytes((byte*)Unsafe.AsPointer(ref key), sizeof(TKey));
}

例如调用 ComputeHash<int>(42) 时，JIT 只会生成 4 字节路径，其余分支会被完全移除。这是真正的单态化（Monomorphization），而非运行时分发（Runtime Dispatch）。

生产力论据

一个数据库引擎不仅仅只有热路径。在核心引擎周围包裹着庞大的基础设施：配置管理、结构化日志、遥测、依赖注入、测试、基准测试。

在 C 或 Rust 中，你需要自己构建其中的大部分，或者缝合质量参差不齐的库。

到了 .NET 里，这些能力已经是生产级且免费的：ILogger 和 OpenTelemetry 用于可观测性，BenchmarkDotNet 用于严谨的微基准测试，NUnit 用于测试，IConfiguration 用于配置。它们文档充分、互相兼容，并由 Microsoft 或经受过检验的开源社区维护。

对一个独立开发者来说，这是实际的竞争优势。我可以把时间花在并发原语和页缓存淘汰上，而不是重新发明日志框架。

核心在于内存布局，而非语言

这是我多年实时 3D 引擎开发经验教给我的洞察：数据库引擎的瓶颈在于内存访问模式，而非指令吞吐量。

在 Ryzen 7950X 上，一次 DRAM 缓存未命中大约需要 61 到 73 纳秒。这相当于 CPU 空等约 250 个周期。一次命中 L1 的 CAS 操作约 1.4 纳秒，两者比例约为 50:1。

如果你的数据结构导致缓存未命中，无论你的语言有多少“零成本抽象”都救不了你。反之，如果你的数据布局对缓存友好——连续、对齐、访问模式可预测——那么语言几乎无关紧要。带有 unsafe 的 C# 在热点路径上生成的机器码与 C 语言相同。JIT 就是这么强大。

真正重要的是：

• 缓存行感知： Typhon 的 B+ 树节点是 128 字节——两个缓存行。Zen4 上的步进预取器会自动覆盖第二行。仅此一项就比 64 字节节点减少了 53% 的插入延迟和 30% 的查找延迟。
• 数据导向设计（DoD）： 采用 SOA（结构数组）而非 AOS（数组结构）。SIMD 友好的布局。仅使用可直接复制（Blittable）的类型。
• 最小化间接引用： 每次指针追踪都是一次潜在的缓存未命中。SIMD 数据块访问器的 MRU 命中完全避免了追踪。

因此，写什么语言远不如设计什么样的内存布局重要。

数据表现

所有测量均在 Ryzen 9 7950X、.NET 10.0、BenchmarkDotNet、Release 配置下进行。

作为参考，Zen4 上一次无竞争 CAS 约 1.4 纳秒；一次 DRAM 往返约 61 到 73 纳秒。Typhon 的锁获取是 7.8 纳秒，大约相当于 5 次 CAS；考虑到它还处理共享/独占仲裁和等待者跟踪，这个结果已经很紧凑。267 纳秒的 B+Tree 查找意味着大约 6 到 7 次内存访问，符合穿过 L2/L3 缓存进行树遍历的预期。

这些仍然是早期 Alpha 版本的数据，还有优化空间。但它们验证了核心论点：C# 不是瓶颈。

权衡

任何选择都有成本。以下是我对考虑走同样道路的人的建议。

内存安全要由开发者自己负责。在 unsafe 代码块里，你可以破坏内存、解引用错误指针、写爆缓冲区，编译器不会拯救你。Span<T> 是稍慢但完全安全的替代方案。

GC 目前还不是问题，但它可能成为问题。通过固定页缓存，并在热路径使用 ref struct，Gen2 回收既少又便宜。但这不保证任何场景都如此。如果某个工作负载在事务之间大量分配托管对象，暂停仍然可能出现。解决办法是纪律：不要在热路径上分配。语言允许你分配，但不会强迫你分配。

“但 Rust 会给你编译时安全。”，没错，借用检查器可以捕获 unsafe C# 捕获不了的所有权和生命周期错误。但 C# 也有 Rust 没有的工具：Roslyn analyzers。我编写了一套自定义分析器（TYPHON001–007），将特定领域的安全规则强制转化为编译器错误：

• [NoCopy] 特效和分析器：像 ChunkAccessor 这样的性能关键结构不能按值传递。如果忘记使用 ref，编译器会报错。它给关键类型提供了类似 Rust move 语义的保证，但范围只覆盖真正需要的类型。
• 所有权跟踪：如果创建了 ChunkAccessor 或 Transaction 却没有释放，那就是编译错误，而不是运行时泄漏。analyzer 会通过赋值、返回值、ref / out 参数追踪所有权转移，也可以用 [return: TransfersOwnership] 表达返回值所有权转移。
• 释放完整性：如果类型持有关键 disposable 字段，而 Dispose() 漏掉了它，或者存在提前返回导致字段没有释放，也会成为编译错误。

// 这在 Typhon 中是一个编译错误 —— TYPHON001
void Process(ChunkAccessor accessor) { ... }  // ✗ 错误：必须通过 ref 传递
void Process(ref ChunkAccessor accessor) { ... }  // ✓ OK

也就是说，C# 不会免费得到 Rust 的安全性。但可以构建精确适合领域的一组编译期规则。与 Rust 的借用检查器不同，这些规则在诊断中带有领域上下文：“会导致页面缓存死锁”比“值已在此处移动”更具可操作性。

此外，Rust 在周边基础设施（日志、DI、配置、测试）方面的生态系统不如 .NET 成熟，作为独立开发者，我的开发速度至关重要。我选择了能让我发布更快的语言。

JIT 预热是真问题，但可以管理。冷启动后的前几笔事务会更慢。对嵌入式引擎来说，这是可以接受的，因为宿主应用通常有自己的预热阶段。如果是服务端数据库，则应考虑分层编译或 AOT。

下一步

在下一篇文章中，我将解释为什么 ACID 数据库引擎会从游戏引擎中借鉴存储架构——特别是实体-组件-系统（ECS）模式。游戏引擎和数据库在解决同一个基本问题：管理具有极端性能约束的结构化数据。它们只是演化出了完全不同的解决方案。