一文了解各大圖數據庫查詢語言

文章的開頭我們先來看下什麼是圖數據庫，根據維基百科的定義：圖數據庫是使用圖結構進行語義查詢的數據庫，它使用節點、邊和屬性來表示和存儲數據。

雖然和關係型數據庫存儲的結構不同（關係型數據庫爲表結構，圖數據庫爲圖結構），但不計各自的性能問題，關係型數據庫可以通過遞歸查詢或者組合其他 SQL 語句（Join）完成圖查詢語言查詢節點關係操作。得益於 1987 年 SQL 成爲國際標準化組織（ISO）標準，關係型數據庫行業得到了很好的發展。同 60、70 年代的關係型數據庫類似，圖數據庫這個領域的查詢語言目前也沒有統一標準，雖然 19 年 9 月經過國際 SQL 標準委員會投票表決，決定將圖查詢語言（Graph Query Language）納爲一種新的數據庫查詢語言，但 GQL 的制定仍需要一段時間。

介於市面上沒有統一的圖查詢語言標準，在本文中我們選取市面上主流的幾款圖查詢語言來分析一波用法，由於篇幅原因本文旨在簡單介紹圖查詢語言和常規用法，更詳細的內容將在進階篇中講述。

圖查詢語言 · 介紹

圖查詢語言 Gremlin

Gremlin 是 Apache ThinkerPop 框架下的圖遍歷語言。Gremlin 可以是聲明性的也可以是命令性的。雖然 Gremlin 是基於 Groovy 的，但具有許多語言變體，允許開發人員以 Java、JavaScript、Python、Scala、Clojure 和 Groovy 等許多現代編程語言原生編寫 Gremlin 查詢。

支持圖數據庫：Janus Graph、InfiniteGraph、Cosmos DB、DataStax Enterprise(5.0+) 、Amazon Neptune

圖查詢語言 Cypher

Cypher 是一個描述性的圖形查詢語言，允許不必編寫圖形結構的遍歷代碼對圖形存儲有表現力和效率的查詢，和 SQL 很相似，Cypher 語言的關鍵字不區分大小寫，但是屬性值，標籤，關係類型和變量是區分大小寫的。

支持圖數據庫：Neo4j、RedisGraph、AgensGraph

圖查詢語言 nGQL

nGQL 是一種類 SQL 的聲明型的文本查詢語言，nGQL 同樣是關鍵詞大小寫不敏感的查詢語言，目前支持模式匹配、聚合運算、圖計算，可無嵌入組合語句。

支持圖數據庫：Nebula Graph

圖查詢語言 · 術語篇

在比較這 3 個圖查詢語言之前，我們先來看看他們各自的術語，如果你翻閱他們的文檔會經常見到下面這些 “關鍵字”，在這裏我們不講用法，只看這些圖數據庫常用概念在這 3 個圖數據庫文檔中的叫法。

我們可以看到大體上對點和邊的叫法類似，只不過 Cypher 中直接使用了 Relationship 關係一詞代表邊。其他的術語基本都非常直觀。

圖查詢語言 · 語法篇

瞭解過 Gremlin、Cypher、nGQL 中常見的術語之後，我們來看看使用這 3 個圖查詢語言過程中會需要了解的常規語法。

圖

# Gremlin 創建圖
g = TinkerGraph.open().traversal()

# nGQL 創建圖空間
CREATE SPACE gods

點

圖結構由點和邊組成，一條邊連接兩個點。在 Gremlin 和 nGQL 中稱之爲 Vertex，Cypher 則稱之爲 Node。如何在圖數據庫中新建一個點呢？可以參考下面的語法

# Gremlin 創建/插入點
g.addV(vertexLabel).property()

# Cypher 創建點
CREATE (:nodeLabel {property})

# nGQL 創建/插入點
INSERT VERTEX tagName (propNameList) VALUES vid:(tagKey propValue)

點類型

點允許有對應的類型，在 Gremlin 和 Cypher 叫 label ，在 nGQL 中爲 tag 。點類型可對應有多種屬性（Property），例如 _Person _可以有 name、_age _等屬性。

創建點類型

點類型相關的語法示例如下：

# Gremlin 創建點類型
g.addV(vertexLabel).property()

# nGQL 創建點類型
CREATE tagName(PropNameList)

這裏說明下，無論在 Gremlin 和 nGQL 中存在類似 IF NOT EXISTS  用法，即：如果不存在則創建，存在則直接返回。

查看點類型

創建好點之後如何查看點類型呢，可以參考以下方式。 

# Gremlin 查看（獲取）點類型
g.V().label().dedup();

# Cypher 查看點類型方法 1
MATCH (n) 
RETURN DISTINCT labels(n)
# Cypher 查看點類型方法 2
CALL db.labels();

# nGQL 查看點類型
SHOW TAGS

點的 CRUD

上面簡單介紹了點、點類型，下面進入數據庫基本 DML——CRUD，在上文介紹點時順便介紹了點的創建和插入，這裏說下如何插入特定類型的點，和點的獲取、刪除和更新。

插入特定類型點

和插入點的操作類似，只不過需要指定某種點類型。語法參考：

# Gremlin 插入特定類型點
g.addV(String vertexLabel).property()

# Cypher 插入特定類型點
CREATE (node:label) 

# nGQL 插入特定類型點
INSERT VERTEX <tag_name> (prop_name_list) VALUES <vid>:(prop_value_list)

查看點

# Gremlin 查看點
g.V(<vid>)

# Cypher 查看點
MATCH (n) 
WHERE condition
RETURN properties(n)

# nGQL 查看點
FETCH PROP ON <tag_name> <vid>

刪除點

術語篇中提過 nGQL 中刪除操作對應單詞有 Delete 和 Drop ，在 nGQL 中 Delete 一般用於點邊，Drop 用於 Schema 刪除，這點和 SQL 的設計思路是一樣的。

# Gremlin 刪除點
g.V(<vid>).drop()

# Cypher 刪除點
MATCH (node:label) 
DETACH DELETE node

# nGQL 刪除點
DELETE VERTEX <vid>

更新點

用數據庫的小夥伴都知道數據的常態是數據變更，來瞅瞅這 3 個圖查詢是使用什麼語法來更新點數據的吧

# Gremlin 更新點
g.V(<vid>).property()

# Cypher 更新點
SET n.prop = V

# nGQL 更新點
UPDATE VERTEX <vid> SET <update_columns>

可以看到 Cypher 和 nGQL 都使用 SET 關鍵詞來設置點對應的類型值，只不過 nGQL 中多了 UPDATE 關鍵詞來標識操作，Gremlin 的操作和上文提到的查看點類似，只不過增加了變更 property 值操作。

邊

在 Gremlin 和 nGQL 稱呼邊爲 Edge，而 Cypher 稱之爲 Relationship。下面進入到邊相關的語法內容

**邊類型 **

和點一樣，邊也可以有對應的類型

# Gremlin 創建邊類型
g.edgeLabel()

# nGQL 創建邊類型
CREATE EDGE edgeTypeName(propNameList)

邊的 CRUD

說完邊類型應該進入到邊的常規操作部分了

插入指定邊類型的邊

可以看到和點的使用語法類似，只不過在 Cypher 和 nGQL 中分別使用 -[]-> 和 -> 來表示關係，而 Gremlin 則用 to() 關鍵詞來標識指向關係，在使用這 3 種圖查詢語言的圖數據庫中的邊均爲有向邊，下圖左邊爲有向邊，右邊爲無向邊。

# Gremlin 插入指定邊類型的邊
g.addE(String edgeLabel).from(v1).to(v2).property()

# Cypher 插入指定邊類型的邊
CREATE (<node1-name>:<label1-name>)-
  [(<relationship-name>:<relationship-label-name>)]
  ->(<node2-name>:<label2-name>)

# nGQL 插入指定邊類型的邊
INSERT EDGE <edge_name> (<prop_name_list>) VALUES <src_vid> -> <dst_vid>: \
(<prop_value_list>)

刪除邊

# Gremlin 刪除邊
g.E(<eid>).drop()

# Cypher 刪除邊
MATCH (<node1-name>:<label1-name>)-[r:relationship-label-name]->()
DELETE r

# nGQL 刪除邊
DELETE EDGE <edge_type> <src_vid> -> <dst_vid>

查看指定邊

# Gremlin 查看指定邊
g.E(<eid>)

# Cypher 查看指定邊
MATCH (n)-[r:label]->()
WHERE condition
RETURN properties(r)

# nGQL 查看指定邊
FETCH PROP ON <edge_name> <src_vid> -> <dst_vid>

其他操作

除了常規的點、邊 CRUD 外，我們可以簡單看看這 3 種圖查詢語言的組合查詢。

指定點查指定邊

# Gremlin 指定點查指定邊
g.V(<vid>).outE(<edge>)

# Cypher 指定點查指定邊
Match (n)->[r:label]->[]
WHERE id(n) = vid
RETURN r

# nGQL 指定點查指定邊
GO FROM <vid> OVER <edge>

沿指定點反向查詢指定邊

在反向查詢中，Gremlin 使用了 in 來表示反向關係，而 Cypher 則更直觀的將指向箭頭反向變成 <- 來表示反向關係，nGQL 則用關鍵詞 REVERSELY 來標識反向關係。

# Gremlin 沿指定點反向查詢指定邊
g.V(<vid>).inE(<edge>)

# Cypher 沿指定點反向查詢指定邊
MATCH (n)<-[r:label]-()

# nGQL 沿指定點反向查詢指定邊
GO FROM <vid> OVER <edge> REVERSELY

無向遍歷

如果在圖中，邊的方向不重要（正向、反向都可以），那 Gremlin 使用 both() ，Cypher 使用 -[]- ，nGQL 使用關鍵詞 BIDIRECT 。

# Traverse edges with specified vertices Gremlin
g.V(<vid>).bothE(<edge>)

# Traverse edges with specified vertices Cypher
MATCH (n)-[r:label]-()

# Traverse edges with specified vertices nGQL
GO FROM <vid>  OVER <edge> BIDIRECT

沿指定點查詢指定邊 N 跳

Gremlin 和 nGQL 分別用 times 和 step 來表示 N 跳關係，而 Cypher 用 relationship*1..N 來表示 N 跳關係。

# Gremlin 沿指定點查詢指定邊 N 跳
g.V(<vid>).repeat(out(<edge>)).times(N)

# Cypher 沿指定點查詢指定邊 N 跳
MATCH (n)-[r:label*N]->()
WHERE condition
RETURN r

# nGQL 沿指定點查詢指定邊 N 跳
GO N STEPS FROM <vid> OVER <edge>

返回指定兩點路徑

# Gremlin 返回指定兩點路徑
g.V(<vid>).repeat(out()).until(<vid>).path()

# Cypher 返回指定兩點路徑
MATCH p =(a)-[.*]->(b)
WHERE condition
RETURN p

# nGQL 返回指定兩點路徑
FIND ALL PATH FROM <vid> TO <vid> OVER *

圖查詢語言 · 實操篇

說了一通語法之後，是時候展示真正的技術了——來個具體一點的例子。

示例圖：The Graphs of Gods

實操示例使用了 Janus Graph 的示例圖 The Graphs of Gods。該圖結構如下圖所示，描述了羅馬萬神話中諸神關係。

插入數據

# 插入點
## nGQL
nebula> INSERT VERTEX character(name, age, type) VALUES hash("saturn"):("saturn", 10000, "titan"), hash("jupiter"):("jupiter", 5000, "god");
## Gremlin
gremlin> saturn = g.addV("character").property(T.id, 1).property('name', 'saturn').property('age', 10000).property('type', 'titan').next();
==>v[1]
gremlin> jupiter = g.addV("character").property(T.id, 2).property('name', 'jupiter').property('age', 5000).property('type', 'god').next();
==>v[2]
gremlin> prometheus = g.addV("character").property(T.id, 31).property('name',  'prometheus').property('age', 1000).property('type', 'god').next();
==>v[31]
gremlin> jesus = g.addV("character").property(T.id, 32).property('name',  'jesus').property('age', 5000).property('type', 'god').next();
==>v[32]
## Cypher
cypher> CREATE (src:character {name:"saturn", age: 10000, type:"titan"})
cypher> CREATE (dst:character {name:"jupiter", age: 5000, type:"god"})

# 插入邊
## nGQL
nebula> INSERT EDGE father() VALUES hash("jupiter")->hash("saturn"):();
## Gremlin
gremlin> g.addE("father").from(jupiter).to(saturn).property(T.id, 13);
==>e[13][2-father->1]
## Cypher
cypher> CREATE (src)-[rel:father]->(dst)

刪除數據

# nGQL
nebula> DELETE VERTEX hash("prometheus");
# Gremlin
gremlin> g.V(prometheus).drop();
# Cypher
cypher> MATCH (n:character {name:"prometheus"}) DETACH DELETE n

更新數據

# nGQL
nebula> UPDATE VERTEX hash("jesus") SET character.type = 'titan';
# Gremlin
gremlin> g.V(jesus).property('age', 6000);
==>v[32]
# Cypher
cypher> MATCH (n:character {name:"jesus"}) SET n.type = 'titan';

查看數據

# nGQL
nebula> FETCH PROP ON character hash("saturn");
===================================================
| character.name | character.age | character.type |
===================================================
| saturn         | 10000         | titan          |
---------------------------------------------------
# Gremlin
gremlin> g.V(saturn).valueMap();
==>[name:[saturn],type:[titan],age:[10000]]
# Cypher
cypher> MATCH (n:character {name:"saturn"}) RETURN properties(n)
  ╒════════════════════════════════════════════╕
  │"properties(n)"                             │
  ╞════════════════════════════════════════════╡
  │{"name":"saturn","type":"titan","age":10000}│
  └────────────────────────────────────────────┘

查詢 hercules 的父親

# nGQL
nebula>  LOOKUP ON character WHERE character.name == 'hercules' | \
      -> GO FROM $-.VertexID OVER father YIELD $$.character.name;
=====================
| $$.character.name |
=====================
| jupiter           |
---------------------
# Gremlin
gremlin> g.V().hasLabel('character').has('name','hercules').out('father').values('name');
==>jupiter
# Cypher
cypher> MATCH (src:character{name:"hercules"})-[:father]->(dst:character) RETURN dst.name
      ╒══════════╕
      │"dst.name"│
      ╞══════════╡
      │"jupiter" │
      └──────────┘

查詢 hercules 的祖父

# nGQL
nebula> LOOKUP ON character WHERE character.name == 'hercules' | \
     -> GO 2 STEPS FROM $-.VertexID OVER father YIELD $$.character.name;
=====================
| $$.character.name |
=====================
| saturn            |
---------------------
# Gremlin
gremlin> g.V().hasLabel('character').has('name','hercules').out('father').out('father').values('name');
==>saturn
# Cypher
cypher> MATCH (src:character{name:"hercules"})-[:father*2]->(dst:character) RETURN dst.name
      ╒══════════╕
      │"dst.name"│
      ╞══════════╡
      │"saturn"  │
      └──────────┘

查詢年齡大於 100 的人物

# nGQL
nebula> LOOKUP ON character WHERE character.age > 100 YIELD character.name, character.age;
=========================================================
| VertexID             | character.name | character.age |
=========================================================
| 6761447489613431910  | pluto          | 4000          |
---------------------------------------------------------
| -5860788569139907963 | neptune        | 4500          |
---------------------------------------------------------
| 4863977009196259577  | jupiter        | 5000          |
---------------------------------------------------------
| -4316810810681305233 | saturn         | 10000         |
---------------------------------------------------------
# Gremlin
gremlin> g.V().hasLabel('character').has('age',gt(100)).values('name');
==>saturn
==>jupiter
==>neptune
==>pluto
# Cypher
cypher> MATCH (src:character) WHERE src.age > 100 RETURN src.name
      ╒═══════════╕
      │"src.name" │
      ╞═══════════╡
      │  "saturn" │
      ├───────────┤
      │ "jupiter" │
      ├───────────┤
      │ "neptune" │
      │───────────│
      │  "pluto"  │
      └───────────┘

從一起居住的人物中排除 pluto 本人

# nGQL
nebula>  GO FROM hash("pluto") OVER lives YIELD lives._dst AS place | GO FROM $-.place OVER lives REVERSELY WHERE \
$$.character.name != "pluto" YIELD $$.character.name AS cohabitants;
===============
| cohabitants |
===============
| cerberus    |
---------------
# Gremlin
gremlin> g.V(pluto).out('lives').in('lives').where(is(neq(pluto))).values('name');
==>cerberus
# Cypher
cypher> MATCH (src:character{name:"pluto"})-[:lives]->()<-[:lives]-(dst:character) RETURN dst.name
      ╒══════════╕
      │"dst.name"│
      ╞══════════╡
      │"cerberus"│
      └──────────┘

Pluto 的兄弟們

# which brother lives in which place?
## nGQL
nebula> GO FROM hash("pluto") OVER brother YIELD brother._dst AS god | \
GO FROM $-.god OVER lives YIELD $^.character.name AS Brother, $$.location.name AS Habitations;
=========================
| Brother | Habitations |
=========================
| jupiter | sky         |
-------------------------
| neptune | sea         |
-------------------------
## Gremlin
gremlin> g.V(pluto).out('brother').as('god').out('lives').as('place').select('god','place').by('name');
==>[god:jupiter, place:sky]
==>[god:neptune, place:sea]
## Cypher
cypher> MATCH (src:Character{name:"pluto"})-[:brother]->(bro:Character)-[:lives]->(dst)
RETURN bro.name, dst.name
      ╒═════════════════════════╕
      │"bro.name"    │"dst.name"│
      ╞═════════════════════════╡
      │ "jupiter"    │  "sky"   │
      ├─────────────────────────┤
      │ "neptune"    │ "sea"    │
      └─────────────────────────┘

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