Gremlin

Gremlin是Apache軟體基金會下的Apache TinkerPop開發的圖遍歷語言和虛擬機。Gremlin適用於基於OLTP的圖資料庫以及基於OLAP的圖處理器。Gremlin的函數式語言和自動機基礎使Gremlin能夠自然地支持指令式和聲明式查詢、主機語言不可知性、使用者定義的領域特定語言、可擴展的編譯器/優化器、單機和多機運行模型、混合深度和廣度優先評估以及圖靈完備性。

作為一個解釋性的類比，Apache TinkerPop和Gremlin之於圖資料庫，就如同JDBC和SQL之於關係型資料庫。同樣，Gremlin遍歷機與圖計算的關係也類似於為Java虛擬機與通用計算之間的關係。

## 歷史

- 2009-10-30 項目誕生，並被命名為「TinkerPop」
- 2009-12-25 v0.1是第一個版本
- 2011-05-21 v1.0發布
- 2012-05-24 v2.0發布
- 2015-01-16 TinkerPop成為Apache孵化器項目
- 2015-07-09 v3.0.0 孵化版發布
- 2016-05-23 Apache TinkerPop成為一個Apache頂級項目
- 2016-07-18 v3.1.3和v3.2.1是第一次作為Apache TinkerPop發布的版本
- 2017-12-17 v3.3.1發布
- 2018-05-08 v3.3.3發布

## 供應商的一體化

Gremlin是Apache2許可的圖遍歷語言，可供圖系統供應商使用。通常有兩種類型的圖系統供應商：OLTP圖資料庫和OLAP圖處理器。下表概述了支持Gremlin的圖系統供應商。

供應商｜圖系統

Neo4j｜圖資料庫

OrientDB｜圖資料庫

DataStax Enterprise(5.0+)｜圖資料庫

Hadoop (Giraph)｜圖處理器

Hadoop (Spark)｜圖處理器

InfiniteGraph｜圖資料庫

JanusGraph｜圖資料庫

Cosmos DB｜圖資料庫

Amazon Neptune｜圖資料庫

Ontotext GraphDB｜Triplestore

## 圖遍歷示例

以下Gremlin-Groovy環境中的Gremlin查詢和響應示例與 MovieLens數據集的圖表示有關。該數據集包括為電影評分的使用者，每個使用者都有各自的職業，每部電影都有一個或多個與之相關的類別，MovieLens圖表架構詳述如下。

```cypher
user--rated[stars:0-5]-->movie
user--occupation-->occupation
movie--category-->category
```

### 簡單遍歷

style="width: 20px; vertical-align: top; border: none; color: #B2B7F2; font-size: 40px; font-family: 'Times New Roman', Times, serif; font-weight: bold; line-height: .6em; text-align: left; padding: 10px 10px;" |"｜對於圖中的每個頂點，從其標籤出發，然後對每個不同的標籤進行分組和計數。｜ style="width: 20px; vertical-align: bottom; border: none; color: #B2B7F2; font-size: 40px; font-family: 'Times New Roman', Times, serif; font-weight: bold; line-height: .6em; text-align: right; padding: 10px 10px;" |"

```groovy
gremlin> g.V().label().groupCount()
==>[occupation:21, movie:3883, category:18, user:6040]
```

style="width: 20px; vertical-align: top; border: none; color: #B2B7F2; font-size: 40px; font-family: 'Times New Roman', Times, serif; font-weight: bold; line-height: .6em; text-align: left; padding: 10px 10px;" |"｜最老的一部電影是哪一年製作的？｜ style="width: 20px; vertical-align: bottom; border: none; color: #B2B7F2; font-size: 40px; font-family: 'Times New Roman', Times, serif; font-weight: bold; line-height: .6em; text-align: right; padding: 10px 10px;" |"

```groovy
gremlin> g.V().hasLabel('movie').values('year').min()
==>1919
```

style="width: 20px; vertical-align: top; border: none; color: #B2B7F2; font-size: 40px; font-family: 'Times New Roman', Times, serif; font-weight: bold; line-height: .6em; text-align: left; padding: 10px 10px;" |"｜電影Die Hard的平均評分是多少？｜ style="width: 20px; vertical-align: bottom; border: none; color: #B2B7F2; font-size: 40px; font-family: 'Times New Roman', Times, serif; font-weight: bold; line-height: .6em; text-align: right; padding: 10px 10px;" |"

```groovy
gremlin> g.V().has('movie','name','Die Hard').inE('rated').values('stars').mean()
==>4.121848739495798
```

### 投影遍歷

style="width: 20px; vertical-align: top; border: none; color: #B2B7F2; font-size: 40px; font-family: 'Times New Roman', Times, serif; font-weight: bold; line-height: .6em; text-align: left; padding: 10px 10px;" |"｜對於每個類別，列出其名稱和各自的電影數量。｜ style="width: 20px; vertical-align: bottom; border: none; color: #B2B7F2; font-size: 40px; font-family: 'Times New Roman', Times, serif; font-weight: bold; line-height: .6em; text-align: right; padding: 10px 10px;" |"

```groovy
gremlin> g.V().hasLabel('category').as('a','b').
           select('a','b').
             by('name').
             by(inE('category').count())
==>[a:Animation, b:105]
==>[a:Children's, b:251]
==>[a:Comedy, b:1200]
==>[a:Adventure, b:283]
==>[a:Fantasy, b:68]
==>[a:Romance, b:471]
==>[a:Drama, b:1603]
==>[a:Action, b:503]
==>[a:Crime, b:211]
==>[a:Thriller, b:492]
==>[a:Horror, b:343]
==>[a:Sci-Fi, b:276]
==>[a:Documentary, b:127]
==>[a:War, b:143]
==>[a:Musical, b:114]
==>[a:Mystery, b:106]
==>[a:Film-Noir, b:44]
==>[a:Western, b:68]
```

style="width: 20px; vertical-align: top; border: none; color: #B2B7F2; font-size: 40px; font-family: 'Times New Roman', Times, serif; font-weight: bold; line-height: .6em; text-align: left; padding: 10px 10px;" |"｜對於每部至少有11個評級的電影，列出其名稱和各自的平均評分，並按平均分按降序排列，展示前10個結果（即評分最高的10部電影）。｜ style="width: 20px; vertical-align: bottom; border: none; color: #B2B7F2; font-size: 40px; font-family: 'Times New Roman', Times, serif; font-weight: bold; line-height: .6em; text-align: right; padding: 10px 10px;" |"

```groovy
gremlin> g.V().hasLabel('movie').as('a','b').
           where(inE('rated').count().is(gt(10))).
           select('a','b').
             by('name').
             by(inE('rated').values('stars').mean()).
           order().by(select('b'),decr).
           limit(10)
==>[a:Sanjuro, b:4.608695652173913]
==>[a:Seven Samurai (The Magnificent Seven), b:4.560509554140127]
==>[a:Shawshank Redemption, The, b:4.554557700942973]
==>[a:Godfather, The, b:4.524966261808367]
==>[a:Close Shave, A, b:4.52054794520548]
==>[a:Usual Suspects, The, b:4.517106001121705]
==>[a:Schindler's List, b:4.510416666666667]
==>[a:Wrong Trousers, The, b:4.507936507936508]
==>[a:Sunset Blvd. (a.k.a. Sunset Boulevard), b:4.491489361702127]
==>[a:Raiders of the Lost Ark, b:4.47772]
```

### 聲明式模式匹配遍歷

Gremlin支持類似於SPARQL的聲明式圖模式匹配。例如，下面的查詢使用了Gremlin的match 步驟。

style="width: 20px; vertical-align: top; border: none; color: #B2B7F2; font-size: 40px; font-family: 'Times New Roman', Times, serif; font-weight: bold; line-height: .6em; text-align: left; padding: 10px 10px;" |"｜哪些80年代的動作電影受30多歲的程式設計師喜歡？按名稱對電影進行分組計數，並按降序進行排序，列出前10條結果。｜ style="width: 20px; vertical-align: bottom; border: none; color: #B2B7F2; font-size: 40px; font-family: 'Times New Roman', Times, serif; font-weight: bold; line-height: .6em; text-align: right; padding: 10px 10px;" |"

```groovy
gremlin> g.V().
           match(
             __.as('a').hasLabel('movie'),
             __.as('a').out('category').has('name','Action'),
             __.as('a').has('year',between(1980,1990)),
             __.as('a').inE('rated').as('b'),
             __.as('b').has('stars',5),
             __.as('b').outV().as('c'),
             __.as('c').out('occupation').has('name','programmer'),
             __.as('c').has('age',between(30,40))).
           select('a').groupCount().by('name').
           order(local).by(valueDecr).
           limit(local,10)
==>Raiders of the Lost Ark=26
==>Star Wars Episode V - The Empire Strikes Back=26
==>Terminator, The=23
==>Star Wars Episode VI - Return of the Jedi=22
==>Princess Bride, The=19
==>Aliens=18
==>Boat, The (Das Boot)=11
==>Indiana Jones and the Last Crusade=11
==>Star Trek The Wrath of Khan=10
==>Abyss, The=9
```

### OLAP遍歷

style="width: 20px; vertical-align: top; border: none; color: #B2B7F2; font-size: 40px; font-family: 'Times New Roman', Times, serif; font-weight: bold; line-height: .6em; text-align: left; padding: 10px 10px;" |"｜哪些電影在隱含的5星圖中處在最中心？｜ style="width: 20px; vertical-align: bottom; border: none; color: #B2B7F2; font-size: 40px; font-family: 'Times New Roman', Times, serif; font-weight: bold; line-height: .6em; text-align: right; padding: 10px 10px;" |"

```groovy
gremlin> g = graph.traversal(computer(SparkGraphComputer))
==>graphtraversalsource[hadoopgraph[gryoinputformat->gryooutputformat], sparkgraphcomputer]
gremlin> g.V().repeat(outE('rated').has('stars', 5).inV().
                 groupCount('m').by('name').
                 inE('rated').has('stars', 5).outV()).
               times(4).cap('m')
==>Star Wars Episode IV - A New Hope	  35405394353105332
==>American Beauty	  31943228282020585
==>Raiders of the Lost Ark	31224779793238499
==>Star Wars Episode V - The Empire Strikes Back  30434677119726223
==>Godfather, The	30258518523013057
==>Shawshank Redemption, The	28297717387901031
==>Schindler's List	27539336654199309
==>Silence of the Lambs, The	26736276376806173
==>Fargo	 26531050311325270
==>Matrix, The	 26395118239203191
```

## Gremlin圖遍歷機

Gremlin是一個由指令集和執行引擎組成的虛擬機。下表在Gremlin和Java之間進行了類比。

Java生態系統｜Gremlin生態系統

Apache Groovy程式語言｜Gremlin-Groovy

Scala程式語言｜Gremlin-Scala

Clojure程式語言｜Gremlin-Clojure

…｜…

Java程式語言｜Gremlin-Java8

Java指令集｜Gremlin步驟庫

Java虛擬機｜Gremlin遍歷機

### Gremlin步驟(指令集)

以下歷是一個Gremlin遍歷在Gremlin-Java8的方言。

```java
g.V().as("a").out("knows").as("b").
  select("a","b").
    by("name").
    by("age")
```

Gremlin語言（即表達圖遍歷的流式接口）可以用任何支持函數組合和函數嵌套的宿主語言表示。由於這個簡單的要求，存在各種Gremlin方言，包括Gremlin-Groovy、Gremlin-Scala和Gremlin-Clojure等。上面的Gremlin-Java8遍歷最終被編譯成稱為遍歷（traversal）的步驟序列。下面提供了遍歷的字串表示。

```java
[GraphStep([],vertex)@[a], VertexStep(OUT,[knows],vertex)@[b], SelectStep([a, b],[value(name), value(age)])]
```

這些步驟（steps）是Gremlin圖遍歷機的原語。它們是機器最終執行的參數化指令。Gremlin指令集大約有30個步驟。這些步驟足以提供通用計算以及表達任何圖遍歷查詢的共同主題通常所需的內容。

鑑於Gremlin是一種語言、一個指令集和一個虛擬機，可以設計另一種編譯為Gremlin遍歷機器的遍歷語言（類似於Scala如何編譯到JVM）。例如，可以編譯流行的SPARQL圖模式匹配語言以在Gremlin機器上執行。以下SPARQL查詢

```sparql
SELECT ?a ?b ?c
WHERE {
  ?a a Person .
  ?a ex:knows ?b .
  ?a ex:created ?c .
  ?b ex:created ?c .
  ?b ex:age ? d .
    FILTER(?d < 30)
}
```

將被編譯到

```java
[GraphStep([],vertex), MatchStep(AND,[[MatchStartStep(a), LabelStep, IsStep(eq(Person)), MatchEndStep], [MatchStartStep(a), VertexStep(OUT,[knows],vertex), MatchEndStep(b)], [MatchStartStep(a), VertexStep(OUT,[created],vertex), MatchEndStep(c)], [MatchStartStep(b), VertexStep(OUT,[created],vertex), MatchEndStep(c)], [MatchStartStep(b), PropertiesStep([age],value), MatchEndStep(d)], [MatchStartStep(d), IsStep(gt(30)), MatchEndStep]]), SelectStep([a, b, c])].
```

在Gremlin-Java8中，上面的SPARQL查詢將被編譯為相同的Gremlin步驟序列（即遍歷），其表示如下。

```java
g.V().match(
  as("a").label().is("person"),
  as("a").out("knows").as("b"),
  as("a").out("created").as("c"),
  as("b").out("created").as("c"),
  as("b").values("age").as("d"),
  as("d").is(gt(30))).
    select("a","b","c")
```

### Gremlin機(虛擬機)

Gremlin圖遍歷機可以在單台機器上執行，也可以在多機計算集群上執行。執行不可知論允許Gremlin在圖資料庫（OLTP）和圖處理器（OLAP）上運行。

## 基本資料

- 發行時間：2009年
- 設計者：Marko A. Rodriguez
- 開發者：Apache軟體基金會下的Apache TinkerPop
- dialects：Gremlin-Java8, Gremlin-Groovy, Gremlin-Python, Gremlin-Scala, Gremlin-Clojure, Gremlin-PHP, Gremlin-JavaScript, Gremlin-Typeset
- 作業系統：跨平台
- 許可證：Apache許可證
- 受影響於：正則表達式, XPath, Ripple, SPARQL, SQL, Java/JVM