图交互式工作负载¶

图交互式工作负载主要专注于以交互式方式探索复杂的图结构。常见的交互式工作负载有两种，分别是

图遍历：这类工作负载涉及从一组源顶点出发遍历图，同时满足遍历路径上顶点和边的约束条件。图遍历与分析工作负载不同，它通常只访问图的一小部分而非整个图。
模式匹配：给定一个小图作为模式，图模式匹配的目标是计算图中该模式的所有出现（或实例）。模式匹配通常涉及关系操作来投影、排序和分组匹配到的实例。

在GraphScope中，我们开发了图交互引擎(GIE)来处理这类交互式工作负载，它提供了广泛使用的查询语言，如Gremlin或Cypher，使用户能够轻松表达图遍历和模式匹配查询。这些查询将在机器集群中以大规模并行方式执行，为图交互工作负载提供高效且可扩展的解决方案。

Tinkerpop与Gremlin¶

Apache TinkerPop 是一个开源框架，用于使用 Gremlin 查询语言开发交互式图应用程序。我们实现了TinkerPop的Gremlin Server接口，并尝试在GIE中支持Gremlin的官方遍历步骤。因此，Gremlin用户可以通过现有的TinkerPop生态系统轻松开始使用GIE，包括Python语言包装器和Gremlin控制台。在语言特性方面，我们同时支持Gremlin中的命令式图遍历和声明式模式匹配，分别用于处理交互场景下的图遍历和模式匹配工作负载。

图遍历¶

在命令式图遍历中，执行过程严格遵循查询指定的步骤，其中一组遍历器会根据用户提供的指令逐步遍历图结构，遍历的最终结果是所有停止的遍历器的集合。遍历器是Gremlin引擎处理数据的基本单元。每个遍历器都维护着一个位置引用，指向当前访问的顶点、边或属性，并可选择性地携带包含应用状态的路径历史记录。

上图展示了一个通过环路检测实现的简化反洗钱场景。以下是相应的遍历查询，它试图从给定账户出发寻找长度为 k的循环路径。

g.V('account').has('id','2').as('s')
 .out('k-1..k', 'transfer')
 .with('PATH_OPT', 'SIMPLE')
 .endV()
 .where(out('transfer').eq('s'))
 .limit(1)

首先，源操作符V（带有has()过滤器）返回所有id为2的账户顶点。as()操作符是一个调节器，它不会改变遍历器的输入集合，但会为后续引用引入一个名称（本例中为s）。其次，通过使用下限为k-1（包含）和上限为k（不包含）的out()步骤，遍历出向transfer边恰好k-1次，同时使用SIMPLE路径选项跳过任何重复顶点。这种多跳路径扩展是我们为方便处理路径相关应用而引入的语法糖。第三，where操作符检查起始顶点s是否可以通过再多一步到达，即是否形成长度为k的环。最后，末尾的limit()操作符表示只需要一个这样的结果。

模式匹配¶

不同于命令式遍历查询，match()步骤提供了一种声明式的模式匹配查询表达方式。换句话说，用户只需使用match()描述模式是什么，引擎将基于算法启发式和成本估算自动推导出最佳执行计划。

上图展示了一个模式匹配查询的示例，其中模式是一个三角形，描述了两个相互认识的买家购买同一件商品。在图中，有一个匹配实例以加粗边框高亮显示，其中模式顶点v1、v2和v3分别与顶点1、2和5相匹配。

g.V().match(
  as('v1').both('Knows').as('v2'),
  as('v1').out('Purchases').as('v3'),
  as('v2').out('Purchases').as('v3'),
)

模式匹配查询具有声明式的特性，用户只需通过match()步骤描述模式，而引擎会根据预定义的成本模型在运行时决定如何执行查询（即执行计划）。例如，一个最坏情况最优的执行计划可能首先计算v1和v2的匹配项，然后将v1和v2的邻居交集作为v3的匹配项。

Neo4j与Cypher查询语言¶

Neo4j是一款广受欢迎的图数据库管理系统，以其原生图处理能力而闻名。它为存储、查询和分析图数据提供了高效且可扩展的解决方案。Neo4j的核心组件之一是专为图数据设计的查询语言Cypher。我们通过实现Cypher中关键且高效的运算符，充分释放了Neo4j的潜力，使用户能够利用Cypher强大的表达能力来查询和操作图数据。此外，我们还将Neo4j的Bolt服务器集成到系统中，使Cypher用户可以通过开放SDK提交查询。因此，Cypher用户可以通过现有的Neo4j生态系统（包括Python语言封装器和Cypher-Shell）轻松开始使用GIE。

模式匹配¶

Cypher中的MATCH运算符提供了一种声明式语法，让您能够以简洁直观的方式表达图模式。这种基于模式的方法与图数据的结构高度契合，使得查询语句更易于理解和编写。无论是初学者还是资深用户，都能快速掌握并处理复杂的图模式。此外，MATCH运算符允许您组合多种模式、可选模式以及逻辑运算符来构建复杂查询，使您能够在单个查询中表达复杂的关系和条件。针对上述Triangle示例，可以用Cypher编写如下：

Match (v1)-[:Knows]-(v2),
      (v1)-[:Purchases]->(v3),
      (v2)-[:Purchases]->(v3)
Return DISTINCT v1, v2, v3;