SPARQL Sémantika. Peter Vojtáš

SPARQL Sémantika Peter Vojtáš Department of Software Engineering Faculty of Information Technology Czech Technical University in Prague Peter Vojtáš, Jan Dědek, Ivo Lašek Semantic Web MI SWE 2011 Lecture 8 MI POA Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti

Obsah Sledujeme německou knížku SPARQL Semantik http://semantic-web-grundlagen.de P. Hitzler, M. Krötzsch, S. Rudolph, Y. Sure Semantic Web Grundlagen Springer 2008, ISBN: 978-3-540-33993-9 MI-SWE 2011 SPARQL sémantika 2 10-SPARQL-Semantik-2009.pdf

Obsah 1. Úvod a motivace 2. Transformace dotazů v SPARQL do SPARQL algebry 3. Počítání v SPARQL algebře 4. Shrnutí MI-SWE 2011 SPARQL sémantika 3

SPARQL Minulá přednáška: SPARQL jako dotazovací jazyk pro RDF PREFIX ex: <http://example.org/> SELECT?buch,?autor WHERE {?buch ex:verlegtbei <http://springer.com/verlag>.?buch ex:preis?preis.?buch ex:autor?autor FILTER (?preis < 35) } ORDER BY?preis LIMIT 10 Charakteristika SPARQL: jednoduché, nepovinné a alternativní grafové vzory Filter Výstupní formáty (SELECT, CONSTRUCT,... ) Modifikátory (ORDER BY, LIMIT,... ) Pro tuto přednášku zbylo zodpovědět otázku: Jak je přesně definovaná sémantika SPARQL? MI-SWE 2011 SPARQL sémantika 4

K čemu sémantika Zatím neformální představení SPARQL (my jsme měli článek čilanů) Použivatel: které odpovědi můžu očekávat na můj dotaz? Vývojář: Jak se bude chovat moje SPARQL implementace? Výrobce: Je můj produkt v souladu se SPARQL? Formální sémantika snad do toho vnese více světla MI-SWE 2011 SPARQL sémantika 5

Sémantika dotazovacích jazyků Sémantika formální logiky: Modelově teoretická sémantika: které interpretace splňují znalostní bázi důkazově teoretická sémantika: které důkazy (odvození) z dané znalostní báze jsou přípustné?... Sémantika programovacích jazyků: Axiomatická sémantika: která logická tvrzení jsou pravdivá pro daný program? Operační sémantika: jak vypadá běh daného programu? Denotační sémantika: jak lze daný programm reprezentovat jako funkci vstup-výstup? Co teď s dotazovacím jazykem? MI-SWE 2011 SPARQL sémantika 6

Sémantika dotazovacích jazyků Sémantika dotazovacích jazyků: Dotaz jako splňování (query entailment) dotaz jako popis přípustných výsledků databáze jako množina logických předpokladů (teorie) odpověď na dotaz jako logické odvození Např.: OWL DL a RDF(S) jako dotazovací jazyky, konjunktivní dotazy Dotazovací algebra dotaz jako popis výpočtu výsledků databáze jako vstup odpověď jako výstup Např.: relační algebra pro SQL, SPARQL-algebra MI-SWE 2011 SPARQL sémantika 7

Transformace dotazů do SPARQL algebry {?kniha ex:cena?cena. FILTER (?cena < 15) OPTIONAL {?kniha ex:nazev?nazev. } {?kniha ex:autor ex:shakespeare. } UNION {?kniha ex:autor ex:marlowe. } } Sémantika SPARQL-ovského dotazu: 1. Transformace dotazu do algebraického výrazu 2. Spočítání výsledku tohoto výrazu MI-SWE 2011 SPARQL sémantika 8

Transformace dotazů do SPARQL algebry: BGP {?kniha ex:cena?cena. FILTER (?cena < 15) OPTIONAL {?kniha ex:nazev?nazev. } {?kniha ex:autor ex:shakespeare. } UNION {?kniha ex:autor ex:marlowe. } } První krok: transformace jednoduchých grafových vzorů Operátor BGP Basic Graph Pattern Současně rozepsaní zkráceného URI MI-SWE 2011 SPARQL sémantika 9

Transformace dotazů do SPARQL algebry: BGP { BGP(?kniha <http://eg.org/cena>?cena.) FILTER (?cena < 15) OPTIONAL { BGP(?kniha <http://eg.org/nazev?nazev.) } { BGP(?kniha <http://eg.org/autor> <http://eg.org/shakespeare>.) } UNION { BGP(?kniha <http://eg.org/autor> <http://eg.org/marlowe>.) } } První krok: transformace jednoduchých grafových vzorů Operátor BGP Basic Graph Pattern Současně rozepsaní zkráceného URI MI-SWE 2011 SPARQL sémantika 10

Transformace do SPARQL algebry: Union { BGP(?kniha <http://eg.org/cena>?cena.) FILTER (?cena < 15) OPTIONAL { BGP(?kniha <http://eg.org/nazev?nazev.) } { BGP(?kniha <http://eg.org/autor> <http://eg.org/shakespeare>.) } UNION { BGP(?kniha <http://eg.org/autor> <http://eg.org/marlowe>.) } } Druhý krok: skládání alternativních grafových vzorů Operátor Union vztahuje se na UNION {} ohraničené grafové vzory UNION ( váže silněji než konjunkce) Uzávorkování vícero alternativ jako v minulé přednášce (zleva asociativní) MI-SWE 2011 SPARQL sémantika 11

Transformace do SPARQL algebry: Union { BGP(?kniha <http://eg.org/cena>?cena.) FILTER (?cena < 15) OPTIONAL { BGP(?kniha <http://eg.org/nazev?nazev.) } Union({ BGP(?kniha <http://eg.org/autor> <http://eg.org/shakespeare>.) }, { BGP(?kniha <http://eg.org/autor> <http://eg.org/marlowe>.) }) } Druhý krok: skládání alternativních grafových vzorů Operátor Union vztahuje se na UNION {} ohraničené grafové vzory UNION ( váže silněji než konjunkce) Uzávorkování vícero alternativ jako v minulé přednášce (zleva asociativní) MI-SWE 2011 SPARQL sémantika 12

Transformace do SPARQL algebry Join(M1, M2) LeftJoin(M1, M2, F) Filter (F, M) Z konjunktivní spojení M1 a M2 Nepovinné spojení M1 s M2 pod podmínkou F Použití diltrovací podmínky F na M Konstanta pro prázdný výraz MI-SWE 2011 SPARQL sémantika 13

Transformace do SPARQL algebry Join(M1, M2) LeftJoin(M1, M2, F) Filter (F, M) Z konjunktivní spojení M1 a M2 Nepovinné spojení M1 s M2 pod podmínkou F Použití filtrovací podmínky F na M Konstanta pro prázdný výraz Trasformace se vykonává postupně zevnitř ven: 1. Zvol nejaký nejvnitřnější grafový vzor M; 2. Odstraň filtrovací podmínky z M; GF := konjunkce filtrovacích podmínek 3. Inicializuj G := Z, a zpracuj všechny podvýrazy UA následovně: a. pokud UA = OPTIONAL Filter(F, A): G := LeftJoin(G, A, F) b. jinak, pokud UA = OPTIONAL A: G := LeftJoin(G, A, true) c. jinak: G := Join(G,UA) 4. pokud GF je neprázdné: G := Filter(GF,G) MI-SWE 2011 SPARQL sémantika 14

Transformace SPARQL algebry:(left)join, Filter { BGP(?kniha <http://eg.org/cena>?cena.) FILTER (?cena < 15) OPTIONAL { BGP(?kniha <http://eg.org/nazev?nazev.) } Union({ BGP(?kniha <http://eg.org/autor> <http://eg.org/shakespeare>.) }, { BGP(?kniha <http://eg.org/autor> <http://eg.org/marlowe>.) }) } MI-SWE 2011 SPARQL sémantika 15

Transformace SPARQL algebry:(left)join, Filter { BGP(?kniha <http://eg.org/cena>?cena.) FILTER (?cena < 15) OPTIONAL Join(Z, BGP(?kniha <http://eg.org/nazev?nazev.) ) Union(Join(Z, BGP(?kniha <http://eg.org/autor> <http://eg.org/shakespeare>.) ), Join(Z, BGP(?kniha <http://eg.org/autor> <http://eg.org/marlowe>.) )) } MI-SWE 2011 SPARQL sémantika 16

Transformace SPARQL algebry:(left)join, Filter { BGP(?kniha <http://eg.org/cena>?cena.) FILTER (?cena < 15) OPTIONAL Join(Z, BGP(?kniha <http://eg.org/nazev?nazev.) ) Union(Join(Z, BGP(?kniha <http://eg.org/autor> <http://eg.org/shakespeare>.) ), Join(Z, BGP(?kniha <http://eg.org/autor> <http://eg.org/marlowe>.) )) } MI-SWE 2011 SPARQL sémantika 17

Transformace SPARQL algebry:(left)join, Filter ) FILTER ((?cena < 15) Join( LeftJoin( Join(Z, BGP(?kniha <http://eg.org/cena>?cena.)), Join(Z, BGP(?kniha <http://eg.org/nazev?nazev.) ) true ), Union(Join(Z, BGP(?kniha <http://eg.org/autor> <http://eg.org/shakespeare>.) ), Join(Z, BGP(?kniha <http://eg.org/autor> <http://eg.org/marlowe>.) )) ) MI-SWE 2011 SPARQL sémantika 18

Transformace SPARQL algebry Modifikátory G := OrderBy(G, zadaní uspořádání) G := Slice(G, o, l) ořeže výsledkovou listinu na interval délky l od pozice o, pokud bylo použito OFFSET o a LIMIT l G := Project(G, seznam proměnných) pokud to bylo v SELECT G:=Distinct(G) MI-SWE 2011 SPARQL sémantika 19

Definice operací SPARQL algebry Jak jsou definovány operace SPARQL-algebry? Výstup: tabulka výsledků (formátování nehraje roli) vstup: dotazovaná RDF-Databáze Částečné výsledky podvýrazů Rozličné parametry podle operace Prázdný výraz Z? Výsledek právě jeden (funkce s prázdným oborem hodnot) tabulka s jedním řádkem ale žádnými sloupci Více předminulá přednáška MI-SWE 2011 SPARQL sémantika 20

Příklad @prefix ex: <http://example.org/>. @prefix xsd: <http://www.w3.org/2001/xmlschema#>. ex:hamlet ex:autor ex:shakespeare ; ex:preis "10.50"^^xsd:decimal. ex:macbeth ex:autor ex:shakespeare. ex:tamburlaine ex:autor ex:marlowe ; ex:preis "17"^^xsd:integer. ex:doctorfaustus ex:autor ex:marlowe ; ex:preis "12"^^xsd:integer ; ex:titel "The Tragical History of Doctor Faustus". ex:romeojulia ex:autor ex:brooke ; ex:preis "9"^^xsd:integer. {?kniha ex:cena?cena. FILTER (?cena < 15) OPTIONAL {?kniha ex:nazev?nazev. } {?kniha ex:autor ex:shakespeare. } UNION {?kniha ex:autor ex:marlowe. } } MI-SWE 2011 SPARQL sémantika 21

Příklad FILTER ((?cena < 15) Join( LeftJoin( Join(Z, BGP(?kniha <http://eg.org/cena>?cena.)), Join(Z, BGP(?kniha <http://eg.org/nazev?nazev.) ) true ), Union(Join(Z, BGP(?kniha <http://eg.org/autor> <http://eg.org/shakespeare>.) ), Join(Z, BGP(?kniha <http://eg.org/autor> <http://eg.org/marlowe>.) )) ) ) kniha ex:tamburlaine ex:doctorfaustu s MI-SWE 2011 SPARQL sémantika 22

Příklad FILTER ((?cena < 15) Join( LeftJoin( Join(Z, BGP(?kniha <http://eg.org/cena>?cena.)), Join(Z, BGP(?kniha <http://eg.org/nazev?nazev.) ) true ), Union(Join(Z, BGP(?kniha <http://eg.org/autor> <http://eg.org/shakespeare>.) ), Join(Z, BGP(?kniha <http://eg.org/autor> <http://eg.org/marlowe>.) )) ) ) kniha ex:macbeth ex:hamlet MI-SWE 2011 SPARQL sémantika 23

Příklad FILTER ((?cena < 15) Join( LeftJoin( Join(Z, BGP(?kniha <http://eg.org/cena>?cena.)), Join(Z, BGP(?kniha <http://eg.org/nazev?nazev.) ) true ), Union(Join(Z, BGP(?kniha <http://eg.org/autor> <http://eg.org/shakespeare>.) ), Join(Z, BGP(?kniha <http://eg.org/autor> <http://eg.org/marlowe>.) )) ) ) kniha ex:hamlet ex:macbeth ex:tamburlaine ex:doctorfaustu s MI-SWE 2011 SPARQL sémantika 24

Příklad FILTER ((?cena < 15) Join( LeftJoin( Join(Z, BGP(?kniha <http://eg.org/cena>?cena.)), Join(Z, BGP(?kniha <http://eg.org/nazev?nazev.) ) true ), Union(Join(Z, BGP(?kniha <http://eg.org/autor> <http://eg.org/shakespeare>.) ), Join(Z, BGP(?kniha <http://eg.org/autor> <http://eg.org/marlowe>.) )) ) ) kniha cena ex:hamlet ex:tamburlaine ex:doctorfaustus ex:romeojulia "10.50"ˆˆxsd:decimal "17"ˆˆxsd:integer "12"ˆˆxsd:integer "9"ˆˆxsd:integer MI-SWE 2011 SPARQL sémantika 25

Příklad FILTER ((?cena < 15) Join( LeftJoin( Join(Z, BGP(?kniha <http://eg.org/cena>?cena.)), Join(Z, BGP(?kniha <http://eg.org/nazev?nazev.) ) true ), Union(Join(Z, BGP(?kniha <http://eg.org/autor> <http://eg.org/shakespeare>.) ), Join(Z, BGP(?kniha <http://eg.org/autor> <http://eg.org/marlowe>.) )) ) ) kniha ex:doctorfaustus nazev "The Tragical History of Doctor Faustus" MI-SWE 2011 SPARQL sémantika 26

Příklad FILTER ((?cena < 15) Join( LeftJoin( Join(Z, BGP(?kniha <http://eg.org/cena>?cena.)), Join(Z, BGP(?kniha <http://eg.org/nazev?nazev.) ) true ), Union(Join(Z, BGP(?kniha <http://eg.org/autor> <http://eg.org/shakespeare>.) ), Join(Z, BGP(?kniha <http://eg.org/autor> <http://eg.org/marlowe>.) )) ) ) ex:hamlet kniha cena nazev "10.50"ˆˆxsd:decimal ex:tamburlaine "17"ˆˆxsd:integer ex:doctorfaustus "12"ˆˆxsd:integer "The Tragical History..." ex:romeojulia "9"ˆˆxsd:integer MI-SWE 2011 SPARQL sémantika 27