凭借SpringBoot整合Neo4j，我理清了《雷神》中错综复杂的人物关系
看《雷神4》前，你需要了解的阿斯加德的人的爱恨情仇…我用springboot加图数据库的方式帮你梳理清楚！
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哈喽大家好啊，我是Hydra。
虽然距离中秋放假还要熬过漫长的两天，不过也有个好消息，今天是《雷神4》上线Disney+流媒体的日子（也就是说我们稍后就可以网盘见了）~
了解北欧神话的小伙伴们应该知道，它的神话体系可以用一个字来形容，那就是『乱』！就像是雷神3中下面这张错综复杂的关系网，也只能算是其中的一支半节。
而我们在上一篇文章中，介绍了关于知识图谱的一些基本理论知识，俗话说的好，光说不练假把式，今天我们就来看看，如何在springboot项目中，实现并呈现这张雷神中复杂的人物关系图谱。
本文将通过下面几个主要模块，构建自然界中实体间的联系，实现知识图谱描述：
- 图数据库neo4j安装
- 简单CQL入门
- springboot整合neo4j
- 文本SPO抽取
- 动态构建知识图谱
Neo4j安装
知识图谱的底层依赖于关键的图数据库，在这里我们选择Neo4j，它是一款高性能的 nosql 图形数据库，能够将结构化的数据存储在图而不是表中。
首先进行安装，打开官网下载Neo4j的安装包，下载免费的community社区版就可以，地址放在下面：
需要注意的是，neo4j 4.x以上的版本都需要依赖 jdk11环境，所以如果运行环境是jdk8的话，那么还是老老实实下载3.x版本就行，下载解压完成后，在bin目录下通过命令启动：
neo4j console
启动后在浏览器访问安装服务器的7474端口，就可以打开neo4j的控制台页面：
通过左侧的导航栏，我们依次可以查看存储的数据、一些基础查询的示例以及一些帮助说明。
而顶部带有$符号的输入框，可以用来输入neo4j特有的CQL查询语句并执行，具体的语法我们放在下面介绍。
简单CQL入门
就像我们平常使用关系型数据库中的SQL语句一样，neo4j中可以使用Cypher查询语言（CQL）进行图形数据库的查询，我们简单来看一下增删改查的用法。
添加节点
在CQL中，可以通过CREATE命令去创建一个节点，创建不含有属性节点的语法如下：
CREATE (<node-name>:<label-name>)
在CREATE语句中，包含两个基础元素，节点名称node-name和标签名称lable-name。标签名称相当于关系型数据库中的表名，而节点名称则代指这一条数据。
以下面的CREATE语句为例，就相当于在Person这张表中创建一条没有属性的空数据。
CREATE (索尔:Person)
而创建包含属性的节点时，可以在标签名称后面追加一个描绘属性的json字符串：
CREATE (
<node-name>:<label-name>
{
<key1>:<value1>,
…
<keyN>:<valueN>
}
)
用下面的语句创建一个包含属性的节点：
CREATE (洛基:Person {name:"洛基",title:"诡计之神"})
查询节点
在创建完节点后，我们就可以使用MATCH匹配命令查询已存在的节点及属性的数据，命令的格式如下：
MATCH (<node-name>:<label-name>)
通常，MATCH命令在后面配合RETURN、DELETE等命令使用，执行具体的返回或删除等操作。
执行下面的命令：
MATCH (p:Person) RETURN p
查看可视化的显示结果：
可以看到上面添加的两个节点，分别是不包含属性的空节点和包含属性的节点，并且所有节点会有一个默认生成的id作为唯一标识。
删除节点
接下来，我们删除之前创建的不包含属性的无用节点，上面提到过，需要使用MATCH配合DELETE进行删除。
MATCH (p:Person) WHERE id(p)=100
DELETE p
在这条删除语句中，额外使用了WHERE过滤条件，它与SQL中的WHERE非常相似，命令中通过节点的id进行了过滤。
删除完成后，再次执行查询操作，可以看到只保留了洛基这一个节点：
添加关联
在neo4j图数据库中，遵循属性图模型来存储和管理数据，也就是说我们可以维护节点之间的关系。
在上面，我们创建过一个节点，所以还需要再创建一个节点作为关系的两端：
CREATE (p:Person {name:"索尔",title:"雷神"})
创建关系的基本语法如下：
CREATE (<node-name1>:<label-name1>)
- [<relation-name>:<relation-label-name>]
-> (<node-name2>:<label-name2>)
当然，也可以利用已经存在的节点创建关系，下面我们借助MATCH先进行查询，再将结果进行关联，创建两个节点之间的关联关系：
MATCH (m:Person),(n:Person)
WHERE m.name='索尔' and n.name='洛基'
CREATE (m)-[r:BROTHER {relation:"无血缘兄弟"}]->(n)
RETURN r
添加完成后，可以通过关系查询符合条件的节点及关系：
MATCH (m:Person)-[re:BROTHER]->(n:Person)
RETURN m,re,n
可以看到两者之间已经添加了关联：
需要注意的是，如果节点被添加了关联关系后，单纯删除节点的话会报错，：
Neo.ClientError.Schema.ConstraintValidationFailed
Cannot delete node<85>, because it still has relationships. To delete this node, you must first delete its relationships.
这时，需要在删除节点时同时删除关联关系：
MATCH (m:Person)-[r:BROTHER]->(n:Person)
DELETE m,r
执行上面的语句，就会在删除节点的同时，删除它所包含的关联关系了。
那么，简单的cql语句入门到此为止，它已经基本能够满足我们的简单业务场景了，下面我们开始在springboot中整合neo4j。
SpringBoot整合Neo4j
创建一个springboot项目，这里使用的是2.3.4版本，引入neo4j的依赖坐标：
<dependency>
<groupId>org.springframework.boot</groupId>
<artifactId>spring-boot-starter-data-neo4j</artifactId>
</dependency>
在application.yml中配置neo4j连接信息：
spring:
data:
neo4j:
uri: bolt://127.0.0.1:7687
username: neo4j
password: 123456
大家如果对jpa的应用非常熟练的话，那么接下来的过程可以说是轻车熟路，因为它们基本上是一个模式，同样是构建model层、repository层，然后在此基础上操作自定义或模板方法就可以了。
节点实体
我们可以使用基于注解的实体映射来描述图中的节点，通过在实体类上添加@NodeEntity表明它是图中的一个节点实体，在属性上添加@Property代表它是节点中的具体属性。
@Data
@NodeEntity(label = "Person")
public class Node {
@Id
@GeneratedValue
private Long id;
@Property(name = "name")
private String name;
@Property(name = "title")
private String title;
}
这样一个实体类，就代表它创建的实例节点的<label-name>为Person，并且每个节点拥有name和title两个属性。
Repository持久层
对上面的实体构建持久层接口，继承Neo4jRepository接口，并在接口上添加@Repository注解即可。
@Repository
public interface NodeRepository extends Neo4jRepository<Node,Long> {
@Query("MATCH p=(n:Person) RETURN p")
List<Node> selectAll();
@Query("MATCH(p:Person{name:{name}}) return p")
Node findByName(String name);
}
在接口中添加了个两个方法，供后面测试使用，selectAll()用于返回全部数据，findByName()用于根据name查询特定的节点。
接下来，在service层中调用repository层的模板方法：
@Service
@AllArgsConstructor
public class NodeServiceImpl implements NodeService {
private final NodeRepository nodeRepository;
@Override
public Node save(Node node) {
Node save = nodeRepository.save(node);
return save;
}
}
前端调用save()接口，添加一个节点后，再到控制台用查询语句进行查询，可以看到新的节点已经通过接口方式被添加到了图中：
在service中再添加一个方法，用于查询全部节点，直接调用我们在NodeRepository中定义的selectAll()方法：
@Override
public List<Node> getAll() {
List<Node> nodes = nodeRepository.selectAll();
nodes.forEach(System.out::println);
return nodes;
}
在控制台打印了查询结果：
对节点的操作我们就介绍到这里，接下来开始构建节点间的关联关系。
关联关系
在neo4j中，关联关系其实也可以看做一种特殊的实体，所以可以用实体类来对其进行描述。与节点不同，需要在类上添加@RelationshipEntity注解，并通过@StartNode和@EndNode指定关联关系的开始和结束节点。
@Data
@RelationshipEntity(type = "Relation")
public class Relation {
@Id
@GeneratedValue
private Long id;
@StartNode
private Node startNode;
@EndNode
private Node endNode;
@Property
private String relation;
}
同样，接下来也为它创建一个持久层的接口：
@Repository
public interface RelationRepository extends Neo4jRepository<Relation,Long> {
@Query("MATCH p=(n:Person)-[r:Relation]->(m:Person) " +
"WHERE id(n)={startNode} and id(m)={endNode} and r.relation={relation}" +
"RETURN p")
List<Relation> findRelation(@Param("startNode") Node startNode,
@Param("endNode") Node endNode,
@Param("relation") String relation);
}
在接口中自定义了一个根据起始节点、结束节点以及关联内容查询关联关系的方法，我们会在后面用到。
创建关联
在service层中，创建提供一个根据节点名称构建关联关系的方法：
@Override
public void bind(String name1, String name2, String relationName) {
Node start = nodeRepository.findByName(name1);
Node end = nodeRepository.findByName(name2);
Relation relation =new Relation();
relation.setStartNode(start);
relation.setEndNode(end);
relation.setRelation(relationName);
relationRepository.save(relation);
}
通过接口调用这个方法，绑定海拉和索尔之间的关系后，查询结果：
文本SPO抽取
在项目中构建知识图谱时，很大一部分场景是基于非结构化的数据，而不是由我们手动输入确定图谱中的节点或关系。因此，我们需要基于文本进行知识抽取的能力，简单来说就是要在一段文本中抽取出SPO主谓宾三元组，来构成图谱中的点和边。
这里我们借助Git上一个现成的工具类，来进行文本的语义分析和SPO三元组的抽取工作，项目地址：
这个项目虽然比较简单一共就两个类两个资源文件，但其中的工具类却能够有效帮助我们完成句子中的主谓宾的提取，使用它前需要先引入依赖的坐标：
<dependency>
<groupId>com.hankcs</groupId>
<artifactId>hanlp</artifactId>
<version>portable-1.2.4</version>
</dependency>
<dependency>
<groupId>edu.stanford.nlp</groupId>
<artifactId>stanford-parser</artifactId>
<version>3.3.1</version>
</dependency>
然后把这个项目中com.hankcs.nlp.lex包下的两个类拷到我们的项目中，把resources下的models目录拷贝到我们的resources下。
完成上面的步骤后，调用MainPartExtractor工具类中的方法，进行一下简单的文本SPO抽取测试：
public void mpTest(){
String[] testCaseArray = {
"我一直很喜欢你",
"你被我喜欢",
"美丽又善良的你被卑微的我深深的喜欢着……",
"小米公司主要生产智能手机",
"他送给了我一份礼物",
"这类算法在有限的一段时间内终止",
"如果大海能够带走我的哀愁",
"天青色等烟雨，而我在等你",
"我昨天看见了一个非常可爱的小孩"
};
for (String testCase : testCaseArray) {
MainPart mp = MainPartExtractor.getMainPart(testCase);
System.out.printf("%s %s %s \n",
GraphUtil.getNodeValue(mp.getSubject()),
GraphUtil.getNodeValue(mp.getPredicate()),
GraphUtil.getNodeValue(mp.getObject()));
}
}
在处理结果MainPart中，比较重要的是其中的subject、predicate和object三个属性，它们的类型是TreeGraphNode，封装了句子的主谓宾语成分。下面我们看一下测试结果：
可以看到，如果句子中有明确的主谓宾语，那么则会进行抽取。如果某一项为空，则该项为null，其余句子结构也能够正常抽取。
动态构建知识图谱
在上面的基础上，我们就可以在项目中动态构建知识图谱了，新建一个TextAnalysisServiceImpl，其中实现两个关键方法。
首先是根据句子中抽取的主语或宾语在neo4j中创建节点的方法，这里根据节点的name判断是否为已存在的节点，如果存在则直接返回，不存在则添加：
private Node addNode(TreeGraphNode treeGraphNode){
String nodeName = GraphUtil.getNodeValue(treeGraphNode);
Node existNode = nodeRepository.findByName(nodeName);
if (Objects.nonNull(existNode))
return existNode;
Node node =new Node();
node.setName(nodeName);
return nodeRepository.save(node);
}
然后是核心方法，说白了也很简单，参数传进来一个句子作为文本先进行spo的抽取，对实体进行Node的保存，再查看是否已经存在同名的关系，如果不存在则创建关联关系，存在的话则不重复创建。下面是关键代码：
@Override
public List<Relation> parseAndBind(String sentence) {
MainPart mp = MainPartExtractor.getMainPart(sentence);
TreeGraphNode subject = mp.getSubject(); //主语
TreeGraphNode predicate = mp.getPredicate();//谓语
TreeGraphNode object = mp.getObject(); //宾语
if (Objects.isNull(subject) || Objects.isNull(object))
return null;
Node startNode = addNode(subject);
Node endNode = addNode(object);
String relationName = GraphUtil.getNodeValue(predicate);//关系词
List<Relation> oldRelation = relationRepository
.findRelation(startNode, endNode,relationName);
if (!oldRelation.isEmpty())
return oldRelation;
Relation botRelation=new Relation();
botRelation.setStartNode(startNode);
botRelation.setEndNode(endNode);
botRelation.setRelation(relationName);
Relation relation = relationRepository.save(botRelation);
return Arrays.asList(relation);
}
创建一个简单的controller接口，用于接收文本：
@GetMapping("parse")
public List<Relation> parse(String sentence) {
return textAnalysisService.parseAndBind(sentence);
}
接下来，我们从前端传入下面几个句子文本进行测试：
海拉又被称为死亡女神
死亡女神捏碎了雷神之锤
雷神之锤属于索尔
调用完成后，我们再来看看neo4j中的图形关系，可以看到海拉、死亡女神、索尔、锤这些实体被关联在了一起：
到这里，一个简单的文本处理和图谱创建的流程就被完整的串了起来，但是这个流程还是比较粗糙，之后还需要在下面几个方面继续优化：
- 当前使用的还是单一类型的节点和关联关系，后续可以在代码中丰富更多类型的节点和关联关系实体类
- 文中使用的文本spo抽取效果一般，如果应用于企业项目，那么建议基于更精确的nlp算法去做语义分析
- 当前抽取的节点只包含了实体的名称，不包含具体的属性，后续需要继续完善补充实体的属性
- 完善知识融合，主要是添加实体的指代消解以及属性的融合功能
总之，需要完善的部分还有不少，项目代码我也传到git上了，大家如果有兴趣可以看看，后续如果有时间的话我也会基于这个版本继续改进，公众号后台回复『neo』获取项目地址。
那么，这次的分享就到这里，我是Hydra，我们下篇再见。
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