RDF資料查詢語言SPARQL：初步
說明：本文件實質上是閱讀Jena Doc中SPARQL部分學習使用SPARQL的學習筆記，主要想和大家分享學習過程，瞭解如何在Windows XP中開始使用SPARQL，在命令列（command line）和Jena環境中執行簡單SPARQL查詢。
可以從http://jena.sourceforge.net免費獲得Jena的最新版本，可以從ARQ主頁http://jena.hpl.hp.com/~afs/ARQ/index.html下載最新的ARQ 發行包，從而在執行SPARQL查詢。當然，在梯隊網站的個人主頁上，這些資源也是可得的。
SPARQL是W3C的RDF資料工作組設計的一種查詢語言和協議，用於
在開始學習SPARQL之前，我的機器上已經安裝了JDK 5.0並在eclipse 3.2中可以使用Jena API。不知道SPARQL的命令列執行是不是需要Java環境，是不是需要Jena環境？當然，在Jena中使用SPARQL一定是需要Jena API的。我很想實驗一下，但是，解除安裝JDK還得裝，麻煩的狠，所以算了。如果誰沒有裝JDK，可以試一試，然後分享一下結論。
1.下載和配置SPARQL
在（http://jena.hpl.hp.com/~afs/ARQ/download.html
配置環境變數：滑鼠右鍵單擊【我的電腦】－【屬性】－【高階】－【環境變數】，在系統變數中找到CLASSPATH，將將解壓路徑中的lib資料夾路徑新增到CLASSPATH，對我的機器來說就是D:/Jena-2.5/ARQ-2.1-beta/lib；然後，在系統變數中找到PATH變數，將解壓路徑中的bat資料夾路徑新增到PATH變數，對我的機器來說就是D:/Jena-2.5/ARQ-2.1-beta/bat。
第一個CLASSPATH設定保證機器可以使用開發包中的
在一般的設定建議中，會讓建一個ARQROOT變數，其值為D:/Jena-2.5/ARQ-2.1-beta，這樣在隨後的設定中用ARQROOT代替D:/Jena-2.5/ARQ-2.1-beta，使得環境變數的配置不至於很麻煩。我覺得這只是一個替換作用，在JDK的配置中也有類似的建議，我沒有做，只是照搬完整路徑。建立ROOT變數的好處在於，以後需要再配置環境變數時，直接JAVAROOT/../就可以了，不用再去找JDK到底安裝在什麼目錄下。
如果上面的設定成功，那麼在命令列下執行sparql命令，會返回
No query string or query file
指示沒有查詢語句和查詢資料檔案。如果執行sparql –h（或者sparql –h，sparql –help，sparql –h）就會返回命令sparql的幫助資訊。
2.執行一個簡單的查詢
SPARQL查詢語句的執行格式是：
sparql --data=<file> --query=<query>
file是要查詢的資料來源，RDF檔案或者RDF圖檔案；query是查詢語句檔案，以.rq為檔案字尾。
2.1資料來源，一個RDF檔案，就是幫助文件中的vc-db-1.rdf，文件描述了一些簡單的人名資訊，下面是類似三元組形式的資料表示。
@prefix vCard:<http://www.w3.org/2001/vcard-rdf/3.0#> .
@prefix rdf:<http://www.w3.org/1999/02/22-rdf-syntax-ns#> .
@prefix :<#> .
<http://somewhere/MattJones/>
vCard:FN"Matt Jones" ;
vCard:N[ vCard:Family
"Jones" ;
vCard:Given
"Matthew"
] .
<http://somewhere/RebeccaSmith/>
vCard:FN"Becky Smith" ;
vCard:N[ vCard:Family
"Smith" ;
vCard:Given
"Rebecca"
] .
<http://somewhere/JohnSmith/>
vCard:FN"John Smith" ;
vCard:N[ vCard:Family
"Smith" ;
vCard:Given
"John"
] .
<http://somewhere/SarahJones/>
vCard:FN"Sarah Jones" ;
vCard:N[ vCard:Family
"Jones" ;
vCard:Given
"Sarah"
] .
2.2查詢語句q1.rq，記事本建立一個檔案，內容如下，檔案儲存為q1.rq。注意檔案字尾是.rq，不是.txt。
SELECT ?x
WHERE { ?x<http://www.w3.org/2001/vcard-rdf/3.0#FN>"John Smith" }
2.3那麼使用上面的查詢語句查詢vc-db-1.rdf檔案中的資料的命令列語句就是
sparql --data=vc-db-1.rdf --query=q1.rq
返回結果是：
---------------------------------
| x|
=================================
| <http://somewhere/JohnSmith/> |
---------------------------------
在執行上面的查詢時，要保證資料檔案和查詢檔案在當前目錄下，否則命令中應該包括完整路徑，即：
sparql --data=d:/sparql/vc-db-1.rdf --query=d:/sparql/q1.rq
2.4對查詢語句和查詢結果的理解
查詢語句包括查詢資訊的名稱以及名稱應該符合的條件。條件子句以三元組形式出現，按照<主語，謂語，賓語>的順序排列。查詢條件也成為一個模式（Pattern）。查詢的結果實際就是條件三元組與資料檔案（或RDF圖）中RDF三元組匹配的結果。
語句中的？加一個字母表示該字母是一個變數，比如 ?x，在SELECT後面的變數會顯示在查詢結果中，作為列名稱出現。
實際上，做到這一步之後，所有的事情只是修改模式，給模式新增一些條件了，非常簡單。
3.名稱空間的簡寫替代
如果查詢所有具有名字的例項以及該例項的名字，那麼查詢語句如下
SELECT ?x ?fname
WHERE {?x<http://www.w3.org/2001/vcard-rdf/3.0#FN>?fname}
注意，“?x ?fname”之間是空格，不是逗號。如果有多個模式三元組，那麼三元組之間用點號“.”隔開，比如
SELECT ?givenName
WHERE
{ ?y<http://www.w3.org/2001/vcard-rdf/3.0#Family>"Smith" .
?y<http://www.w3.org/2001/vcard-rdf/3.0#Given>?givenName .
}
這時候，模式中的謂詞的URI都帶一個長長的名稱空間字串，“http://www.w3.org/2001/vcard-rdf/3.0#”，能用一個簡單的單詞代替它應該會比較簡單。實現簡寫URI的的語法是這樣的：
PREFIX vcard:http://www.w3.org/2001/vcard-rdf/3.0#
SELECT ?givenName
WHERE
{ ?y vcard:Family "Smith" .
?y vcard:Given?givenName .
}
語句PREFIX vcard:http://www.w3.org/2001/vcard-rdf/3.0#定義了一個字首單詞vcard，在查詢語句中，它與後面的名稱空間等價。
4.過濾查詢結果
在查詢語句中新增過濾條件的語句是
FILTER regex(?x, "pattern" [, "flags"])
FILTER是宣告過濾， ?x是過濾模式作用的變數，後面的pattern是具體的限制條件，比如
PREFIX vcard: <http://www.w3.org/2001/vcard-rdf/3.0#>
SELECT ?g
WHERE
{ ?y vcard:Given ?g .
FILTER regex(?g, "r", "i") }
這是要查詢一些名字（Given Name），”r”表示，名字中必須出現的字母”r”或者”R”；”i”表示，對簽名的字母限制，對大小寫並不敏感。若是要對大小寫敏感，則去掉這個限制即可，即FILTER regex(?g, "r")。
上面查詢的結果是
-------------
| g|
=============
| "Rebecca" |
| "Sarah"|
-------------
對數值限制的一個例子是：
PREFIX info <http://somewhere/peopleInfo#>
SELECT ?resource
WHERE { ?resource info:age ?age .
FILTER (?age >= 24)}
注意，在RDF檔案vc-db-1.rdf中並沒有包括年齡age資訊，這裡要查詢vc-db-2.rdf檔案，即
sparql --data=vc-db-2.rdf --query=q-f2.rq
查詢結果是：
---------------------------------
| resource|
=================================
| <http://somewhere/JohnSmith/> |
---------------------------------
5.可選的查詢資訊optional information
5.1 簡單的可選資訊
在一些查詢中，一些需要返回的資料可能不存在，而這些不存在的資料所在的資料元素中有其他需要返回的資訊，這時候就可以通過可選查詢資訊進行查詢，比如：
PREFIX info:<http://somewhere/peopleInfo#>
PREFIX vcard:<http://www.w3.org/2001/vcard-rdf/3.0#>
SELECT ?name ?age
WHERE {
?person vcard:FN?name .
OPTIONAL { ?person info:age ?age }
}
這是要查詢一些名字和年齡，但有些人沒有年齡資訊，也要返回名字。
於是，OPTIONAL表示，模式 { ?person info:age ?age }是可選的，不是必須滿足的。這個查詢的執行語句是
sparql --data=vc-db-2.rdf --query=q-opt1.rq
查詢結果是
------------------------
| name| age |
=======================
| "Becky Smith" | 23|
| "Sarah Jones" ||
| "John Smith"| 25|
| "Matt Jones"||
-----------------------
如果去點關鍵字OPTIONAL，那麼，查詢的結果就是
-----------------------
| name| age |
=======================
| "Becky Smith" | 23|
| "John Smith"| 25|
-----------------------
有些人沒有年齡資訊，那麼，這些人的名字也不會被作為查詢結果返回。
5.2 對可選模式新增過濾條件
PREFIX info:<http://somewhere/peopleInfo#>
PREFIX vcard:<http://www.w3.org/2001/vcard-rdf/3.0#>
SELECT ?name ?age
WHERE {
?person vcard:FN?name .
OPTIONAL { ?person info:age ?age . FILTER ( ?age > 24 ) }
}
這樣返回的資訊是
-----------------------
| name| age |
=======================
| "Becky Smith" ||
| "Sarah Jones" ||
| "John Smith"| 25|
| "Matt Jones"||
-----------------------
有些人沒有年齡資訊（"Sarah Jones"和"Matt Jones" ），有些人的年齡小於24（"Becky Smith"），他們的名字資訊也會出現在查詢結果中。下面的查詢要求，如果有年齡資訊，那麼年齡必須大於24，否則不是期望的查詢結果。
PREFIX info:<http://somewhere/peopleInfo#>
PREFIX vcard:<http://www.w3.org/2001/vcard-rdf/3.0#>
SELECT ?name ?age
WHERE {
?person vcard:FN?name .
OPTIONAL { ?person info:age ?age . }
FILTER ( !bound(?age) || ?age > 24 )
}
語句 !bound(?age) || ?age > 24的意思是，沒有（未繫結）age或者age大於24。如此，年齡小於24的"Becky Smith"就不會出現在這個查詢的結果中了。
-----------------------
| name| age |
=======================
| "Sarah Jones" ||
| "John Smith"| 25|
| "Matt Jones"||
-----------------------
6.聯合查詢
vCard詞彙表和FOAF詞彙表都可以表示人的資訊，比如vCard中的 vCard:FN, FOAF中的 foaf:name.這一節介紹在一個RDF圖同時用vCard:FN和 foaf:name表示人的資訊時，如何查詢相關資料。
注：vCard是電子商務中卡的一種檔案格式標準，一般與郵件資訊關聯。FOAF（http://xmlns.com/foaf/0.1/）是一種RDF的應用，所列網址有它的規範。
6.1 一個RDF圖檔案，vc-db-3.ttl，檔案的的內容為
@prefix foaf: <http://xmlns.com/foaf/0.1/> .
@prefix vcard: <http://www.w3.org/2001/vcard-rdf/3.0#> .
_:a foaf:name"Matt Jones" .
_:b foaf:name"Sarah Jones" .
_:c vcard:FN"Becky Smith" .
_:d vcard:FN"John Smith" .
它只是分別用foaf:name和vcard:FN描述了四個人名，這一節的查詢將針對此檔案。
6.2 查詢人名資訊
PREFIX foaf: <http://xmlns.com/foaf/0.1/>
PREFIX vCard: <http://www.w3.org/2001/vcard-rdf/3.0#>
SELECT ?name
WHERE{
{ [] foaf:name ?name } UNION { [] vCard:FN ?name }
}
查詢結果是
-----------------
| name|
=================
| "Matt Jones"|
| "Sarah Jones" |
| "Becky Smith" |
| "John Smith"|
-----------------
一個等價的查詢語句是
PREFIX foaf: <http://xmlns.com/foaf/0.1/>
PREFIX vCard: <http://www.w3.org/2001/vcard-rdf/3.0#>
SELECT ?name
WHERE{
[] ?p ?name
FILTER ( ?p = foaf:name || ?p = vCard:FN ) }
6.3 記錄結果的來源，查詢語句和結果分別是
PREFIX foaf: <http://xmlns.com/foaf/0.1/>
PREFIX vCard: <http://www.w3.org/2001/vcard-rdf/3.0#>
SELECT ?name1 ?name2
WHERE{
{ [] foaf:name ?name1 } UNION { [] vCard:FN ?name2 }
}
---------------------------------
| name1| name2|
=================================
| "Matt Jones"||
| "Sarah Jones" ||
|| "Becky Smith" |
|| "John Smith"|
---------------------------------
6.4 同時使用OPTIONAL和UNION
查詢語句是
PREFIX foaf: <http://xmlns.com/foaf/0.1/>
PREFIX vCard: <http://www.w3.org/2001/vcard-rdf/3.0#>
SELECT ?name1 ?name2
WHERE{
?x a foaf:Person
OPTIONAL { ?xfoaf:name?name1 }
OPTIONAL { ?xvCard:FN?name2 }
}
查詢結果是：
---------------------------------
| name1| name2|
=================================
| "Matt Jones"||
| "Sarah Jones" ||
|| "Becky Smith" |
|| "John Smith"|
---------------------------------
7. 查詢命名的圖
圖是一個RDF資料集，不是一個完整的RDF檔案。現在有三個圖
Default graph (ds-dft.ttl):
@prefix dc: <http://purl.org/dc/elements/1.1/> .
@prefix xsd: <http://www.w3.org/2001/XMLSchema#> .
<ds-ng-1.ttl> dc:date "2005-07-14T03:18:56+0100"^^xsd:dateTime .
<ds-ng-2.ttl> dc:date "2005-09-22T05:53:05+0100"^^xsd:dateTime .
Named graph (ds-ng-1.ttl):
@prefix dc: <http://purl.org/dc/elements/1.1/> .
[] dc:title "Harry Potter and the Philospher's Stone" .
[] dc:title "Harry Potter and the Chamber of Secrets" .
Named graph (ds-ng-2.ttl):
@prefix dc: <http://purl.org/dc/elements/1.1/> .
[] dc:title "Harry Potter and the Sorcerer's Stone" .
[] dc:title "Harry Potter and the Chamber of Secrets" .
7.1 查詢語句是
PREFIX xsd: <http://www.w3.org/2001/XMLSchema#>
PREFIX dc: <http://purl.org/dc/elements/1.1/>
PREFIX : <.>
SELECT *{ ?s ?p ?o }
對圖的查詢是（PREFIX : <.>是為了格式化輸出？？？），
sparql --graph=ds-dft.ttl –namedgraph=ds-ng-1.ttl –namedgraph=ds-ng-2.ttl --query=q-ds-1.rq
查詢結果是
----------------------------------------------------------------------
| s| p| o|
======================================================================
| :ds-ng-2.ttl | dc:date | "2005-09-22T05:53:05+01:00"^^xsd:dateTime |
| :ds-ng-1.ttl | dc:date | "2005-07-14T03:18:56+01:00"^^xsd:dateTime |
|--------------------------------------------------------------------|
7.2 查詢指定圖
PREFIX dc: <http://purl.org/dc/elements/1.1/>
PREFIX : <.>
SELECT ?title{
GRAPH :ds-ng-2.ttl
{ ?b dc:title ?title }}
查詢結果
---------------------------------------------
| title|
=============================================
| "Harry Potter and the Sorcerer's Stone"|
| "Harry Potter and the Chamber of Secrets" |
--------------------------------------------
8. SPARQL查詢結果集
四種形式的結果
¨SELECT – 返回一個表（table），Tutorial裡介紹的主要是這種查詢
¨CONSTRUCT – 返回一個RDF圖
¨DESCRIBE – 返回一個RDF圖.
¨ASK – 布林查詢
結果調整
¨Projection 投影- keep only selected variables 只保持選擇的變數
¨OFFSET/LIMIT 偏移和限制 - chop the number solutions (best used with ORDER BY) 分解數字結果
¨ORDER BY 排序- sorted results（同資料型別類的結果？？？）
¨DISTINCT - yield only one row for one combination of variables and values.
9. 在Jena中使用SPARQL
在我的機器上，eclipse已經可以執行使用Jena API的Java程式。這樣就可以直接編寫SPARQL查詢程式。一個簡單查詢的全部程式碼如下：
import java.io.*;
import com.hp.hpl.jena.query.Query;
import com.hp.hpl.jena.ontology.OntModel;
import com.hp.hpl.jena.ontology.OntModelSpec;
import com.hp.hpl.jena.query.QueryExecution;
import com.hp.hpl.jena.query.QueryExecutionFactory;
import com.hp.hpl.jena.query.QueryFactory;
import com.hp.hpl.jena.query.ResultSet;
import com.hp.hpl.jena.query.ResultSetFormatter;
import com.hp.hpl.jena.rdf.model.ModelFactory;
publicclass OntoQuery{
publicstaticvoid main(String[] args) throws IOException{
//建立一個本體模型，這裡使用的是前一段時間設計的IIPO本體，附帶例項。
OntModel model = ModelFactory.createOntologyModel(OntModelSpec.OWL_MEM);
model.read("file:./IIPO.v1.1.with_individuals.owl");
//建立一個查詢語句
String queryString = "SELECT ?teacher ?student" +
" WHERE " +
"{ ?teacher <http://www.owl-ontologies.com/IIPO.owl#direct> ?student}";
//建立一個查詢
Query query = QueryFactory.create(queryString);
//執行查詢，獲得結果
QueryExecution qe = QueryExecutionFactory.create(query, model);
ResultSet results = qe.execSelect();
//向控制檯輸出結果s
ResultSetFormatter.out(System.out, results, query);
//釋放資源
qe.close();
} // the end of main.
} // the end.
返回的結果是：
------------------------------------------------------------------------------------------------------
| teacher| student|
|====================================================================================================|