neo4j存储数据-图数据库

1. 简介

本文主要介绍neo4j是如何将图数据保存在磁盘上的，采用的是什么存储方式。分析这种存储方式对进行图查询/遍历的影响。

2. 图数据库简介

生产环境中使用的图数据库主要有2种，分别是带标签的属性图（Labeled Property Graph）和资源描述框架RDF（Resource Description Framework），前者是工业标准，后者是W3C标准。本文主要基于前者进行讨论。

属性图由点（node/vertex）、边（replationship/edge）和属性（property）三者组成。可以为点设置不同标签（label/tag），边也可以分为很多种类型（type/label）。点和边可以有多个属性，属性以kv的方式表示。目前大部分图数据库的边都是带方向的。属性图模型如下图所示：

在上图中，绿色椭圆代表点，3个点的标签均为User；带箭头的直线表示有向边，箭头所指为边的终点，另一端为起点。边的类型为FOLLOWS。每个点都有2个属性，分别是id和name，类型均为String。

3. 图数据存储方式

将图数据存储存储到磁盘中的方法很多，常见的有按边切分和按点切分两种。

左图为按边切，顾名思义就是将边切成2段，分别跟起点和终点保存在一起，也就是说边的数据会保存2份。如下图中的JanusGraph数据为例。

将其按边切分，存入HBase中：

目前，大部分的在线图数据库（OLTP场景）均采用按边切的方式。除JanusGraph之外还包括Nebula Graph和HugeGraph等，只不过在具体的存储方案上有些差别。按点切分比较适用于离线图数据分析场景。

但本文聚焦的neo4j，却不是这么做的，他们称之为“原生图存储”（native graph storage）。下面就来重点分析下，所谓的原生图存储是怎么样的。首先贴一张neo4j数据目录下的文件列表：

图中已经细分出了元数据、标签、点、属性、关系、关系类型和schema等不同类别的文件。文件众多，为了方便解释，我们仅分析点、关系和属性这三类。neo4j的点、关系和属性分别保存在neostore.nodestore.db、neostore.relationshipstore.db和neostore.propertystore.db文件中，看起来跟前述的按边切分，边跟点存储在一起的存储方式不同，而且属性也是单独的文件。那么问题来了，将点、关系和属性全部打散分开存储，是基于什么考虑呢，这样性能好得了吗？这正是neo4j特殊之处。

4.neo4j存储的数据结构

在neo4j中，点、关系和属性等图的组成元素都是基于neo4j内部维护的ID进行访问的。而且可以认为这些元素的定长存储的。这样做的好处在于，知道了某点/关系/属性的ID，就能直接算出该ID在对应文件中的偏移位置，直接进行访问。也就是说在图的遍历过程中不需要基于索引扫描，直奔目的地即可。那么具体是怎么做到的呢？我们拿图最重要的骨架点和边来说明。在

neo4j-3.4.xx\community\kernel\src\main\java\org\neo4j\kernel\impl\store\format\standard

源码目录下我们能看到他们分别保存什么东西。

4.1 点

点结构为定长15B。
// in_use(byte)+next_rel_id(int)+next_prop_id(int)+labels(5)+extra(byte)
public static final int RECORD_SIZE = 15;

一个Byte存inUse+属性和关系id的高位信息

// [    ,   x] in use bit

// [    ,xxx ] higher bits for rel id

// [xxxx,    ] higher bits for prop id

一个Int存nextRel
一个Int存nextProp
一个Int存lsbLabels
一个Byte存hsbLabels，跟4组成5个B的label
最后一个Byte保留字段extra，存记录是否为dense，dense的意思是是否为一个supernode

仅保存该点的第一个关系的ID，用第一个B的三个位表示关系ID的高位，额外用一个Int保存关系ID的低位。就是说neo4j中关系ID用35位表示；
仅保存该点的第一个属性的ID，用第一个B的四个位表示点最后4个位表示属性ID的高位，额外用一个Int保存属性的地位。就是说neo4j中属性ID用36位表示；
用最后一个B的一个位表示该点是否为超级点，即有很多边的节点；

4.2 关系/边

边结构为定长34B。相比点，边的结构复杂很多。

// directed|in_use(byte)+first_node(int)+second_node(int)+rel_type(int)+

// first_prev_rel_id(int)+first_next_rel_id+second_prev_rel_id(int)+

// second_next_rel_id(int)+next_prop_id(int)+first-in-chain-markers(1)

public static final int RECORD_SIZE = 34;

一个Byte，存该关系记录是否在使用中，以及关系的起点和下一个属性的高位信息，如下所示：

// [    ,   x] in use flag

// [    ,xxx ] first node high order bits

// [xxxx,    ] next prop high order bits

一个Int存该关系的起点
一个Int存该关系的终点
一个Int存关系的类型，以及关系的终点、关系的起点的前一个和后一个关系、关系的终点的前一个和后一个关系的高位信息，如下所示：

// [ xxx,    ][    ,    ][    ,    ][    ,    ] second node high order bits,     0x70000000

// [    ,xxx ][    ,    ][    ,    ][    ,    ] first prev rel high order bits,  0xE000000

// [    ,   x][xx  ,    ][    ,    ][    ,    ] first next rel high order bits,  0x1C00000

// [    ,    ][  xx,x   ][    ,    ][    ,    ] second prev rel high order bits, 0x380000

// [    ,    ][    , xxx][    ,    ][    ,    ] second next rel high order bits, 0x70000

// [    ,    ][    ,    ][xxxx,xxxx][xxxx,xxxx] type

一个Int存该关系的起点的前一个关系
一个Int存该关系的起点的下一个关系
一个Int存该关系的终点的前一个关系
一个Int存该关系的终点的下一个关系
一个Int存该关系的第一个属性
一个Byte存该关系是不是起点和终点的第一个关系，如下所示：

// [    ,   x] 1:st in start node chain,  0x1

// [    ,  x ] 1:st in end node chain,   0x2

边保存了其对应的起点和终点的ID，可以看到点的ID跟边一样，也是35位；这算是最基本的字段；
除此之外，还保持了起点对应的前一个和后一个关系，终点对应的前一个和后一个关系。这看起来就有点特别了，也就是说，对一个点的所有边的遍历，不是由点而是由其边掌控的；
由于起点和终点的关系都保存了，所以无论从起点开始遍历还是从终点开始都能够顺利完成遍历操作；
与点一样，边也仅保存自身的第一个属性；
最后，分别有个标识位来说明该边是否为起点和终点的第一条边。

4.3 属性

属性结构为定长41B。但与点和边不同的是，属性的长度本身是不固定的，一个属性结构不一定能够保存得下，因此还有可能外链到动态存储块上（DynamicRecord），动态存储块又可分为动态数组或动态字符串，动态存储块在此不做详细介绍。

public static final int RECORD_SIZE = 1 /*next and prev high bits*/

            + 4/*next*/

            + 4/*prev*/

            + DEFAULT_PAYLOAD_SIZE /*property blocks*/;

            // = 41

一个Byte存辅助信息，即前后属性结构ID的高位信息
一个Int存前一个属性
一个Int存下一个属性
默认存4个属性块，每个块一个Long
这里进一步说下属性块的读取逻辑，首先会读取第一个属性块，判断是否被使用，若否，直接返回。若被使用，则获取本属性记录中用了多少个属性块（该信息存储在第一个属性块中）

PropertyType type = PropertyType.getPropertyTypeOrNull( block );//先判断块的类型

int numberOfBlocksUsed = type.calculateNumberOfBlocksUsed( block );

//然后调用该类型的重载函数获取占据多少个属性块

int additionalBlocks = numberOfBlocksUsed - 1;

while ( additionalBlocks-- > 0 )

{

    record.addLoadedBlock( cursor.getLong() )

}

//最后，读取剩余被使用的属性块

不同于neo4j相关书籍（O`Reilly的图数据库、Neo4J权威指南等）中说的属性对象使用单链表连接，目前属性对象也是采用双链表；
属性结构是否在使用中不是像点和边一样位于第一个位，而是在其中的属性块中。

5. 图规模

从上一节我们知道，neo4j使用35位保存点和边的ID，用36位保存属性ID。

2^35 = 34,359,738,368

2^36 = 68,719,476,7362

也就是说neo4j最大能够保存34B的点和边，68B个属性。更直观说就是340亿的点和边，680亿个属性。所以，从规模上，neo4j图数据库能够容纳足够大的图。

6. 图的构建

下面先通过一个简单的例子来展示neo4j中的图：

图中包括2个标签为Person的点：Node 1和Node 2，Node 1有2个属性，分别为name:bob，age:25；Node 2有1个属性name:Alice。bob喜欢Alice，通过LIKES这条边来表示。由于2个点仅存一条边，所以LIKES边的起点和终点的下一条边指针为空。
如果上图看得懂，那么下面再用一个复杂的例子一步步说明如何将一个属性图在neo4j中解构存储起来。属性图如下：

第一步，先把属性解构出来。图中的属性还是采用单链表，请忽略。
第二步，将点解构出来，建立点对象结构。每个点有个粉色箭头指向第一个属性，红色箭头指向第一条边；
边最为复杂，分为多步进行构建；首先是边对象结构建立起来；一共有上下左右中五条边。SP和SN表示起点的前一条和下一条边，EP和EN表示终点的前一条和下一条边。

先看左边。它的起点为左下点，是第一条边，所以SP为空。其终点左上点有3条边，按照顺时针排序，该边是左上边的最后一条边，所以EN为空；
再看上边。它是起点为左上点，是第一条边，也是终点-右上点的第一条边，所以SP和EP均为空；
接着看右边。它是起点-右下点的最后一条边，也是重点-右上点的最后一条边，所以SN和EN均为空；
继续看下边。它是起点-右下点的第一条边，所以SP为空。也是终点-左下点的最后一条边，所以EN为空；
最后看中边。它是最普通的边，既不是起点-左上点，也不是终点-右下点的第一条边或最后一条边，所以SP、EP、SN和EN均不为空。

接下来继续完善边对象结构的起点和终点指向。绿色的线是边指向点的，实心圆表示起点，箭头表示终点，很好理解。
最后完成补全剩余的非空SP、EP、SN和EN。看起来很乱，但我们可以理出来。

还是先看左边。它是起点-左下点的第一条边，左下点的第二条边为下边，即SN指向下边。它是终点-左上点的最后一条边（第三边），左上点的第二条边，也就是EP为中边；
再看上边。它是起点-左上点的第一条边，左上点的第二条边，也就是SN为中边。它的终点-右上点的第一条边，右上点的第二条边，也就是EN为右边；
接着看右边。它是右上和右下点的最后一条边。起点-右下点的前一条边，也就是SP为中边。终点-右上点的前一条边，也就是EP为上边；
继续看下边。它是起点-右下点的第一条边，起点的下一条边，也就是SN为中边。它是终点-左下点的最后一条边，终点的前一条边，也就是EP为左边；
最后，看看中边。4个ID均非空。它是起点-左上点的第二条边，起点第一条边，即SP为上边，起点第三条边，即SN为左边；它也是终点-右下点的第二条边，终点第一条边，即EP为下边，终点第三条边，即EN为右边。

至此，示例的属性图就在neo4j中构建完毕。

7. neo4j中图遍历

一个典型的图遍历操作，比如找一个人的3阶以内好友：需要从某个点出发，通过朋友关系来进行深度+广度查找。返回所有的结果。这里涉及到2个步骤，首先得找到这个点，然后才能进行图遍历。遍历开始时的找点和找边操作，需要通过索引来加速查找。关系型数据库是这样，图数据库也是这样。neo4j支持多种索引类型，包括基于lucene和基于btree的。索引文件在neo4j数据目录的index子目录中。上文的文件列表未表示。

我们以上面的例子来简单描述如何进行图遍历。

假设从Name为Alistair的节点出发，找出其所有认识的人（KNOWS）：

match (n:Person{name:'Alistair'})-[r:KNOWS]->(m:Person) return n.name;

首先基于索引找到该点ID。然后通过该ID计算点的存储偏移位置ID*15。从neostore.nodestore.db文件中读取NodeRecord对象；
从节点对象的nextRelId获取第一条边，即上边的ID，计算其存储偏移位置nextRelId*34，到neostore.relationshipstore.db文件读取RelationshipRecord对象；
从边的对象中获取relationshipType，判断是否为KNOWS类型；若是，进一步判断secondNode是否为其他节点，若是则保存该节点ID；
继续通过上边的SN字段获取下一条边，即中边的ID，重复2和3；
对于左上点来说，上边和中边是出边，左边是入边，所以，上边和中边指向的是认识的人。
获取两条边终点ID对应的节点的Name，返回客户端；

8. 免索引邻接

向上面这种，直接在点和边中保存相应点/边/属性的物理地址，直接进行寻址的遍历方法，免去了基于索引进行扫描查找的开销，实现从O(logn)到O(1)的性能提升。这种图处理方式就叫做免索引邻接。它不会随着图数据量的增加影响。仅跟遍历所涉及的数据集有关。

9. 总结

本文主要从neo4j的点、边和属性出发，介绍了各自在磁盘上的存储方式，并分析了如何将属性图构建成neo4j这种存储格式。最后通过案例说明什么是免索引邻接。由于篇幅有限，本文未就supernode、大字符串或数组类型的属性的优化和存储方式进行分析。感兴趣的同学可以私下交流。