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Modellazione di un database Neo4J per le dipendenze delle crates del linguaggio Rust

Neo4j

Studiare e provare un esempio di applicazione reale di Neo4j, scegliendone uno:

• tra le seguenti sandbox disponibili alla pagina https://neo4j.com/sandbox/:
  • WWC2019
  • OpenStreetMaps
• tra gli esempi illustrati nelle guide https://neo4j.com/developer/example-data/#guide-examples:
  • UKCompanies
  • Recipes
• tra quelli disponibili alla pagina https://neo4j.com/graphgists/

Quindi, partendo dallo use case scelto, descrivere lo scenario, i dati ed eventualmente le tecniche non viste a lezione esposte nello use case.

Crearne e descriverne poi una propria versione “estesa” lavorando a uno o più dei seguenti aspetti:

• modificare/migliorare il grafo, ad es. sostituendo i dati o aggiungendone di nuovi (es. importandoli / adattandoli da altre sorgenti esterne), modificando/arricchendo lo schema (es. aggiungendo nuovi archi o tipi di archi, property, ecc. a supporto di particolari interrogazioni);
• creare nuove interrogazioni e/o operazioni di modifica di varia complessità nell’ambito dello scenario ispirandosi agli argomenti visti a lezione e agli esercizi proposti nello usecase (opzionalmente: lavorando con codice Python);
• studiare e creare i migliori indici per alcune delle operazioni previste;
• ...

È anche possibile proporre un proprio use case creato da zero.

Sinossi

Si è realizzato un database a grafo Neo4J che rappresenta l'indice pubblico Crates.io delle crates (librerie) del linguaggio di programmazione Rust, le loro categorie, i loro tag, i loro autori, le loro versioni e le loro dipendenze.

Introduzione

Rust è un linguaggio di programmazione compilato che negli ultimi anni sta acquisendo popolarità grazie alle funzionalità innovative di cui è dotato, che facilitano la scrittura di codice corretto e parallelizzabile.

I progetti in Rust sono organizzati in crate, unità indivisibili di compilazione, in modo simile ai package di altri linguaggi di programmazione.

Quando pronte per l'utilizzo, le crates vengono generalmente caricate su Crates.io, repository ufficiale per librerie e eseguibili del linguaggio, che le indicizza e ne permette il download.

Nel workflow standard, le crate sono gestite da Cargo, strumento a linea di comando in grado di recuperare le crates necessarie alla compilazione del progetto corrente e di organizzarne i metadati, contenuti all'interno del file Cargo.toml della directory del progetto, di cui si fornisce il seguente esempio:

[package]
name = "distributed_arcade"
version = "0.3.0"
authors = ["Stefano Pigozzi <me@steffo.eu>"]
edition = "2021"
description = "Fast and simple scoreboard service for games"
repository = "https://github.com/Steffo99/distributed-arcade"
license = "AGPL-3.0-or-later"
keywords = ["game", "scoreboard", "redis", "axum", "web-api"]
categories = ["games"]

[dependencies]
redis = { version = "0.22.1", features=["r2d2", "ahash", "cluster", "tokio-comp", "connection-manager"] }
axum = { version = "0.5.17" }
tokio = { version = "1.21.2", features=["full"] }
r2d2 = { version = "0.8.10" }
lazy_static = { version = "1.4.0" }
serde = { version = "1.0.147", features=["derive"] }
serde_json = { version = "1.0.87" }
log = { version = "0.4.17" }
pretty_env_logger = { version = "0.4.0" }
rand = { version = "0.8.5" }
regex = { version = "1.7.0" }
async-trait = { version = "0.1.58" }
tower-http = { version = "0.3.4", features=["cors"] }

Come si può vedere dall'esempio, tra i metadati di una crate gestita da Cargo, possiamo trovare:

• name: il nome della crate
• version: la versione semantica attuale della crate
• authors: nome e email degli autori della crate
• description: una breve descrizione in linguaggio naturale dei contenuti della crate
• repository: un link al repository Git contenente il sorgente della crate
• license: l'identificatore SPDX della licenza utilizzata
• keywords: fino a 5 termini liberamente scelti dagli autori per rendere più facile trovare la crate nell'indice
• categories: fino a 5 categorie dall'elenco delle categorie previste
• dependencies: nomi, range di versioni e funzionalità delle crate richieste dalla corrente per la compilazione

Quando una nuova versione di una crate viene caricata su Crates.io, i metadati relativi alla crate come description e repository vengono sovrascritti con quelli più recenti, mentre i metadati specifici alla versione come dependencies vengono salvati assieme nella versione specifica.

Lo scopo di questo progetto è di indicizzare questi metadati in un database Neo4J per poi effettuarvi alcune analisi, sfruttando gli open data resi disponibili da Crates.io come sorgenti di dati.

Struttura del progetto

Il progetto è organizzato nelle seguenti directory:

• README.md: questo stesso file
• data/cratesio/: dove vanno inseriti gli open data pubblicati da Crates.io
• data/neo4j/: home del DBMS Neo4J da utilizzare
• scripts/: contiene script Bash per l'esecuzione rapida di alcune operazioni sul database Neo4J
• scripts/import-cratesio/: contiene query Cypher che vengono eseguite per l'importazione dei file di Crates.io

Prerequisiti

Scelta del database

È possibile scegliere di utilizzare un DBMS Neo4J generico, oppure di utilizzarne uno gestito da Neo4J Desktop.

Questo progetto si aspetta che la NEO4J_HOME del DBMS scelto si trovi nella cartella data/neo4j/.

Neo4J Desktop

Utilizzare Neo4J Desktop permette fra le varie cose di utilizzare Neo4J Bloom, applicazione che permette di esplorare il database grafo interattivamente, ed è quindi l'opzione consigliata.

Per utilizzare un database Neo4J Desktop, è possibile seguire seguiti i seguenti passi:

1. Si inizializzi il DBMS su Neo4J Desktop.

2. Si determini dove la home del DBMS inizializzato è collocata selezionandolo, cliccando l'opzione Altro ···, e selezionando Open Folder → DBMS.

3. Si crei un collegamento simbolico tra la home del DBMS e la posizione data/neo4j/:

   $ ./scripts/create-neo4j-desktop-link "/home/$USER/.config/Neo4j Desktop/Application/relate-data/dbmss/dbms-$neo4j_uuid/"
   

   #!/usr/bin/env bash
   repo=$(git rev-parse --show-toplevel)
   unlink "$repo/data/neo4j"
   ln -s "$1" "$repo/data/neo4j"
   

Database generico

Per utilizzare un database generico, è possibile seguire i seguenti passi:

1. Si inizializzi il DBMS e lo si esegua:

   $ ./scripts/run-db.sh
   

   #!/usr/bin/env bash
   repo=$(git rev-parse --show-toplevel)
   export NEO4J_HOME="$repo/data/neo4j"
   neo4j console
   

2. Mentre il DBMS è in esecuzione, se ne cambi la password predefinita per ottenere accesso a tutte le funzionalità:

   $ ./scripts/alter-default-password.sh
   

APOC

Gli open data di Crates.io formattano le date con stringhe in formato "2023-02-10 07:50:14.995689" che la funzione datetime non è in grado di leggere.

Pertanto, per processarle correttamente, si è scelto di includere la libreria [APOC] per Neo4J, che include la funzione apoc.date.parse con supporto a formati arbitrari per le date.

Essa può essere abilitata su Neo4J Desktop dalla scheda Plugins del database, oppure attraverso lo script scripts/setup-apoc.sh.

Heap size incrementata

Alcune query utilizzate in questo progetto superano il massimo di memoria utilizzabile per l'heap da Neo4J, impostato di default a 2 GB.

Per aumentarlo a 6 GB, è necessario aprire il file data/neo4j/conf/neo4j.conf e modificare nel seguente modo le proprietà:

server.memory.heap.initial_size=6g
server.memory.heap.max_size=6g

Realizzazione

Download dei dati

Si è scaricato il dump giornaliero del database di Crates.io del giorno 19 Febbraio 2023, e lo si è estratto nella directory data/cratesio/2023-02-19-020031/.

Esso contiene tutti i dati disponibili sotto forma di file comma-separated-values all'interno della directory data/cratesio/2023-02-19-020031/data/.

Ripulitura dei dati

I file csv scaricati non sono immediatamente utilizzabili in Neo4J:

• non effettuano correttamente escaping dei backslash presenti all'interno delle stringhe
• devono trovarsi nella directory data/neo4j/import

Entrambi i problemi vengono risolti dal seguente script, che corregge l'escaping e piazza la copia corretta in data/neo4j/import:

$ ./scripts/fixup-data-files.sh

#!/usr/bin/env bash

repo=$(git rev-parse --show-toplevel)
cwd=$(pwd)
data_files=$(ls $repo/data/cratesio/*/data/*.csv)

cd "$repo"

for file in $data_files; do
    echo "Fixing data file $file..."
    basefilename=$(basename $file)
    sed --expression='s=\\=\\\\=g' $file > "$repo/data/neo4j/import/$basefilename"
done

cd "$cwd"

Importazione dei dati

I file csv ripuliti vengono poi importati nel database Neo4J attraverso una serie di istruzioni Cypher collocate in ./scripts/import-cratesio, divise in gruppi per tipo di entità importate.

Possono essere eseguite in gruppo o una alla volta con lo script scripts/import-cratesio.sh:

• una alla volta:

  $ ./scripts/import-cratesio.sh $NUMERO-
  

• tutte insieme, in ordine:

  $ ./scripts/import-cratesio.sh
  

Lo script esegue le seguenti istruzioni:

#!/usr/bin/env bash
set -e

export NEO4J_USERNAME="neo4j"
export NEO4J_PASSWORD="unimore-big-data-analytics-4"

repo=$(git rev-parse --show-toplevel)
cwd=$(pwd)
import_scripts=$(echo $repo/scripts/import-cratesio/$1*.cypher | sort)

cd "$repo"

for file in $import_scripts; do
    echo "Executing $file..."
    cypher-shell --fail-at-end --format verbose < $file
done

cd "$cwd"

1 - Creazione dei nodi :Crate

Si creano nel grafo nodi aventi il label :Crate, importando i dati delle singole crate contenuti all'interno del file crates.csv.

Proprietà

I nodi :Crate avranno le seguenti proprietà:

• id: l'id univoco della crate su Crates.io
• name: nome univoco con il quale la crate è stata uploadata su Crates.io
• created_at: data del primo upload su Crates.io ("data di creazione")
• updated_at: data dell'ultimo upload su Crates.io ("data di aggiornamento")
• max_upload_size: dimensione della crate massima uploadabile
• downloads: numero di download totale

Le seguenti proprietà saranno ugualmente definite, ma potrebbero acquisire un valore di null qualora non fossero specificate nei metadati delle crate:

• description: breve descrizione della crate
• readme: lunga descrizione multilinea della crate
• documentation: link alla documentazione della crate
• homepage: link alla homepage della crate
• repository: link al repository del codice sorgente della crate

Indici

Per determinare gli indici da creare, si immaginano alcune semplici interrogazioni che potrebbero essere effettuate sull'insieme dei nodi :Crate, e si creano indici in grado di risolverle:

• ricerca per id o in un intervallo: si crea un indice RANGE sul campo id.

  CREATE RANGE INDEX index_crate_id IF NOT EXISTS
  FOR (crate:Crate)
  ON (crate.id);
  

• ricerca di crate con un numero minimo di download: si crea un indice RANGE sul campo downloads.

  CREATE RANGE INDEX index_crate_downloads IF NOT EXISTS
  FOR (crate:Crate)
  ON (crate.downloads);
  

• ricerca di crate create o aggiornate prima o dopo una certa data: si creano due indici RANGE, uno sul campo created_at, l'altro sul campo updated_at.

  CREATE RANGE INDEX index_crate_created_at IF NOT EXISTS
  FOR (crate:Crate)
  ON (crate.created_at);
  
  CREATE RANGE INDEX index_crate_updated_at IF NOT EXISTS
  FOR (crate:Crate)
  ON (crate.updated_at);
  

• ricerca di crate con un nome, prefisso o suffisso specifico: si crea un indice TEXT sul campo name.

  CREATE TEXT INDEX index_crate_name IF NOT EXISTS
  FOR (crate:Crate)
  ON (crate.name);
  

Query

Si scrive una query per l'importazione di dati da file CSV.

Si utilizza l'istruzione LOAD CSV WITH HEADERS, che legge il file CSV dato dalla cartella $NEO4J_HOME/import e trasforma ogni riga in un oggetto avente come chiavi i titoli delle colonne definite nella prima riga.

LOAD CSV WITH HEADERS FROM "file:///crates.csv" AS line FIELDTERMINATOR ","

Essendo il file molto lungo, Neo4J accumula tutti i nodi da creare in una singola transazione, richiedendo al sistema operativo di dedicargli sempre più memoria RAM.

Per evitare che la memoria si esaurisca e che Neo4J venga terminato, si utilizza l'istruzione CALL {} IN TRANSACTIONS OF N ROWS, che applica la transazione ogni N righe del file CSV processate.

CALL {
    ...
} IN TRANSACTIONS OF 10000 ROWS

Infine, si inserisce come argomento di CALL la seguente query, che può funzionare sia per inizializzare il database, sia per aggiornarlo con gli ultimi dati:

1. Prova a vedere se esiste già un nodo :Crate con il dato id.
2. Se non esiste, lo crea.
3. Al nodo, esistente o non, vengono impostate le restanti proprietà, lette dal CSV e convertite nel tipo di Neo4J che le rappresenta più accuratamente.

WITH line
MERGE (crate:Crate { id: toInteger(line.id) })
SET 
    crate.created_at = apoc.date.parse(line.created_at, "ms", "yyyy-MM-dd HH:mm:ss"),
    crate.updated_at = apoc.date.parse(line.updated_at, "ms", "yyyy-MM-dd HH:mm:ss"),
    crate.max_upload_size = toInteger(line.max_upload_size),
    crate.downloads = toInteger(line.downloads),
    crate.description = CASE trim(line.description) 
        WHEN "" 
            THEN null 
        ELSE 
            line.description 
        END,
    crate.documentation = CASE trim(line.documentation) 
        WHEN "" 
            THEN null 
        ELSE 
            line.documentation 
        END,
    crate.homepage = CASE trim(line.homepage) 
        WHEN "" 
            THEN null 
        ELSE 
            line.homepage 
        END,
    crate.name = CASE trim(line.name) 
        WHEN "" 
            THEN null 
        ELSE 
            line.name 
        END,
    crate.readme = CASE trim(line.readme) 
        WHEN "" 
            THEN null 
        ELSE 
            line.readme 
        END,
    crate.repository = CASE trim(line.repository) 
        WHEN "" 
            THEN null 
        ELSE 
            line.repository 
        END

2 - Creazione dei nodi :Keyword

Come menzionato in precedenza, ciascuna crate può specificare fino a 5 keyword al fine di essere trovata più facilmente nell'indice di Crates.io.

Si identificano queste keyword come nodi, a cui si assegna il label :Keyword.

Si ripete la stessa procedura di prima per creare un nodo :Keyword per ciascuna keyword esistente nel file keywords.csv.

Proprietà

I nodi :Keyword avranno come proprietà:

• id: l'id univoco della keyword su Crates.io
• name: il nome della keyword
• creation_date: la data in cui la keyword è comparsa per la prima volta su Crates.io

Indici

Si ripete la stessa procedura di prima per creare alcuni indici relativi ai nodi :Keyword.

Query e indici identificati sono:

• ricerca per id: si crea un indice RANGE sul campo id.

  CREATE RANGE INDEX index_keyword_id IF NOT EXISTS
  FOR (keyword:Keyword)
  ON (keyword.id);
  

• ricerca per nome: si crea un indice TEXT sul campo name.

  CREATE TEXT INDEX index_keyword_name IF NOT EXISTS
  FOR (keyword:Keyword)
  ON (keyword.name);
  

Query

Come prima, si crea una query per inizializzazione o aggiornamento, che, per ogni riga del file keywords.csv, applica il seguente algoritmo:

1. Prova a vedere se esiste già un nodo :Keyword con il dato id.
2. Se non esiste, lo crea.
3. Al nodo, esistente o non, vengono impostate le restanti proprietà, lette dal CSV e convertite nel tipo di Neo4J che le rappresenta più accuratamente.

LOAD CSV WITH HEADERS FROM "file:///keywords.csv" AS line FIELDTERMINATOR ","
MERGE (keyword:Keyword { id: toInteger(line.id) })
SET 
    keyword.created_at = apoc.date.parse(line.created_at, "ms", "yyyy-MM-dd HH:mm:ss"),
    keyword.name = line.keyword;

3 - Creazione delle relazioni :IS_TAGGED_WITH

Il file crates_keywords.csv associa crate alle loro keyword specificando un'associazione tra id di una crate e id di una keyword in ogni riga.

Si costruisce a partire da esso la relazione :IS_TAGGED_WITH, diretta dalla :Crate alla :Keyword.

Query

Quando viene caricata su Crates.io una nuova versione di una crate, le sue keywords possono essere cambiate.

Per permettere alla query di funzionare sia per l'inizializzazione del grafo, sia per il suo aggiornamento, si effettuano due passi:

1. Tutte le relazioni :IS_TAGGED_WITH sono rimosse.

   MATCH (:Crate)-[relation:IS_TAGGED_WITH]->(:Keyword)
   DELETE relation;
   

2. Il file crates_keywords.csv viene aperto, e per ciascuna riga viene creata una nuova relazione :IS_TAGGED_WITH.

   LOAD CSV WITH HEADERS FROM "file:///crates_keywords.csv" AS line FIELDTERMINATOR ","
   MATCH 
       (crate:Crate {id: toInteger(line.crate_id)}),
       (keyword:Keyword {id: toInteger(line.keyword_id)})
   CREATE (crate)-[:IS_TAGGED_WITH]->(keyword);
   

4 - Creazione dei nodi :Category

Oltre alle keyword, ciascuna crate può scegliere di appartenere a fino a cinque categorie di un thesaurus gerarchico definito dagli amministratori di Crates.io.

Il file categories.csv contiene tutte le categorie esistenti al momento dell'esportazione dei dati da Crates.io.

Si identificano le categorie come nodi aventi il label :Category, la cui gerarchia è rappresentata da relazioni :CONTAINS.

Struttura

I nodi :Category avranno le seguenti proprietà, importate dal file CSV:

• id: identificatore univoco della categoria;
• name: nome breve in inglese della categoria;
• slug: nome breve url-encoded della categoria, mostrato nell'indirizzo web;
• path: percorso di identificatori separati da punti che determina dove si trova la categoria nella gerarchia;
• created_at: data di creazione della categoria.

Per facilitare la navigazione del grafo, si aggiunge inoltre la seguente proprietà:

• leaf: l'ultimo identificatore del path.

Indici

Si ipotizzano le seguenti query e indici per i nodi :Category:

• ricerca per id: si crea un indice RANGE sul campo id.

  CREATE RANGE INDEX index_category_id IF NOT EXISTS
  FOR (category:Category)
  ON (category.id);
  

• ricerca per nome: si crea un indice TEXT sul campo name.

  CREATE TEXT INDEX index_category_name IF NOT EXISTS
  FOR (category:Category)
  ON (category.name);
  

• ricerca per slug: si crea un indice TEXT sul campo slug.

  CREATE TEXT INDEX index_category_slug IF NOT EXISTS
  FOR (category:Category)
  ON (category.slug);
  

• ricerca per leaf: si crea un indice TEXT sul campo leaf.

  CREATE TEXT INDEX index_category_leaf IF NOT EXISTS
  FOR (category:Category)
  ON (category.leaf);
  

Query

Essendo le categorie variabili, proprio come le keywords, per permettere l'aggiornamento del database con nuovi dati, inizialmente si eliminano tutti i nodi :Category, per poi ricrearli successivamente.

MATCH (category:Category)
DETACH DELETE category;

Ci si è accorti che all'interno del file CSV il nodo "root" (origine) della gerarchia è assente, quindi lo si crea prima di procedere con l'importazione vera e propria dei dati:

CREATE (
    :Category {
        name: "Root",
        created_at: datetime(),
        description: "Root category. Does not contain any category by itself.",
        id: 0,
        path: "root",
        slug: "root"
    }
);

Si usa in seguito LOAD CSV WITH HEADERS per creare nodi :Category dal file categories.csv, lasciando non specificato il campo leaf:

LOAD CSV WITH HEADERS FROM "file:///categories.csv" AS line
CREATE (
    :Category {
        name: line.category,
        created_at: apoc.date.parse(line.created_at, "ms", "yyyy-MM-dd HH:mm:ss"),
        description: line.description,
        id: toInteger(line.id),
        path: line.path,
        slug: line.slug
    }
);

Per ciascun nodo :Category, si prende poi il campo path e lo si divide in un array di stringhe alle occorrenze del carattere ".", utilizzando successivamente la sintassi [-1] per accedere all'ultimo elemento, che viene impostato come valore del campo leaf:

MATCH (c:Category)
WITH c, split(c.path, ".") AS path
SET c.leaf = path[-1];

Ancora, si effettua una seconda scansione su tutti i nodi :Category, splittando di nuovo il path, ma stavolta prendendo il penultimo ([-2]) elemento dell'array per determinare il nodo :Category superiore nella gerarchia e poi creando una relazione :CONTAINS tra i due nodi:

MATCH (c:Category)
WITH c, split(c.path, ".") AS path
MATCH (d:Category {leaf: path[-2]})
CREATE (d)-[:CONTAINS]->(c);

5 - Creazione delle relazioni :CONTAINS

Il file crates_categories.csv, esattamente come crates_keywords.csv, contiene una coppia di id per riga, uno di una :Crate e uno di una :Category.

Si effettua quindi lo stesso esatto procedimento per creare relazioni :CONTAINS da :Category a :Crate.

MATCH (:Category)-[relation:CONTAINS]->(:Crate)
DELETE relation;

LOAD CSV WITH HEADERS FROM "file:///crates_categories.csv" AS line FIELDTERMINATOR ","
MATCH 
    (crate:Crate {id: toInteger(line.crate_id)}),
    (category:Category {id: toInteger(line.category_id)})
CREATE (category)-[:CONTAINS]->(crate);

6 - Creazione dei nodi :User

Crates.io richiede di effettuare il login con account GitHub a tutti coloro che desiderano uploadare una crate.

Al primo login, viene creata un'entità nel database di Crates.io, che riassume i dettagli dell'account GitHub e gli associa un id interno.

Si è deciso di inserire nel grafo gli utenti come nodi aventi il label :User.

Proprietà

Si definiscono le seguenti proprietà per i nodi :User:

• id: L'id univoco interno assegnato da Crates.io
• gh_id: L'id univoco esterno di GitHub
• avatar: L'avatar dell'utente su GitHub
• name: L'username dell'utente su GitHub
• full_name: Nome e cognome dell'utente su GitHub

Indici

Si ipotizzano le seguenti query per nodi :User e i relativi indici:

• ricerca per id di Crates.io: si crea un indice RANGE sul campo id.

  CREATE RANGE INDEX index_user_id IF NOT EXISTS
  FOR (user:User)
  ON (user.id);
  

• ricerca per id di GitHub: si crea un indice RANGE sul campo gh_id.

  CREATE RANGE INDEX index_user_ghid IF NOT EXISTS
  FOR (user:User)
  ON (user.gh_id);
  

• ricerca per username di GitHub: si crea un indice TEXT sul campo name.

  CREATE TEXT INDEX index_user_name IF NOT EXISTS
  FOR (user:User)
  ON (user.name);
  

• ricerca per nome proprio, cognome, o parti di essi: si crea un indice TEXT sul campo full_name.

  CREATE TEXT INDEX index_user_fullname IF NOT EXISTS
  FOR (user:User)
  ON (user.full_name);
  

Query

Si realizza una query che effettua il merge degli utenti importati in base al loro id, e poi ne aggiorna i dati:

LOAD CSV WITH HEADERS FROM "file:///users.csv" AS line FIELDTERMINATOR ","
MERGE (user:User { id: toInteger(line.id) })
SET 
    user.avatar = line.gh_avatar,
    user.gh_id = toInteger(line.gh_id),
    user.name = line.gh_login,
    user.full_name = line.name;

7 - Creazione delle relazioni :OWNS

L'utente che carica per la prima volta una crate con un dato nome ne è detto il proprietario.

Egli, in qualsiasi momento, può aggiungere altri proprietari dall'interfaccia web di Crates.io.

I proprietari di una crate sono gli unici utenti che possono caricarne nuove versioni.

Si identifica la proprietà come una relazione tra :Crate e :User etichettata :OWNS.

Le relazioni di proprietà, assieme ad alcune informazioni ad esse collegate, sono contenute nel file crate_owners.csv del dataset.

Proprietà

Si associano le seguenti proprietà alle relazioni :OWNS:

• created_at: data in cui l'utente è stato aggiunto come proprietario alla crate
• created_by: id di Crates.io dell'utente che ha aggiunto l'utente come proprietario
• owner_kind: sconosciuto, è presente nel dataset ma per ora è sempre impostato a 1

Query

Essendo le relazioni di proprietà variabili (un proprietario "secondario" potrebbe essere rimosso dal proprietario "originale"), tutte le relazioni :OWNS già esistenti vengono prima eliminate e poi ricreate con i dati aggiornati.

MATCH (:User)-[owns:OWNS]->(:Crate)
DELETE owns;

LOAD CSV WITH HEADERS FROM "file:///crate_owners.csv" AS line FIELDTERMINATOR ","
MATCH (crate:Crate { id: toInteger(line.crate_id) })
MATCH (owner:User { id: toInteger(line.owner_id) })
CREATE (owner)-[ownership:OWNS {
    created_at: apoc.date.parse(line.created_at, "ms", "yyyy-MM-dd HH:mm:ss"),
    created_by: toInteger(line.created_by),
    owner_kind: toInteger(line.owner_kind)
}]->(crate);

8 - Creazione dei nodi :Version e delle relazioni :HAS_VERSION e :PUBLISHED

Ogni upload di una crate a Crates.io contiene una stringa nel formato X.Y.Z detta versione, che, assieme al nome della crate, determina una tupla in grado di identificarlo.

Il dataset contiene informazioni sulle versioni nel file versions.csv.

Si decide di rappresentare le versioni attraverso nodi etichettati :Version, le crate a cui si riferiscono con relazioni (:Crate)-[:HAS_VERSION]->(:Version), e gli utenti che le hanno pubblicate con relazioni (:User)-[:PUBLISHED]->(:Version).

Proprietà

Si definiscono le seguenti proprietà per i nodi :Version:

• id: identificatore numerico incrementale assegnato da Crates.io
• name: nome semantico della versione, come v1.2.3
• checksum: hash SHA1 del commit che aggiunge la versione all'indice
• size: dimensione in bytes della versione
• created_at: data di upload della versione
• downloads: numero di download della versione
• license: stringa SPDX rappresentante le licenze open source sotto cui la versione è resa disponibile
• features: blob JSON contenente metadati sui tag assegnati alle dipendenze opzionali della crate, detti "feature"
• links: blob JSON di collegamenti aggiuntivi specificati nei metadati della crate
• is_yanked: se il download della versione è stato sconsigliato da un proprietario

Non si definiscono invece proprietà per le relazioni :HAS_VERSION e :PUBLISHED.

Indici

Query ipotetiche e indici creati per nodi :Version sono:

• ricerca per checksum: si crea un indice LOOKUP sul campo checksum.

  CREATE LOOKUP INDEX index_version_checksum IF NOT EXISTS
  FOR (version:Version)
  ON (version.checksum);
  

• ricerca di versioni più grandi o più piccole di un certo numero di bytes: si crea un indice RANGE sul campo size.

  CREATE RANGE INDEX index_version_size IF NOT EXISTS
  FOR (version:Version)
  ON (version.size);
  

• ricerca di versioni rilasciate prima, durante, o dopo una certa data: si crea un indice RANGE sul campo created_at.

  CREATE RANGE INDEX index_version_created_at IF NOT EXISTS
  FOR (version:Version)
  ON (version.created_at);
  

• ricerca di versioni con almeno un certo numero di download: si crea un indice RANGE sul campo downloads.

  CREATE RANGE INDEX index_version_downloads IF NOT EXISTS
  FOR (version:Version)
  ON (version.downloads);
  

• ricerca per id: si crea un indice RANGE sul campo id.

  CREATE RANGE INDEX index_version_id IF NOT EXISTS
  FOR (version:Version)
  ON (version.id);
  

• ricerca per versione o range di versioni: si crea un indice TEXT sul campo name, in quanto esso permette la ricerca di prefissi, suffissi, e sottostringhe, che riassumono efficientemente buona parte delle query effettuabili sul campo

  CREATE TEXT INDEX index_version_name IF NOT EXISTS
  FOR (version:Version)
  ON (version.name);
  

Query

Essendo le versioni di una crate immutabili, si utilizza lo stesso procedimento utilizzato per i nodi :Crate per inizializzazione e aggiornamento del database, ovvero di effettuare un MERGE sull'id e di impostare sul nodo trovato o creato le varie proprietà aggiornate.

Nella stessa query si individua la crate a cui appartiene la versione, e si crea una relazione HAS_VERSION tra i due nodi; allo stesso modo, si individua l'utente che ha pubblicato la versione, e si crea con esso una relazione :PUBLISHED.

LOAD CSV WITH HEADERS FROM "file:///versions.csv" AS line FIELDTERMINATOR ","
CALL {
    WITH line
    MERGE (version:Version { id: toInteger(line.id) } )
    SET 
        version.checksum = line.checksum,
        version.size = toInteger(line.crate_size),
        version.created_at = apoc.date.parse(line.created_at, "ms", "yyyy-MM-dd HH:mm:ss"),
        version.downloads = toInteger(line.downloads),
        version.license = line.license,
        version.features = line.features,
        version.links = line.links,
        version.name = line.num,
        version.is_yanked = CASE line.yanked
            WHEN "t"
                THEN true
            ELSE
                false
            END
    WITH line, version
    MATCH (crate:Crate { id: toInteger(line.crate_id) })
    MERGE (crate)-[:HAS_VERSION]->(version)
    WITH line, version
    MATCH (user:User { id: toInteger(line.published_by) })
    MERGE (user)-[:PUBLISHED]->(version)
} IN TRANSACTIONS OF 10000 ROWS;

9 - Creazione delle relazioni :DEPENDS_ON

Ciascuna versione di una crate deve specificare quali altre versioni di crate richiede per una corretta compilazione.

Le versioni necessarie sono specificate come un range di versioni accettabili di una data crate in forma di stringa, e sono dette dipendenze della versione specificante, contenute nel file dependencies.csv del dataset.

Alcuni esempi delle precedenti stringhe sono:

[dependencies]
rand = "*"  # Qualsiasi versione della crate rand è accettabile
serde = "^1.0.0"  # Qualsiasi versione della crate serde tra 1.0.0 (inclusa) e 2.0.0 (esclusa) è accettabile
quote = "~1.0.0"  # Qualsiasi versione della crate quote tra 1.0.0 (inclusa) e 1.1.0 (esclusa) è accettabile
itoa = "=1.0.0"  # Solo la versione 1.0.0 della crate itoa è accettabile

Si decide di rappresentare le dipendenze come relazioni etichettate come :DEPENDS_ON.

Proprietà

Si stabiliscono le seguenti proprietà per le relazioni di dipendenza:

• id: id univoco che identifica la relazione
• requirement: stringa determinante il range di versioni accettabili
• target: le piattaforme di compilazione (x86, arm, riscv) in cui è richiesta la dipendenza
• is_optional: se la dipendenza è facoltativa, ovvero se si può usare la crate senza di essa (ma con funzionalità ridotte)
• is_default: se la dipendenza è facoltativa, ma viene installata di default se non viene esclusa esplicitamente
• features: blob JSON riguardo le feature di cui la dipendenza fa parte
• explicit_name: se presente, il nome a cui deve essere rinominata la dipendenza durante la compilazione della crate

Indici

Si ipotizzano le seguenti query e si creano i relativi indici per processarle:

• ricerca per id: si crea un indice RANGE sul campo id.

  CREATE RANGE INDEX index_dependency_id IF NOT EXISTS
  FOR ()-[dependency:DEPENDS_ON]->()
  ON (dependency.id);
  

• ricerca per versione o range di versioni: si crea un indice TEXT sul campo requirement, con lo stesso scopo dell'indice per la ricerca per nome semantico dei nodi :Version.

  CREATE TEXT INDEX index_dependency_requirement IF NOT EXISTS
  FOR ()-[dependency:DEPENDS_ON]->()
  ON (dependency.requirement);
  

• ricerca per nome esplicito: si crea un indice TEXT sul campo explicit_name.

  CREATE TEXT INDEX index_dependency_explicit_name IF NOT EXISTS
  FOR ()-[dependency:DEPENDS_ON]->()
  ON (dependency.explicit_name);
  

Query

LOAD CSV WITH HEADERS FROM "file:///dependencies.csv" AS line FIELDTERMINATOR ","
CALL {
    WITH line
    MATCH 
        (version:Version { id: toInteger(line.version_id) }),
        (requirement:Crate { id: toInteger(line.crate_id) })
    MERGE (version)-[dependency:DEPENDS_ON]->(requirement)
    SET
        dependency.id = line.id,
        dependency.is_optional = CASE line.optional
            WHEN "t"
                THEN true
            ELSE
                false
            END,
        dependency.is_default = CASE line.default_features
            WHEN "t"
                THEN true
            ELSE
                false
            END,
        dependency.explicit_name = line.explicit_name,
        dependency.features = line.features,
        dependency.requirement = line.req,
        dependency.target = line.target
} IN TRANSACTIONS OF 10000 ROWS;

Alcune interrogazioni interessanti

Per dimostrare le possibilità offerte dal grafo, si presentano alcune query effettuabili ritenute particolarmente interessanti.

Le risposte incluse si riferiscono al dataset del 19 Febbraio 2023, non allegato a questa relazione per motivi di dimensioni.

Numero totale di crate

"Quante crate sono state uploadate a Crates.io, in totale?"

Si propone la seguente query, che conta il numero di nodi :Crate, per rispondere alla domanda:

MATCH (crate:Crate)
RETURN count(crate);

105287

Numero totale di download di tutte le crate su tutte le versioni

"Quante versioni di crate sono state scaricate su Crates.io?"

Si propone la seguente query, che somma i valori del campo download di tutti i nodi :Version, per rispondere alla domanda:

MATCH (version:Version)
RETURN sum(version.downloads);

27475924849

Albero delle categorie

"Come è organizzata la gerarchia di categorie di Crates.io?"

Si propone la seguente query, che recupera tutti i nodi :Category e le loro relazioni :CONTAINS, per rispondere alla domanda:

MATCH (supercategory:Category)-[conts:CONTAINS*]->(category:Category)
RETURN supercategory, conts, category;

Informazioni relative a una specifica crate

"Voglio sapere tutto il possibile sulla crate rand."

Si propone la seguente query, che recupera il singolo nodo :Crate avente "rand" come name, per rispondere alla domanda:

MATCH (crate:Crate {name: "rand"})
RETURN crate;

In alternativa, si propone la seguente query, che recupera la :Crate rand e tutti i nodi a cui essa si connette direttamente, e le connessioni:

MATCH (crate:Crate {name: "rand"})-[rel]->(other)
RETURN crate, rel, other;

Dipendenze di serde il cui nome contiene a loro volta con serde

"Esistono delle crate, che dipendono direttamente dalla crate serde, che hanno a loro volta serde nel nome?

(Potrebbero essere ad esempio delle estensioni di qualche tipo.)

Si propone la seguente query, che trova tutte le versioni che dipendono da serde e poi recupera la crate a cui appartengono, per verificare:

MATCH (dependency:Crate)-[vr:HAS_VERSION]->(version:Version)-[dr:DEPENDS_ON]->(serde:Crate {name: "serde"})
WHERE dependency.name CONTAINS "serde"
RETURN dependency, vr, version, dr, serde;

Crate dipendenti da loro stesse

"Esistono delle crate che dipendono da loro stesse?"

Si propone la seguente query, con funzionamento molto simile alla precedente, per verificare:

MATCH (a:Crate)-[rhv:HAS_VERSION]->(v:Version)-[rdo:DEPENDS_ON]->(b:Crate)
WHERE a = b
RETURN a, rhv, v, rdo, b
ORDER BY v.downloads DESC;

(Approfondendo la ricerca, si è scoperto che è una tecnica usata per migliorare la compatibilità delle crate!)

Le crate di un utente e tutti i loro dettagli

"Quali crate ha rilasciato l'utente Steffo99, e come sono collegate tra loro?

Si propone la seguente query, che recupera tutte le informazioni interessanti riguardo l'utente specificato, per rispondere alla domanda:

MATCH (user:User {name: "Steffo99"})-[owns:OWNS]->(crate:Crate)
MATCH (crate:Crate)-[is_tagged_with:IS_TAGGED_WITH]->(keyword:Keyword)
MATCH (crate:Crate)-[has_version:HAS_VERSION]->(version:Version)
MATCH (crate:Crate)<-[contains:CONTAINS]-(category:Category)
MATCH (category:Category)<-[supercontains:CONTAINS]-(supercategory:Category)
RETURN user, owns, crate, is_tagged_with, keyword, has_version, version, contains, category, supercontains, supercategory;