Tour d'horizon des fonctionnalités de SHACL

### 1) `SHACL` c'est quoi ?

- __*SHA*__**pes _C_onstraint _L_anguage**

- Spécification du W3C pour **valider des graphes RDF** avec un ensemble de conditions / contraintes

_"Shackle"_: https://en.wiktionary.org/wiki/shackle

<div style="width: 150px;font-size: 0.3em;text-align: center;margin:auto;">
  <img src="img/SHACKLE-PRODUCT-IMAGE.png" class="no-box" style="width: 120px;margin: 0;">
  <p style="margin: auto;"><em>Source : <a href="http://www.mantusanchors.com/product/shackles/">http://www.mantusanchors.com/product/shackles/</a></em></p>
</div>
</div>

---

#### `SHACL` c'est quoi ?

- Inspiré par SPIN, IBM's Resource Shapes et un peu par ShEx

- Un **vocabulaire RDF** `<http://www.w3.org/ns/shacl#>`

- Un **mécanisme d'extension** notamment basé sur SPARQL

---

#### `SHACL` - Éléments essentiels

- Les conditions / contraintes sont représentées par leur _graphe de formes_ (__*shapes graph*__)

- Le graphe de formes contient l'ensemble des formes à utiliser

- Les graphes RDF à valider sont appelés les _graphes de données_  (__*data graphs*__)

- Hypothèse de monde fermé

---

#### `SHACL` - Éléments essentiels

- _**Focus node**_: Un terme RDF qui est validé selon une forme (*shape*) en utilisant les triplets du graphe de données

- Deux types de **formes** :

* __Node shapes__: shapes about the focus node

* __Property shapes__: shapes about the values of a property or path for the focus node

---

### Key classes in the SHACL vocabulary

<div class="diagram-container" style="margin-left: 100px;">
		<div class="diagram-class" style="margin-left: 200px">
				<div class="diagram-class-name"><a href="https://www.w3.org/TR/shacl/#shapes">sh:Shape</a></div>
				<div class="diagram-class-properties">
						<div class="diagram-class-properties-start">
								<div><a href="https://www.w3.org/TR/shacl/#targetClass">sh:targetClass</a> : rdfs:Class</div>
								<div><a href="https://www.w3.org/TR/shacl/#targetNode">sh:targetNode</a> : any IRI or literal</div>
								<div><a href="https://www.w3.org/TR/shacl/#targetObjectsOf">sh:targetObjectsOf</a> : rdf:Property</div>
								<div><a href="https://www.w3.org/TR/shacl/#targetSubjectsOf">sh:targetSubjectsOf</a> : rdf:Property</div>
						</div>
						<div class="diagram-class-properties-section">
								<div><a href="https://www.w3.org/TR/shacl/#deactivated">sh:deactivated</a> : xsd:boolean</div>
								<div><a href="https://www.w3.org/TR/shacl/#message">sh:message</a> : xsd:string or rdf:langString</div>
								<div><a href="https://www.w3.org/TR/shacl/#severity">sh:severity</a> : sh:Severity</div>
						</div>
				</div>
		</div>
		<div style="height: 60px; margin-left: 260px">
				<img alt="Class Diagram Arrows" class="no-box" style="position: absolute; left: 369px; top: 274px;" src="img/Class-Diagram-Arrows.png">
				<span style="font-size: 0.9em; position: absolute;left: 315px;top: 313px;">rdfs:subclassOf</span>
				<span style="font-size: 0.9em; position: absolute;left: 584px;top: 313px;">rdfs:subclassOf</span>
		</div>
		<div style="white-space: nowrap; min-width: 1000px">
				<div class="diagram-class" style="float: left; margin-right: 60px;">
						<div class="diagram-class-name"><a href="https://www.w3.org/TR/shacl/#node-shapes">sh:NodeShape</a></div>
						<div class="diagram-class-properties">
								<div class="diagram-class-properties-start">
										<div><b><a href="https://www.w3.org/TR/shacl/#constraints">Constraint parameters</a></b>, for example:</div>
										<div><a href="https://www.w3.org/TR/shacl/#ClosedConstraintComponent">sh:closed</a> : xsd:boolean</div>
										<div><a href="https://www.w3.org/TR/shacl/#OrConstraintComponent">sh:or</a> : rdf:List</div>
										<div><a href="https://www.w3.org/TR/shacl/#NotConstraintComponent">sh:not</a> : sh:Shape</div>
										<div><a href="https://www.w3.org/TR/shacl/#PropertyConstraintComponent">sh:property</a> : sh:PropertyShape</div>
								</div>
						</div>
				</div>
				<div class="diagram-class" style="float: left;">
						<div class="diagram-class-name"><a href="https://www.w3.org/TR/shacl/#property-shapes">sh:PropertyShape</a></div>
						<div class="diagram-class-properties">
								<div class="diagram-class-properties-start">
										<div><b><a href="https://www.w3.org/TR/shacl/#constraints">Constraint parameters</a></b>, for example:</div>
										<div><a href="https://www.w3.org/TR/shacl/#MinCountConstraintComponent">sh:minCount</a>, <a href="https://www.w3.org/TR/shacl/#MaxCountConstraintComponent">sh:maxCount</a> : xsd:integer</div>
										<div><a href="https://www.w3.org/TR/shacl/#ClassConstraintComponent">sh:class</a> or <a href="https://www.w3.org/TR/shacl/#DatatypeConstraintComponent">sh:datatype</a> : rdfs:Resource</div>
										<div><a href="https://www.w3.org/TR/shacl/#NodeConstraintComponent">sh:node</a> : sh:NodeShape</div>
								</div>
								<div class="diagram-class-properties-section">
										<div><a href="https://www.w3.org/TR/shacl/#name">sh:name</a> : xsd:string or rdf:langString</div>
										<div><a href="https://www.w3.org/TR/shacl/#description">sh:description</a> : xsd:string or rdf:langString</div>
										<div><a href="https://www.w3.org/TR/shacl/#defaultValue">sh:defaultValue</a> : any</div>
										<div><a href="https://www.w3.org/TR/shacl/#group">sh:group</a> : sh:PropertyGroup</div>
								</div>
								<div class="diagram-class-properties-section">
										<div><a href="https://www.w3.org/TR/shacl/#property-shapes">sh:path</a> : rdfs:Resource</div>
								</div>
						</div>
				</div>
				<div style="clear: both"></div>
		</div>
	</div>
	<div style="font-size: 0.45em;text-align:center;margin-top: 60px;">
		<span><em>Repris depuis <a href="https://www.w3.org/TR/shacl/#constraints-section">https://www.w3.org/TR/shacl/#constraints-section</a></em></span>
	</div>

#### *String-based*

| Contrainte            | Description        |
|------------------|--------------------|
| `minLenght`  | Longueur *minimale* de la chaine de caractères |
| `maxLength`  | Longueur *maximale* de la chaine de caractères |
| `pattern`  | Une expression régulière à laquelle la valeur du noeud doit correspondre |
| `languageIn`  | Limite les tags de langage autorisés pour un noeud |
| `uniqueLang`  | Aucune paire de noeuds ne peut utiliser le même tag de langage |

<br>

#### Exemple

```
ex:BookShape3
    a sh:NodeShape ;
    sh:targetClass ex:Book ;
    sh:property [
        sh:path ex:title ;
        sh:minCount 1 ;
        sh:uniqueLang true ;
    ] ;
    sh:property [
        sh:path ex:isbn ;
        sh:pattern "^(?:\\d[\\ |-]?){13}$" ;
        sh:maxCount 1 ;
    ] .
```

---

**Valide :**

```
ex:AliceInWonderland a ex:Book ;
	ex:isbn "9781409311232" ;
	ex:title "Alice in Wonderland"@en .
```

<br><br>
**Invalides :**

```
ex:AliceInWonderland a ex:Book ;
	ex:isbn "9781409311232" ;
	ex:isbn "9780721409672" .
```

```
ex:AliceInWonderland a ex:Book ;
	ex:title "Alice in Wonderland"@en ;
	ex:title "OtherTitleSameLang"@en .
```

#### Exemple complet

**Shapes graph**

```
@prefix rdf:  <http://www.w3.org/1999/02/22-rdf-syntax-ns#> .
@prefix rdfs: <http://www.w3.org/2000/01/rdf-schema#> .
@prefix xsd:  <http://www.w3.org/2001/XMLSchema#> .
@prefix sh:   <http://www.w3.org/ns/shacl#> .
@prefix ex: <http://example.com/ns#> .

ex:BookShape
    a sh:NodeShape ;
    sh:targetClass ex:Book ;
    sh:property [
        sh:path ex:title ;
        sh:minCount 1 ;
        sh:uniqueLang true ;
    ] ;
    sh:property [
        sh:path ex:author ;
        sh:nodeKind sh:IRIOrLiteral ;
        sh:minCount 1 ;
    ] ;
    sh:property [
        sh:path ex:datePublished ;
        sh:datatype xsd:date ;
    ] ;
    sh:property [
        sh:path ex:isbn ;
        sh:pattern "^(?:\\d[\\ |-]?){13}$" ;
        sh:maxCount 1 ;
    ] .
```

---

**Data graph**

```
@prefix rdf: <http://www.w3.org/1999/02/22-rdf-syntax-ns#> .
@prefix rdfs: <http://www.w3.org/2000/01/rdf-schema#> .
@prefix xsd: <http://www.w3.org/2001/XMLSchema#> .
@prefix ex: <http://example.com/ns#> .

ex:AliceInWonderland
	a ex:Book ;
	ex:title "Alice in Wonderland" ;
	ex:isbn "9780721409672" ;
	ex:author "Carol Lewis".

ex:MyBook
	a ex:Book;
	ex:title "Mon super livre" ;
	ex:title "Ma vie, mon oeuvre" ;
	ex:datePublished "Not published yet !" .
```

---

**Validation report**

```
@prefix ex:    <http://example.com/ns#> .
@prefix rdf:   <http://www.w3.org/1999/02/22-rdf-syntax-ns#> .
@prefix owl:   <http://www.w3.org/2002/07/owl#> .
@prefix xsd:   <http://www.w3.org/2001/XMLSchema#> .
@prefix rdfs:  <http://www.w3.org/2000/01/rdf-schema#> .
@prefix sh:   <http://www.w3.org/ns/shacl#> .

[
	a sh:ValidationReport ;
	sh:conforms false ;
	sh:result
		[
			a sh:ValidationResult ;
			sh:focusNode ex:MyBook ;
			sh:resultMessage "Property needs to have at least 1 values, but found 0" ;
			sh:resultPath ex:author ;
			sh:resultSeverity sh:Violation ;
			sh:sourceConstraintComponent sh:MinCountConstraintComponent ;
			sh:sourceShape []
		] ;
	sh:result
		[
			a sh:ValidationResult ;
			sh:focusNode ex:MyBook ;
			sh:resultMessage "Value must be a valid literal of type date" ;
			sh:resultPath ex:datePublished ;
			sh:resultSeverity sh:Violation ;
			sh:sourceConstraintComponent sh:DatatypeConstraintComponent ;
			sh:sourceShape [] ;
			sh:value "Not published yet !"
		]
] .
```

### 3) _Advanced Features_

- W3C Working Group Note : https://www.w3.org/TR/shacl-af/

- __*Custom targets*__ (extension du mécanisme de sélection du *focus node* en utilisant SPARQL)

- __*SHACL Functions*__ (déclaration de fonctions qui produisent un terme RDF)

- __*Node expressions*__ (dériver un ensemble de noeuds RDF pour un *focus node* donné - utiles pour les deux fonctionnalités suivantes)

- __*Expression constraints*__ (spécification d'une expression devant être respectée)

- __*SHACL rules*__ (un vocabulaire léger pour l'échange de règles utilisables pour dériver des triplets RDF depuis des triplets existants)

---

#### Exemple 1 : Définition d'une règle utilisant une fonction SPARQL

**Définition d'une fonction (`sh:SPARQLFunction`)**

```
ex:multiply
	a sh:SPARQLFunction ;
	rdfs:comment "Multiplies its two arguments $op1 and $op2." ;
	sh:parameter [
		sh:path ex:op1 ;
		sh:datatype xsd:integer ;
		sh:description "The first operand" ;
	] ;
	sh:parameter [
		sh:path ex:op2 ;
		sh:datatype xsd:integer ;
		sh:description "The second operand" ;
	] ;
	sh:returnType xsd:integer ;
	sh:select """
		SELECT ($op1 * $op2 AS ?result)
		WHERE {
		}
		""" .
```

---

**Définition d'une forme à laquelle doivent se conformer les instances de `ex:Rectangle`**

```
ex:RectangleShape
	a sh:NodeShape ;
	sh:targetClass ex:Rectangle ;
	sh:property [
		sh:path ex:width ;
		sh:datatype xsd:integer ;
		sh:minCount 1 ;
		sh:maxCount 1 ;
	] ;
	sh:property [
		sh:path ex:height ;
		sh:datatype xsd:integer ;
		sh:minCount 1 ;
		sh:maxCount 1 ;
	] .
```

---

**Création d'une règle (`sh:rule`) à appliquer aux instance de `ex:Rectangle` qui sont valides au regard de la forme `ex:RectangleShape`**

```
ex:RectangleRulesShape
	a sh:NodeShape ;
	sh:targetClass ex:Rectangle ;
	sh:rule [
		a sh:TripleRule ;
		sh:subject sh:this ;
		sh:predicate ex:area ;
		sh:object [
			ex:multiply ( [ sh:path ex:width ] [ sh:path ex:height ] ) ;
		] ;
		sh:condition ex:RectangleShape ;
	] .
```

---

**Création d'une instance de `ex:Rectangle`**

```
ex:ExampleRectangle1
	a ex:Rectangle ;
	ex:width 7 ;
	ex:height 8 .
```

**Nouveau triplet généré**

```
ex:ExampleRectangle1 ex:area  56 .
```

---

#### Exemple 2 : Définition d'une règle SPARQL (`sh:SPARQLRule`)

```
ex:ClassificationRectangleRule
	a sh:NodeShape ;
	sh:targetClass ex:Rectangle ;
	sh:rule [
		a sh:SPARQLRule ;
		sh:construct """
      prefix rdf: <http://www.w3.org/1999/02/22-rdf-syntax-ns#>
      prefix ex: <http://example.com/ns#>

CONSTRUCT {
        ?rect ex:has_category ?cat ;
             ex:area ?area .
      } WHERE {
        {
          SELECT (AVG(?_area) AS ?avg_area) WHERE {
            ?_rect ex:height ?_a ;
                  ex:width ?_b .
            BIND(?_a * ?_b AS ?_area)
          }
        }
        ?rect ex:height ?a ;
             ex:width ?b .
        BIND(?a * ?b AS ?area) .
        BIND(IF(?area > ?avg_area, "BIG RECTANGLE !", "SMALL RECTANGLE !") AS ?cat).
      } """ ;
	] .
```

---

**Avec deux instances de `ex:Rectangle`**

```
ex:ExampleRectangle1 a ex:Rectangle ;
	ex:width 7 ;
	ex:height 8 .

ex:ExampleRectangle2 a ex:Rectangle ;
	ex:width 9 ;
	ex:height 12 .

```

**Nouveaux triplets générés**

```
ex:ExampleRectangle1
	ex:area  56 ;
	ex:has_category "SMALL RECTANGLE !" .

ex:ExampleRectangle2
	ex:area  108 ;
	ex:has_category "BIG RECTANGLE !" .
```

### 5) Adoption - Implémentations - Bibliothèques

- Implémentations de **SHACL-Core** dans de nombreux langages

- Support de la part de la majorité des *triplestores*

- Nombreuses **communications**, **papiers publiés** et **workshops** avec **SHACL** dans le titre ou les mots-clés ces 2 dernières années (*ESWC*, *ISWC*, etc.)

- **SHACL Test Suite and Implementation Report**, W3C, 30 June 2019 : https://w3c.github.io/data-shapes/data-shapes-test-suite/

---

#### Bibliothèques

<br>

| **Bibliothèque**     | Langage            | Basé sur ... |Fonctionnalités |
|------------------|--------------------|--------------|----------------|
| `pySHACL`        | Python | RDFLib | Core |
| `SHACL` (TopQuadrant) | Java | Jena | Core + SHACL-SPARQL, Advanced features, SHACL-JS |
| `Shacl.js`       | Javascript | | Core |
| `dotNetRDF`      | C# | | Core |
| `SHaclEX`        | Scala  | Jena & RDF4J | Core |
| `RDFUnit`        | Java  | | Core |

<br><span style="font-size: 0.7em;"><em>D'autres implémentations (souvent partielles) de SHACL sont trouvables sur le Web</em></span>

---

#### *Triplestores*

<br>

| **Triplestore**      | Fonctionnalités    |
|------------------|--------------------|
| `Apache Jena Fuseki` | Core + SHACL-SPARQL |
| `AllegroGraph` > 6.6.0 | Core  |
| `GraphDB`  > 9.1 | Core |
| `Eclipse RDF4J`  > 2.3.0 | Core |
| `Stardog` > 6.1.0 | Core + SHACL-SPARQL |

*Au 15 janvier 2020 :* <del> `Virtuoso` </del>, <del> `BlazeGraph` </del>

</div>

---

#### Éditeurs & *Online playgrounds*

- SHACL playground ➔ https://shacl.org/playground/

- SHACL Online Editor ➔ https://www.ida.liu.se/~robke04/SHACLTutorial/

- RDFShape: RDF playground ➔ https://rdfshape.herokuapp.com/ <br>*(source: https://github.com/weso/rdfshape)*

- `Shape Designer` ➔ https://gitlab.inria.fr/jdusart/shexjapp

- Et aussi `Stardog Studio`, `TopBraid Composer`, `Protégé`

### 7) Références biblio.

- Boneva, I., Dusart, J., Fernándezálvarez, D., & Labra Gayo, J. E. (2019). **Shape Designer for ShEx and SHACL Constraints**. Présenté à ISWC 2019 - 18th International Semantic Web Conference, Auckland, Nouvelle-Zélande. Consulté à l’adresse https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-02268667

- Corman, J., Reutter, J. L., & Savković, O. (2018). **Semantics and Validation of Recursive SHACL**. In D. Vrandečić, K. Bontcheva, M. C. Suárez-Figueroa, V. Presutti, I. Celino, M. Sabou, … E. Simperl (Éd.), The Semantic Web – ISWC 2018 (Vol. 11136, p. 318‑336). https://doi.org/10.1007/978-3-030-00671-6_19

- Labra Gayo, J. E., Prud’hommeaux, E., Boneva, I., & Kontokostas, D. (2018). **Validating RDF data**. Consulté à l’adresse http://book.validatingrdf.com/.

- Labra Gayo, J. E., Fernández-Álvarez, D., & García-González, H. (2018). **RDFShape: An RDF Playground Based on Shapes**. Proceedings of the ISWC 2018 Posters & Demonstrations, Industry and Blue Sky Ideas Tracks co-located with 17th International Semantic Web Conference (ISWC 2018), Monterey, USA, October 8th - to - 12th, 2018. Consulté à l’adresse http://ceur-ws.org/Vol-2180/paper-35.pdf

- Meester, B. D., Heyvaert, P., Arndt, D., Dimou, A., & Verborgh, R. (2018). **RDF Graph Validation Using Rule-Based Reasoning**. Semantic Web 1 (0) 1–5 1. IOS Press.

- Pareti, P., Konstantinidis, G., Norman, T. J., & Şensoy, M. (2019). **SHACL Constraints with Inference Rules**. In C. Ghidini, O. Hartig, M. Maleshkova, V. Svátek, I. Cruz, A. Hogan, … F. Gandon (Éd.), The Semantic Web – ISWC 2019 (Vol. 11778, p. 539‑557). https://doi.org/10.1007/978-3-030-30793-6_31