An Efficient Probabilistic Context-Free Parsing Algorithm that Computes Prefix Probabilities

We describe an extension of Earley's parser for stochastic context-free grammars that computes the following quantities given a stochastic context-free grammar and an input string: a) probabilities of successive prefixes being generated by the grammar; b) probabilities of substrings being generated by the nonterminals, including the entire string being generated by the grammar; c) most likely (Viterbi) parse of the string; d) posterior expected number of applications of each grammar production, as required for reestimating rule probabilities. (a) and (b) are computed incrementally in a single left-to-right pass over the input. Our algorithm compares favorably to standard bottom-up parsing methods for SCFGs in that it works efficiently on sparse grammars by making use of Earley's top-down control structure. It can process any context-free rule format without conversion to some normal form, and combines computations for (a) through (d) in a single algorithm. Finally, the algorithm has simple extensions for processing partially bracketed inputs, and for finding partial parses and their likelihoods on ungrammatical inputs.Comment: 45 pages. Slightly shortened version to appear in Computational Linguistics 2

LATE Ain'T Earley: A Faster Parallel Earley Parser

We present the LATE algorithm, an asynchronous variant of the Earley algorithm for parsing context-free grammars. The Earley algorithm is naturally task-based, but is difficult to parallelize because of dependencies between the tasks. We present the LATE algorithm, which uses additional data structures to maintain information about the state of the parse so that work items may be processed in any order. This property allows the LATE algorithm to be sped up using task parallelism. We show that the LATE algorithm can achieve a 120x speedup over the Earley algorithm on a natural language task

Functional programming, program transformations and compiler construction

Dit proefschrift handelt over het ontwerp van de compilergenerator Elegant. Een compiler generator is een computer programma dat vanuit een speci??catie een compiler kan genereren. Een compiler is een computer programma dat een gestructureerde invoertekst kan vertalen in een uitvoertekst. Een compiler generator is zelf een compiler welke de speci??catie vertaalt in de programmatekst van de gegenereerde compiler. Dit heeft het mogelijk gemaakt om Elegant met zichzelf te genereren. Van een compilergenerator wordt verlangd dat deze een krachtig speci??catie formalisme vertaalt in een eÆci??ent programma, een eis waar Elegant aan voldoet. Een compiler bestaat uit een aantal onderdelen, te weten een scanner, een parser, een attribuutevaluator, een optimalisator en een codegenerator. Deze onderdelen kunnen door het Elegant systeem geneneerd worden, ieder uit een aparte speci??catie, met uitzondering van de parser en attribuutevaluator, welke gezamenlijk worden beschreven in de vorm van een zogenaamde attribuutgrammatica. De scanner wordt gegenereerd met behulp van een scannergenerator en heeft tot taak de invoertekst te splitsen in een rij symbolen. Deze rij symbolen kan vervolgens ontleed worden door een parser. Daarna berekent de attribuutevaluator eigenschappen van de invoertekst in de vorm van zogenaamde attributen. De attributenwaarden vormen een datastructuur. De vorm van deze datastructuur wordt gede??nieerd met behulp van typeringsregels in de Elegant programmeertaal. De optimalisator en codegenerator voeren operaties op deze datastructuur uit welke eveneens beschreven worden in de Elegant programmeertaal. Dit proefschrift beschrijft de invloed die functionele programmeertalen hebben gehad op het ontwerp van Elegant. Functionele talen zijn programmeertalen met als belangrijkste eigenschap dat functies een centrale rol vervullen. Functies kunnen worden samengesteld tot nieuwe functies, ze kunnen worden doorgegeven aan functies en worden opgeleverd als functieresultaat. Daarnaast staan functionele talen niet toe dat de waarde van een variable wordt gewijzigd, het zogenaamde nevene??ect, in tegenstelling tot imperatieve talen die zo'n nevene??ect wel toestaan. Deze laatste beperking maakt het mogelijk om met behulp van algebra??ische regels een functioneel programma te herschrijven in een ander functioneel programma met dezelfde betekenis. Dit herschrijfproces wordt ook wel progammatransformatie genoemd. De invloed van functionele talen op Elegant omvat: ?? Het beschrijven van ontleedalgorithmen als functionele programma's. Traditioneel worden ontleedalgorithmen beschreven met behulp van de theorie van stapelautomaten. In hoofdstuk 3 wordt aangetoond dat deze theorie niet nodig is. Met behulp van programmatransformaties zijn vele uit de literauur bekende ontleedalgorithmen af te leiden en worden ook nieuwe ontleedalgorithmen gevonden. Deze aanpak maakt het bovendien mogelijk om de vele verschillende ontleedalgorithmen met elkaar te combineren. ?? De evaluatie van attributen volgens de regels van een attribuutgrammatica blijkt eveneens goed te kunnen worden beschreven met behulp van functionele talen. Traditioneel bouwt een ontleedalgorithme tijdens het ontleden een zogenaamde ontleedboom op. Deze ontleedboom beschrijft de structuur van de invoertekst. Daarna wordt deze ontleedboom geanalyseerd en worden eigenschappen ervan in de vorm van attributen berekend. In hoofdstuk 4 van het proefschrift wordt aangetoond dat het niet nodig is de ontleedboom te construeren. In plaats daarvan is het mogelijk om tijdens het ontleden functies die attributen kunnen berekenen samen te stellen tot nieuwe functies. Uiteindelijk wordt er zo ??e??en functie geconstrueerd voor een gehele invoertekst. Deze functie wordt vervolgens gebruikt om de attribuutwaarden te berekenen. Voor de uitvoering van deze functie is het noodzakelijk gebruik te maken van zogenaamde "luie evaluatie". Dit is een mechanisme dat attribuutwaarden slechts dan berekent wanneer deze werkelijk noodzakelijk zijn. Dit verklaart de naam Elegant, welke een acroniem is voor "Exploiting Lazy Evaluation for the Grammar Attributes of Non- Terminals". ?? Scanners worden traditioneel gespeci??ceerd met behulp van zogenaamde reguliere expressies. Deze reguliere expressies kunnen worden afgebeeld op een eindige automaat. Met behulp van deze automaat kan de invoertekst worden geanalyseerd en gesplitst in symbolen. In hoofdstuk 5 wordt uiteengezet hoe functionele talen het mogelijk maken om scanneralgorithmen te construeren zonder gebruik te maken van automatentheorie. Door een reguliere expressie af te beelden op een functie en de functies voor de onderdelen van samengestelde reguliere expressies samen te stellen tot nieuwe functies kan een scannerfunctie geconstrueerd worden. Door gebruik te maken van programmatransformaties kan deze scanner deterministisch worden gemaakt en minimaal worden gehouden. ?? Het typeringssysteem van Elegant wordt beschreven in hoodstuk 6 en vormt een combinatie van systemen die in functionele en imperatieve talen worden gevonden. Functionele typeringssystemen omvatten typen welke bestaan uit een aantal varianten. Elk van deze varianten bestaat uit een aantal waarden. Bij een dergelijk typeringssysteem wordt een functie gede??ni??eerd door middel van een aantal deeelfuncties. Elke deelfunctie kan met behulp van zogenaamde patronen beschrijven voor welke van de varianten hij gede??ni??eerd is. Het blijkt dat imperatieve typesystemen welke subtypering mogelijk maken een generalisatie zijn van functionele typesystemen. In deze generalisatie kan een patroon worden opgevat als een subtype en een deelfunctie als een parti??ele functie. Het Elegant typesystemen maakt deze vorm van typering en functiebeschrijving mogelijk. Bij toepassing van een functie wordt de bijbehorende deelfunctie geselecteerd door de patronen te passen met de waarden van de actuele functieargumenten. In dit proefschrift wordt een eÆci??ent algorithme voor dit patroonpassen met behulp van programmatransformaties afgeleid uit de de??nitie van patronen. Het Elegant typeringssystemen bevat ook typen voor de modellering van luie evaluatie. De aanwezigheid van nevene??ekten maakt het mogelijk om drie verschillende luie typen te onderscheiden, welke verschillen in de wijze waarop de waarde van een lui object stabiliseert. ?? In hoofdstuk 7 wordt aangetoond dat de regels uit een attribuutgrammatica ook kunnen worden gebruikt om eigenschappen van een datastructuur te berekenen in plaats van eigenschappen van een invoertekst. Elegant biedt de mogelijkheid om zulke attribuutregels te gebruiken voor dit doel. ?? In hoofdstuk 8 tenslotte worden de Elegant programmeertaal en de eÆci??entie van de Elegant vertaler en door Elegant gegenereerde vertalers ge??evalueerd. Het blijkt dat de imperatieve Elegant programmeertaal dankzij abstractie mechanismen uit functionele talen een zeer rijke en krachtige taal is. Daarnaast zijn zowel Elegant zelf als de door Elegant gegenereerde vertalers van hoge eÆci??entie en blijken geschikt voor het maken van compilers voor professionele toepassingen

LR(k) sparse-parsers and their optimisation

PhD ThesisA method of syntactic analysis is developed which . . is believed to surpass all known competitors in all major respects. I The method is based upon that associated with the LR(k) grammars but is faster because it bypasses all reduction steps concerned with 'chain' productions. These are freely selected productions which are considered semantically irrelevant and whose right parts consist of just a single symbol. The parses produced by the method are 'sparse' in that they contain no references to chain productions - they are termed 'chain-free' parses. The CFLR(k) grammars are introduced as the largest class which can be -Chain-F-ree parsed from -Le-ft to Right while looking ~ symbols ahead of the current point of the parse. The properties of these grammars are examined in detail and their relationship to the conventional LR(k) grammars is explored. Techniques are presented for testing grammars for the CFLR(k) property and for constructing chain-free parsers for those grammars possessing the property. Methods are also presented for. converting ordinary LR(k) parsers into chain-free parsers. CFLR(k) parsers are more widely applicable than their LR(k) counterparts, are faster 'and provide the same excellent detection of syntactic errors. Unfortunately they also tend to be rather larger. A 'simple optimization is presented which completely'overcomes this single disadvantage without sacrificing any of the advantages of the method. These theoretical techniques are adapted to provide truly practical chain-free parsers based on the conventional SLR and,LALR parsing methods. Detailed consideration is given to use of 'default reductions' and related techniques for achd.evfng compact representations of these parsers. The resulting chain-free parsers are not only faster than their ordinary counterparts, but probably smaller too. We believe their advantages are such that they should substantially replace other parsing methods currently used in programming language compilers

A survey of compiler development aids

A theoretical background was established for the compilation process by dividing it into five phases and explaining the concepts and algorithms that underpin each. The five selected phases were lexical analysis, syntax analysis, semantic analysis, optimization, and code generation. Graph theoretical optimization techniques were presented, and approaches to code generation were described for both one-pass and multipass compilation environments. Following the initial tutorial sections, more than 20 tools that were developed to aid in the process of writing compilers were surveyed. Eight of the more recent compiler development aids were selected for special attention - SIMCMP/STAGE2, LANG-PAK, COGENT, XPL, AED, CWIC, LIS, and JOCIT. The impact of compiler development aids were assessed some of their shortcomings and some of the areas of research currently in progress were inspected

Parsing Inside-Out

The inside-outside probabilities are typically used for reestimating Probabilistic Context Free Grammars (PCFGs), just as the forward-backward probabilities are typically used for reestimating HMMs. I show several novel uses, including improving parser accuracy by matching parsing algorithms to evaluation criteria; speeding up DOP parsing by 500 times; and 30 times faster PCFG thresholding at a given accuracy level. I also give an elegant, state-of-the-art grammar formalism, which can be used to compute inside-outside probabilities; and a parser description formalism, which makes it easy to derive inside-outside formulas and many others.Comment: Ph.D. Thesis, 257 pages, 40 postscript figure

File compression using probabilistic grammars and LR parsing

Data compression, the reduction in size of the physical representation of data being stored or transmitted, has long been of interest both as a research topic and as a practical technique. Different methods are used for encoding different classes of data files. The purpose of this research is to compress a class of highly redundant data files whose contents are partially described by a context-free grammar (i.e. text files containing computer programs). An encoding technique is developed for the removal of structural dependancy due to the context-free structure of such files. The technique depends on a type of LR parsing method called LALR(K) (Lookahead LRM). The encoder also pays particular attention to the encoding of editing characters, comments, names and constants. The encoded data maintains the exact information content of the original data. Hence, a decoding technique (depending on the same parsing method) is developed to recover the original information from its compressed representation. The technique is demonstrated by compressing Pascal programs. An optimal coding scheme (based on Huffman codes) is used to encode the parsing alternatives in each parsing state. The decoder uses these codes during the decoding phase. Also Huffman codes, based on the probability of the symbols c oncerned, are used when coding editing characterst comments, names and constants. The sizes of the parsing tables (and subsequently the encoding tables) were considerably reduced by splitting them into a number of sub-tables. The minimum and the average code length of the average program are derived from two different matrices. These matrices are constructed from a probabilistic grammar, and the language generated by this grammar. Finally, various comparisons are made with a related encoding method by using a simple context-free language