Tree-Structured Problems and Parallel Computation

Turing-Maschinen sind das klassische Beschreibungsmittel für Wortsprachen und werden daher auch benützt, um Komplexitätsklassen zu definieren. Dies geschieht zum Beispiel durch das Einschränken des Platz- oder Zeitaufwandes der Berechnung zur Lösung eines Problems. Für sehr niedrige Komplexität wie etwa sublineare Laufzeit, werden Schaltkreise verwendet. Schaltkreise können auf natürliche Art Komplexitäten wie etwa logarithmische Laufzeit modellieren. Ebenso können sie als eine Art paralleles Rechenmodell gesehen werden. Eine wichtige parallele Komplexitätsklasse ist NC1. Sie wird beschrieben durch Boolesche Schaltkreise logarithmischer Tiefe und beschränktem Eingangsgrad der Gatter. Eine initiale Beobachtung, die die vorliegende Arbeit motiviert, ist, dass viele schwere Probleme in NC1 eine ähnliche Struktur haben und auf ähnliche Art und Weise gelöst werden. Das Auswertungsproblem für Boolesche Formeln ist eines der repräsentativsten Probleme aus dieser Klasse: Gegeben ist hier eine aussagenlogische Formel samt Belegung für die Variablen; gefragt ist, ob sie zu wahr oder zu falsch auswertet. Dieses Problem wird in NC1 gelöst durch den Algorithmus von Buss. Auf ähnliche Art können arithmetische Formeln in #NC1 ausgewertet oder das Wortproblem für Visibly-Pushdown-Sprachen gelöst werden. Zu besagter Klasse an Problemen gehört auch Courcelles Theorem, welches Berechnungen in Baumautomaten involviert. Zu bemerken ist, dass alle angesprochenen Probleme gemeinsam haben, dass sie aus Instanzen bestehen, die baumartig sind. Formeln sind Bäume, Visibly-Pushdown-Sprachen enthalten als Wörter kodierte Bäume und Courcelles Theorem betrachtet Graphen mit beschränkter Baumweite, d.h. Graphen, die sich als Baum darstellen lassen. Insbesondere Letzteres ist ein Schema, das häufiger auftritt. Zum Beispiel gibt es NP-vollständige Graphprobleme wie das Finden von Hamilton-Kreisen, welches unter beschränkter Baumweite in P fällt. Neuere Analysen konnten diese Schranke weiter zu SAC1 verbessern, was eine parallele Komplexitätsklasse ist. Die angesprochenen Probleme kommen aus unterschiedlichen Bereichen und haben individuelle Lösungen. Hauptthese dieser Arbeit ist, dass sich diese Vielfalt vereinheitlichen lässt. Es wird ein generisches Lösungskonzept vorgestellt, welches darauf beruht, dass sich die Probleme auf ein Termevaluierungsproblem reduzieren lassen. Kernstück ist daher ein Termevaluierungsalgorithmus, der unabhängig von der Algebra, über welche der Term evaluiert werden soll, ist. Resultat ist, dass eine Vielzahl, darunter die oben angesprochenen Probleme, sich auf analoge Art lösen lassen, und dass sich ebenso leicht neue Resultate zeigen lassen. Diese Menge an Resultaten hätte sich ohne den vereinheitlichten Lösungsansatz nicht innerhalb des Rahmens einer Arbeit wie der vorliegenden zeigen lassen. Der entwickelte Lösungsansatz führt stets zu Schaltkreisfamilien polylogarithmischer Tiefe. Es wird jedoch auch die Frage behandelt, wie mächtig Schaltkreisfamilien konstanter Tiefe noch bezüglich Termevaluierung sind. Die Klasse AC0 ist hierfür ein natürlicher Kandidat; sie entspricht der Menge der Sprachen, die durch Logik erster Ordung beschreibbar sind. Um dieses Problem anzugehen, wird zunächst das Termevaluierungsproblem über endlichen Algebren betrachtet. Dieses wiederum lässt sich in das Wortproblem von Visibly-Pushdown-Sprachen einbetten. Daher handelt dieser Teil der Arbeit vornehmlich von der Beschreibbarkeit von Visibly-Pushdown-Sprachen in Logik erster Ordnung. Hierbei treten ungelöste Probleme zu Tage, welche ein Indiz dafür sind, wie schlecht die Komplexität konstanter Tiefe bisher noch verstanden ist, und das, trotz des Resultats von Furst, Saxe und Sipser, bzw. Håstads. Die bis jetzt beschrieben Inhalte sind Teil einer kontinuierlichen Entwicklung. Es gibt jedoch ein Thema in dieser Arbeit, das orthogonal dazu ist: Automaten und im speziellen Cost-Register-Automaten. Zum einen sind, wie oben angedeutet, Automaten Beispiele für Anwendungen des hier entwickelten generischen Lösungsansatzes. Zum anderen können sie selbst zur Beschreibung von Termevaluierungsproblemen dienen; so können Visibly-Pushdown-Automaten Termevaluierung über endlichen Algebren ausführen. Um über endliche Algebren hinauszugehen, benötigen die Automaten mehr Speicher. Visibly-Pushdown-Automaten haben einen Keller, der genau dafür geeignet ist, die Baumstruktur einer Eingabeformel zu verifizieren. Für nichtendliche Algebren eignet sich ein Modell, welches hier vorgestellt werden soll. Es kombiniert Visibly-Pushdown-Automaten mit Cost-Register-Automaten. Ein Cost-Register-Automat ist ein endlicher Automat, welcher mit zusätzlichen Registern ausgestattet ist. Die Register können Werte einer Algebra speichern und werden in jedem Schritt in Abhängigkeit des Eingabezeichens und des Zustandes aktualisiert. Dieser Einwegdatenfluss von Zuständen zu Registern sorgt dafür, dass dieses Modell nicht nur entscheidbar bleibt, sondern, in Abhängigkeit der Algebra, auch niedrige Komplexität hat. Das neue Modell der Cost-Register-Visibly-Pushdown-Automaten kann nun Terme evaluieren. Es werden grundlegende Eigenschaften gezeigt, einschließlich Komplexitätsaussagen

Regular Rooted Graph Grammars

In dieser Arbeit wir ein pragmatischer Ansatz zur Typisierung, statischen Analyse und Optimierung von Web-Anfragespachen, speziell Xcerpt, untersucht. Pragmatisch ist der Ansatz in dem Sinne, dass dem Benutzer keinerlei Einschränkungen aus Entscheidbarkeits- oder Effizienzgründen auf modellierbare Typen gestellt werden. Effizienz und Entscheidbarkeit werden stattdessen, falls nötig, durch Vergröberungen bei der Typprüfung erkauft. Eine Typsprache zur Typisierung von Graph-strukturierten Daten im Web wird eingeführt. Modellierbare Graphen sind so genannte gewurzelte Graphen, welche aus einem Spannbaum und Querreferenzen aufgebaut sind. Die Typsprache basiert auf reguläre Baum Grammatiken, welche um typisierte Referenzen erweitert wurde. Neben wie im Web mit XML üblichen geordneten strukturierten Daten, sind auch ungeordnete Daten, wie etwa in Xcerpt oder RDF üblich, modellierbar. Der dazu verwendete Ansatz---ungeordnete Interpretation Regulärer Ausdrücke---ist neu. Eine operationale Semantik für geordnete wie ungeordnete Typen wird auf Basis spezialisierter Baumautomaten und sog. Counting Constraints (welche wiederum auf presburgerarithmetische Ausdrücke) basieren. Es wird ferner statische Typ-Prüfung und -Inferenz von Xcerpt Anfrage- und Konstrukttermen, wie auch Optimierung von Xcerpt Anfragen auf Basis von Typinformation eingeführt.This thesis investigates a pragmatic approach to typing, static analysis and static optimization of Web query languages, in special the Web query language Xcerpt. The approach is pragmatic in the sense, that no restriction on the types are made for decidability or efficiency reasons, instead precision is given up if necessary. Pragmatics on the dynamic side means to use types not only to ensure validity of objects operating on, but also influencing query selection based on types. A typing language for typing of graph structured data on the Web is introduced. The Graphs in mind are based on spanning trees with references, the typing languages is based on regular tree grammars with typed reference extensions. Beside ordered data in the spirit of XML, unordered data (i.e. in the spirit of the Xcerpt data model or RDF) can be modelled using regular expressions under unordered interpretation – this approach is new. An operational semantics for ordered and unordered types is given based on specialized regular tree automata and counting constraints (them again based on Presburger arithmetic formulae). Static type checking of Xcerpt query and construct terms is introduced, as well as optimization of Xcerpt query terms based on schema information

A Functional Language for Hyperstreaming XSLT

The problem of how to transform large data trees received on streams with a much smaller memory is still an open challenge despite of a decade of research on XML. Therefore, the current approach of the XSLT working of the W3C is to provide streaming support only for a smaller fragment of XSLT 3.0. This has the drawback that many existing XSLT programs need to be rewritten in order to become executable on XML streams, while many others cannot be rewritten at all, since defining nonstreamble transformations. In this paper, we propose a new hyperstreaming approach that does not require any a priori restrictions. The model of hyperstreaming generalizes on the model of streaming by adding shredding operations for the output stream, so that its parts may be plugged together later on. Many transformations such as flips of document pairs are hyperstreamable but not streamable. We then present the functional language X-Fun for defining transformations between XML data trees, while providing shredding instructions. X-Fun can be understood as an extension of Frisch's XStream language with output shredding, while pattern matching is replaced by tree navigation with XPath expressions. We provide a compiler from XSLT into a fragment of X-Fun, which can be considered as the core of XSLT. We then present a hyperstreaming algorithm for evaluating X-Fun programs which combines a recent XPath evaluator with a traditional functional programming engine. We have implemented a hyperstreaming evaluator for X-Fun and thus for XSLT and compare it experimentally with Saxon's XSLT implementation. It turns out that many XSLT programs become hyperstreamable with good efficiency and without any manual rewriting. Available here.</p

Web Data Extraction, Applications and Techniques: A Survey

Web Data Extraction is an important problem that has been studied by means of different scientific tools and in a broad range of applications. Many approaches to extracting data from the Web have been designed to solve specific problems and operate in ad-hoc domains. Other approaches, instead, heavily reuse techniques and algorithms developed in the field of Information Extraction. This survey aims at providing a structured and comprehensive overview of the literature in the field of Web Data Extraction. We provided a simple classification framework in which existing Web Data Extraction applications are grouped into two main classes, namely applications at the Enterprise level and at the Social Web level. At the Enterprise level, Web Data Extraction techniques emerge as a key tool to perform data analysis in Business and Competitive Intelligence systems as well as for business process re-engineering. At the Social Web level, Web Data Extraction techniques allow to gather a large amount of structured data continuously generated and disseminated by Web 2.0, Social Media and Online Social Network users and this offers unprecedented opportunities to analyze human behavior at a very large scale. We discuss also the potential of cross-fertilization, i.e., on the possibility of re-using Web Data Extraction techniques originally designed to work in a given domain, in other domains.Comment: Knowledge-based System

An Inflationary Fixed Point Operator in XQuery

We introduce a controlled form of recursion in XQuery, inflationary fixed points, familiar in the context of relational databases. This imposes restrictions on the expressible types of recursion, but we show that inflationary fixed points nevertheless are sufficiently versatile to capture a wide range of interesting use cases, including the semantics of Regular XPath and its core transitive closure construct. While the optimization of general user-defined recursive functions in XQuery appears elusive, we will describe how inflationary fixed points can be efficiently evaluated, provided that the recursive XQuery expressions exhibit a distributivity property. We show how distributivity can be assessed both, syntactically and algebraically, and provide experimental evidence that XQuery processors can substantially benefit during inflationary fixed point evaluation.Comment: 11 pages, 10 figures, 2 table