]> ocean-lang.org Git - ocean/blob - csrc/parsergen.mdc
2546d7632722a0673d4c78c83f6d924310390379
[ocean] / csrc / parsergen.mdc
1 # LR(1) Parser Generator #
2
3 This parser generator takes a grammar description combined with code
4 fragments, analyses it, and can report details about the analysis and
5 write out C code files which can be compiled to make a parser.
6
7 There are several distinct sections.
8
9 1. `grammar_read` will read a grammar from a literate-code file and
10    store the productions, symbols, and code fragments.
11 2. `grammar_analyse` will take that grammar and build LR parsing
12    states and look-ahead tables.
13 3. `grammar_report` will present the details of the analysis
14    in a readable format and will report any conflicts.
15 4. `parser_generate` will write out C code files with various
16    tables and with the code fragments arranged in useful places.
17 5. `parser_run` is a library function intended to be linked together
18    with the generated parser tables to complete the implementation of
19    a parser.
20 6. Finally `calc` is a test grammar for a simple calculator.  The
21    `parsergen` program built from the C code in this file can extract
22    that grammar directly from this file and process it.
23
24 ###### File: parsergen.c
25         #include <unistd.h>
26         #include <stdlib.h>
27         #include <stdio.h>
28         ## includes
29         ## forward declarations
30         ## declarations
31         ## functions
32         ## grammar_read
33         ## grammar_analyse
34         ## grammar_report
35         ## parser_generate
36         ## main
37 ###### File: parser.h
38         ## exported types
39         ## exported functions
40 ###### File: libparser.c
41         #include <unistd.h>
42         #include <stdlib.h>
43         #include <stdio.h>
44         ## parser includes
45         ## parser functions
46         ## parser_run
47 ###### File: parsergen.mk
48         CFLAGS += -Wall -g
49         all :: parsergen calc
50         parsergen.c parsergen.mk libparser.c parser.h : parsergen.mdc
51                 ./md2c parsergen.mdc
52
53 ## Reading the grammar
54
55 The grammar must be stored in a markdown literate code file as parsed
56 by "[mdcode][]".  It must have three top level (i.e. unreferenced)
57 sections: `header`, `code`, and `grammar`.  The first two will be
58 literally copied into the generated `.c` and `.h`. files.  The last
59 contains the grammar.  This is tokenised with "[scanner][]".
60
61 If the `--tag` option is given, then any top level header that doesn't
62 start with the tag is ignored, and the tag is striped from the rest.  So
63 `--tag Foo`
64 means that the three needed sections must be `Foo: header`, `Foo: code`,
65 and `Foo: grammar`.  The tag `calc` is used to extract the same calculator
66 from this file.
67
68 [mdcode]: mdcode.html
69 [scanner]: scanner.html
70
71 ###### includes
72         #include "mdcode.h"
73         #include "scanner.h"
74
75 ###### parser includes
76         #include "mdcode.h"
77         #include "scanner.h"
78
79 The grammar contains production sets, precedence/associativity
80 declarations, and data type declarations.  These are all parsed with
81 _ad hoc_ parsing as we don't have a parser generator yet.
82
83 The precedence and associativity can be set for each production, but
84 can be inherited from symbols.  The data type (either structure or a
85 reference to a structure) is potentially defined for each non-terminal
86 and describes what C structure is used to store information about each
87 symbol.
88
89 ###### declarations
90         enum assoc {Left, Right, Non};
91         char *assoc_names[] = {"Left","Right","Non"};
92
93         struct symbol {
94                 struct text struct_name;
95                 int isref;
96                 enum assoc assoc;
97                 unsigned short precedence;
98                 ## symbol fields
99         };
100         struct production {
101                 unsigned short precedence;
102                 enum assoc assoc;
103                 char line_like;
104                 ## production fields
105         };
106         struct grammar {
107                 ## grammar fields
108         };
109
110 The strings reported by `mdcode` and `scanner` are `struct text` which have
111 length rather than being null terminated.  To help with printing and
112 comparing we define `text_is` and `prtxt`, which should possibly go in
113 `mdcode`.  `scanner` does provide `text_dump` which is useful for strings
114 which might contain control characters.
115
116 `strip_tag` is a bit like `strncmp`, but adds a test for a colon,
117 because that is what we need to detect tags.
118
119 ###### functions
120         static int text_is(struct text t, char *s)
121         {
122                 return (strlen(s) == t.len &&
123                         strncmp(s, t.txt, t.len) == 0);
124         }
125         static void prtxt(struct text t)
126         {
127                 printf("%.*s", t.len, t.txt);
128         }
129
130         static int strip_tag(struct text *t, char *tag)
131         {
132                 int skip = strlen(tag) + 1;
133                 if (skip >= t->len ||
134                     strncmp(t->txt, tag, skip-1) != 0 ||
135                     t->txt[skip-1] != ':')
136                         return 0;
137                 while (skip < t->len && t->txt[skip] == ' ')
138                         skip++;
139                 t->len -= skip;
140                 t->txt += skip;
141                 return 1;
142         }
143
144 ### Symbols
145
146 Productions are comprised primarily of symbols - terminal and
147 non-terminal.  We do not make a syntactic distinction between the two,
148 though non-terminals must be identifiers.  Non-terminal symbols are
149 those which appear in the head of a production, terminal symbols are
150 those which don't.  There are also "virtual" symbols used for precedence
151 marking discussed later, and sometimes we won't know what type a symbol
152 is yet.
153
154 ###### forward declarations
155         enum symtype { Unknown, Virtual, Terminal, Nonterminal };
156         char *symtypes = "UVTN";
157 ###### symbol fields
158         enum symtype type;
159
160 Symbols can be either `TK_ident` or `TK_mark`.  They are saved in a
161 table of known symbols and the resulting parser will report them as
162 `TK_reserved + N`.  A small set of identifiers are reserved for the
163 different token types that `scanner` can report.
164
165 ###### declarations
166         static char *reserved_words[] = {
167                 [TK_error]        = "ERROR",
168                 [TK_number]       = "NUMBER",
169                 [TK_ident]        = "IDENTIFIER",
170                 [TK_mark]         = "MARK",
171                 [TK_string]       = "STRING",
172                 [TK_multi_string] = "MULTI_STRING",
173                 [TK_in]           = "IN",
174                 [TK_out]          = "OUT",
175                 [TK_newline]      = "NEWLINE",
176                 [TK_eof]          = "$eof",
177         };
178 ###### symbol fields
179         short num;
180
181 Note that `TK_eof` and the two `TK_*_comment` tokens cannot be
182 recognised.  The former is automatically expected at the end of the text
183 being parsed. The latter are always ignored by the parser.
184
185 All of these symbols are stored in a simple symbol table.  We use the
186 `struct text` from `mdcode` to store the name and link them together
187 into a sorted list using an insertion sort.
188
189 We don't have separate `find` and `insert` functions as any symbol we
190 find needs to be remembered.  We simply expect `find` to always return a
191 symbol, but its type might be `Unknown`.
192
193 ###### includes
194         #include <string.h>
195
196 ###### symbol fields
197         struct text name;
198         struct symbol *next;
199
200 ###### grammar fields
201         struct symbol *syms;
202         int num_syms;
203
204 ###### functions
205         static struct symbol *sym_find(struct grammar *g, struct text s)
206         {
207                 struct symbol **l = &g->syms;
208                 struct symbol *n;
209                 int cmp = 1;
210
211                 while (*l &&
212                         (cmp = text_cmp((*l)->name, s)) < 0)
213                                 l = & (*l)->next;
214                 if (cmp == 0)
215                         return *l;
216                 n = calloc(1, sizeof(*n));
217                 n->name = s;
218                 n->type = Unknown;
219                 n->next = *l;
220                 n->num = -1;
221                 *l = n;
222                 return n;
223         }
224
225         static void symbols_init(struct grammar *g)
226         {
227                 int entries = sizeof(reserved_words)/sizeof(reserved_words[0]);
228                 int i;
229                 for (i = 0; i < entries; i++) {
230                         struct text t;
231                         struct symbol *s;
232                         t.txt = reserved_words[i];
233                         if (!t.txt)
234                                 continue;
235                         t.len = strlen(t.txt);
236                         s = sym_find(g, t);
237                         s->type = Terminal;
238                         s->num = i;
239                 }
240         }
241
242 ### Data types and precedence.
243
244 Data type specification and precedence specification are both
245 introduced by a dollar sign at the start of the line.  If the next
246 word is `LEFT`, `RIGHT` or `NON`, then the line specifies a
247 precedence, otherwise it specifies a data type.
248
249 The data type name is simply stored and applied to the head of all
250 subsequent productions.  It must be the name of a structure optionally
251 preceded by an asterisk which means a reference or "pointer".  So
252 `$expression` maps to `struct expression` and `$*statement` maps to
253 `struct statement *`.
254
255 Any productions given before the first data type declaration will have
256 no data type associated with them and can carry no information.  In
257 order to allow other non-terminals to have no type, the data type
258 `$void` can be given.  This does *not* mean that `struct void` will be
259 used, but rather than no type will be associated with future
260 non-terminals.
261
262 The precedence line must contain a list of symbols - typically
263 terminal symbols, but not necessarily.  It can only contain symbols
264 that have not been seen yet, so precedence declaration must precede
265 the productions that they affect.
266
267 A precedence line may also contain a "virtual" symbol which is an
268 identifier preceded by `$$`.  Virtual terminals carry precedence
269 information but are not included in the grammar.  A production can
270 declare that it inherits the precedence of a given virtual symbol.
271
272 This use for `$$` precludes it from being used as a symbol in the
273 described language.  Two other symbols: `${` and `}$` are also
274 unavailable.
275
276 Each new precedence line introduces a new precedence level and
277 declares how it associates.  This level is stored in each symbol
278 listed and may be inherited by any production which uses the symbol.  A
279 production inherits from the last symbol which has a precedence.
280
281 The symbols on the first precedence line have the lowest precedence.
282 Subsequent lines introduce symbols with higher precedence.
283
284 ###### grammar fields
285         struct text current_type;
286         int type_isref;
287         int prec_levels;
288
289 ###### declarations
290         enum symbols { TK_virtual = TK_reserved, TK_open, TK_close };
291         static const char *known[] = { "$$", "${", "}$" };
292
293 ###### functions
294         static char *dollar_line(struct token_state *ts, struct grammar *g, int isref)
295         {
296                 struct token t = token_next(ts);
297                 char *err;
298                 enum assoc assoc;
299                 int found;
300
301                 if (t.num != TK_ident) {
302                         err = "type or assoc expected after '$'";
303                         goto abort;
304                 }
305                 if (text_is(t.txt, "LEFT"))
306                         assoc = Left;
307                 else if (text_is(t.txt, "RIGHT"))
308                         assoc = Right;
309                 else if (text_is(t.txt, "NON"))
310                         assoc = Non;
311                 else {
312                         g->current_type = t.txt;
313                         g->type_isref = isref;
314                         if (text_is(t.txt, "void"))
315                                 g->current_type.txt = NULL;
316                         t = token_next(ts);
317                         if (t.num != TK_newline) {
318                                 err = "Extra tokens after type name";
319                                 goto abort;
320                         }
321                         return NULL;
322                 }
323
324                 if (isref) {
325                         err = "$* cannot be followed by a precedence";
326                         goto abort;
327                 }
328
329                 // This is a precedence line, need some symbols.
330                 found = 0;
331                 g->prec_levels += 1;
332                 t = token_next(ts);
333                 while (t.num != TK_newline) {
334                         enum symtype type = Terminal;
335                         struct symbol *s;
336                         if (t.num == TK_virtual) {
337                                 type = Virtual;
338                                 t = token_next(ts);
339                                 if (t.num != TK_ident) {
340                                         err = "$$ must be followed by a word";
341                                         goto abort;
342                                 }
343                         } else if (t.num != TK_ident &&
344                                    t.num != TK_mark) {
345                                 err = "Illegal token in precedence line";
346                                 goto abort;
347                         }
348                         s = sym_find(g, t.txt);
349                         if (s->type != Unknown) {
350                                 err = "Symbols in precedence line must not already be known.";
351                                 goto abort;
352                         }
353                         s->type = type;
354                         s->precedence = g->prec_levels;
355                         s->assoc = assoc;
356                         found += 1;
357                         t = token_next(ts);
358                 }
359                 if (found == 0)
360                         err = "No symbols given on precedence line";
361                         goto abort;
362                 return NULL;
363         abort:
364                 while (t.num != TK_newline && t.num != TK_eof)
365                         t = token_next(ts);
366                 return err;
367         }
368
369 ### Productions
370
371 A production either starts with an identifier which is the head
372 non-terminal, or a vertical bar (`|`) in which case this production
373 uses the same head as the previous one.  The identifier must be
374 followed by a `->` mark.  All productions for a given non-terminal must
375 be grouped together with the `nonterminal ->` given only once.
376
377 After this a (possibly empty) sequence of identifiers and marks form
378 the body of the production.  A virtual symbol may be given after the
379 body by preceding it with `$$`.  If a virtual symbol is given, the
380 precedence of the production is that for the virtual symbol.  If none
381 is given, the precedence is inherited from the last symbol in the
382 production which has a precedence specified.
383
384 After the optional precedence may come the `${` mark.  This indicates
385 the start of a code fragment.  If present, this must be on the same
386 line as the start of the production.
387
388 All of the text from the `${` through to the matching `}$` is
389 collected and forms the code-fragment for the production.  It must all
390 be in one `code_node` of the literate code.  The `}$` must be
391 at the end of a line.
392
393 Text in the code fragment will undergo substitutions where `$N` or
394 `$<N`,for some numeric `N`, will be replaced with a variable holding
395 the parse information for the particular symbol in the production.
396 `$0` is the head of the production, `$1` is the first symbol of the
397 body, etc.  The type of `$N` for a terminal symbol is `struct token`.
398 For a non-terminal, it is whatever has been declared for that symbol.
399 The `<` may be included for symbols declared as storing a reference
400 (not a structure) and means that the reference is being moved out, so
401 it will not automatically be freed.
402
403 While building productions we will need to add to an array which needs to
404 grow dynamically.
405
406 ###### functions
407         static void array_add(void *varray, int *cnt, void *new)
408         {
409                 void ***array = varray;
410                 int current = 0;
411                 const int step = 8;
412                 current = ((*cnt-1) | (step-1))+1;
413                 if (*cnt == current) {
414                         /* must grow */
415                         current += step;
416                         *array = realloc(*array, current * sizeof(void*));
417                 }
418                 (*array)[*cnt] = new;
419                 (*cnt) += 1;
420         }
421
422 Collecting the code fragment simply involves reading tokens until we
423 hit the end token `}$`, and noting the character position of the start and
424 the end.
425
426 ###### functions
427         static struct text collect_code(struct token_state *state,
428                                         struct token start)
429         {
430                 struct text code;
431                 struct token t;
432                 code.txt = start.txt.txt + start.txt.len;
433                 do
434                         t = token_next(state);
435                 while (t.node == start.node &&
436                        t.num != TK_close && t.num != TK_error &&
437                        t.num != TK_eof);
438                 if (t.num == TK_close && t.node == start.node)
439                         code.len = t.txt.txt - code.txt;
440                 else
441                         code.txt = NULL;
442                 return code;
443         }
444
445 Now we have all the bits we need to parse a full production.
446
447 ###### includes
448         #include <memory.h>
449
450 ###### grammar fields
451         struct production **productions;
452         int production_count;
453
454 ###### production fields
455         struct symbol  *head;
456         struct symbol **body;
457         int             body_size;
458         struct text     code;
459         int             code_line;
460
461 ###### symbol fields
462         int first_production;
463
464 ###### functions
465         static char *parse_production(struct grammar *g,
466                                       struct symbol *head,
467                                       struct token_state *state)
468         {
469                 /* Head has already been parsed. */
470                 struct token tk;
471                 char *err;
472                 struct production p, *pp;
473
474                 memset(&p, 0, sizeof(p));
475                 p.head = head;
476                 tk = token_next(state);
477                 while (tk.num == TK_ident || tk.num == TK_mark) {
478                         struct symbol *bs = sym_find(g, tk.txt);
479                         if (bs->type == Unknown)
480                                 bs->type = Terminal;
481                         if (bs->type == Virtual) {
482                                 err = "Virtual symbol not permitted in production";
483                                 goto abort;
484                         }
485                         if (bs->precedence) {
486                                 p.precedence = bs->precedence;
487                                 p.assoc = bs->assoc;
488                         }
489                         array_add(&p.body, &p.body_size, bs);
490                         tk = token_next(state);
491                 }
492                 if (tk.num == TK_virtual) {
493                         struct symbol *vs;
494                         tk = token_next(state);
495                         if (tk.num != TK_ident) {
496                                 err = "word required after $$";
497                                 goto abort;
498                         }
499                         vs = sym_find(g, tk.txt);
500                         if (vs->num == TK_newline)
501                                 p.line_like = 1;
502                         else if (vs->precedence == 0) {
503                                 err = "symbol after $$ must have precedence";
504                                 goto abort;
505                         } else {
506                                 p.precedence = vs->precedence;
507                                 p.assoc = vs->assoc;
508                         }
509                         tk = token_next(state);
510                 }
511                 if (tk.num == TK_open) {
512                         p.code_line = tk.line;
513                         p.code = collect_code(state, tk);
514                         if (p.code.txt == NULL) {
515                                 err = "code fragment not closed properly";
516                                 goto abort;
517                         }
518                         tk = token_next(state);
519                 }
520                 if (tk.num != TK_newline && tk.num != TK_eof) {
521                         err = "stray tokens at end of line";
522                         goto abort;
523                 }
524                 pp = malloc(sizeof(*pp));
525                 *pp = p;
526                 array_add(&g->productions, &g->production_count, pp);
527                 return NULL;
528         abort:
529                 while (tk.num != TK_newline && tk.num != TK_eof)
530                         tk = token_next(state);
531                 return err;
532         }
533
534 With the ability to parse production and dollar-lines, we have nearly all
535 that we need to parse a grammar from a `code_node`.
536
537 The head of the first production will effectively be the `start` symbol of
538 the grammar.  However it won't _actually_ be so.  Processing the grammar is
539 greatly simplified if the real start symbol only has a single production,
540 and expects `$eof` as the final terminal.  So when we find the first
541 explicit production we insert an extra production as production zero which
542 looks like
543
544 ###### Example: production 0
545         $start -> START $eof
546
547 where `START` is the first non-terminal given.
548
549 ###### create production zero
550         struct production *p = calloc(1,sizeof(*p));
551         struct text start = {"$start",6};
552         struct text eof = {"$eof",4};
553         struct text code = {"$0 = $<1;", 9};
554         p->head = sym_find(g, start);
555         p->head->type = Nonterminal;
556         p->head->struct_name = g->current_type;
557         p->head->isref = g->type_isref;
558         if (g->current_type.txt)
559                 p->code = code;
560         array_add(&p->body, &p->body_size, head);
561         array_add(&p->body, &p->body_size, sym_find(g, eof));
562         p->head->first_production = g->production_count;
563         array_add(&g->productions, &g->production_count, p);
564
565 Now we are ready to read in the grammar.  We ignore comments
566 and strings so that the marks which introduce them can be
567 used as terminals in the grammar.  We don't ignore numbers
568 even though we don't allow them as that causes the scanner
569 to produce errors that the parser is better positioned to handle.
570
571 ###### grammar_read
572         static struct grammar *grammar_read(struct code_node *code)
573         {
574                 struct token_config conf = {
575                         .word_start = "",
576                         .word_cont = "",
577                         .words_marks = known,
578                         .known_count = sizeof(known)/sizeof(known[0]),
579                         .number_chars = "",
580                         .ignored = (1 << TK_line_comment)
581                                  | (1 << TK_block_comment)
582                                  | (0 << TK_number)
583                                  | (1 << TK_string)
584                                  | (1 << TK_multi_string)
585                                  | (1 << TK_in)
586                                  | (1 << TK_out),
587                 };
588
589                 struct token_state *state = token_open(code, &conf);
590                 struct token tk;
591                 struct symbol *head = NULL;
592                 struct grammar *g;
593                 char *err = NULL;
594
595                 g = calloc(1, sizeof(*g));
596                 symbols_init(g);
597
598                 for (tk = token_next(state); tk.num != TK_eof;
599                      tk = token_next(state)) {
600                         if (tk.num == TK_newline)
601                                 continue;
602                         if (tk.num == TK_ident) {
603                                 // new non-terminal
604                                 head = sym_find(g, tk.txt);
605                                 if (head->type == Nonterminal)
606                                         err = "This non-terminal has already be used.";
607                                 else if (head->type == Virtual)
608                                         err = "Virtual symbol not permitted in head of production";
609                                 else {
610                                         head->type = Nonterminal;
611                                         head->struct_name = g->current_type;
612                                         head->isref = g->type_isref;
613                                         if (g->production_count == 0) {
614                                                 ## create production zero
615                                         }
616                                         head->first_production = g->production_count;
617                                         tk = token_next(state);
618                                         if (tk.num == TK_mark &&
619                                             text_is(tk.txt, "->"))
620                                                 err = parse_production(g, head, state);
621                                         else
622                                                 err = "'->' missing in production";
623                                 }
624                         } else if (tk.num == TK_mark
625                                    && text_is(tk.txt, "|")) {
626                                 // another production for same non-term
627                                 if (head)
628                                         err = parse_production(g, head, state);
629                                 else
630                                         err = "First production must have a head";
631                         } else if (tk.num == TK_mark
632                                    && text_is(tk.txt, "$")) {
633                                 err = dollar_line(state, g, 0);
634                         } else if (tk.num == TK_mark
635                                    && text_is(tk.txt, "$*")) {
636                                 err = dollar_line(state, g, 1);
637                         } else {
638                                 err = "Unrecognised token at start of line.";
639                         }
640                         if (err)
641                                 goto abort;
642                 }
643                 token_close(state);
644                 return g;
645         abort:
646                 fprintf(stderr, "Error at line %d: %s\n",
647                         tk.line, err);
648                 token_close(state);
649                 free(g);
650                 return NULL;
651         }
652
653 ## Analysing the grammar
654
655 The central task in analysing the grammar is to determine a set of
656 states to drive the parsing process.  This will require finding
657 various sets of symbols and of "items".  Some of these sets will need
658 to attach information to each element in the set, so they are more
659 like maps.
660
661 Each "item" may have a 'look-ahead' or `LA` set associated with
662 it.  Many of these will be the same as each other.  To avoid memory
663 wastage, and to simplify some comparisons of sets, these sets will be
664 stored in a list of unique sets, each assigned a number.
665
666 Once we have the data structures in hand to manage these sets and
667 lists, we can start setting the 'nullable' flag, build the 'FIRST'
668 sets, and then create the item sets which define the various states.
669
670 ### Symbol sets.
671
672 Though we don't only store symbols in these sets, they are the main
673 things we store, so they are called symbol sets or "symsets".
674
675 A symset has a size, an array of shorts, and an optional array of data
676 values, which are also shorts.  If the array of data is not present,
677 we store an impossible pointer, as `NULL` is used to indicate that no
678 memory has been allocated yet;
679
680 ###### declarations
681         struct symset {
682                 short cnt;
683                 unsigned short *syms, *data;
684         };
685         #define NO_DATA ((unsigned short *)1)
686         const struct symset INIT_SYMSET =  { 0, NULL, NO_DATA };
687         const struct symset INIT_DATASET = { 0, NULL, NULL };
688
689 The arrays of shorts are allocated in blocks of 8 and are kept sorted
690 by using an insertion sort.  We don't explicitly record the amount of
691 allocated space as it can be derived directly from the current `cnt` using
692 `((cnt - 1) | 7) + 1`.
693
694 ###### functions
695         static void symset_add(struct symset *s, unsigned short key, unsigned short val)
696         {
697                 int i;
698                 int current = ((s->cnt-1) | 7) + 1;
699                 if (current == s->cnt) {
700                         current += 8;
701                         s->syms = realloc(s->syms, sizeof(*s->syms) * current);
702                         if (s->data != NO_DATA)
703                                 s->data = realloc(s->data, sizeof(*s->data) * current);
704                 }
705                 i = s->cnt;
706                 while (i > 0 && s->syms[i-1] > key) {
707                         s->syms[i] = s->syms[i-1];
708                         if (s->data != NO_DATA)
709                                 s->data[i] = s->data[i-1];
710                         i--;
711                 }
712                 s->syms[i] = key;
713                 if (s->data != NO_DATA)
714                         s->data[i] = val;
715                 s->cnt += 1;
716         }
717
718 Finding a symbol (or item) in a `symset` uses a simple binary search.
719 We return the index where the value was found (so data can be accessed),
720 or `-1` to indicate failure.
721
722         static int symset_find(struct symset *ss, unsigned short key)
723         {
724                 int lo = 0;
725                 int hi = ss->cnt;
726
727                 if (hi == 0)
728                         return -1;
729                 while (lo + 1 < hi) {
730                         int mid = (lo + hi) / 2;
731                         if (ss->syms[mid] <= key)
732                                 lo = mid;
733                         else
734                                 hi = mid;
735                 }
736                 if (ss->syms[lo] == key)
737                         return lo;
738                 return -1;
739         }
740
741 We will often want to form the union of two symsets.  When we do, we
742 will often want to know if anything changed (as that might mean there
743 is more work to do).  So `symset_union` reports whether anything was
744 added to the first set.  We use a slow quadratic approach as these
745 sets don't really get very big.  If profiles shows this to be a problem it
746 can be optimised later.
747
748         static int symset_union(struct symset *a, struct symset *b)
749         {
750                 int i;
751                 int added = 0;
752                 for (i = 0; i < b->cnt; i++)
753                         if (symset_find(a, b->syms[i]) < 0) {
754                                 unsigned short data = 0;
755                                 if (b->data != NO_DATA)
756                                         data = b->data[i];
757                                 symset_add(a, b->syms[i], data);
758                                 added++;
759                         }
760                 return added;
761         }
762
763 And of course we must be able to free a symset.
764
765         static void symset_free(struct symset ss)
766         {
767                 free(ss.syms);
768                 if (ss.data != NO_DATA)
769                         free(ss.data);
770         }
771
772 ### Symset Storage
773
774 Some symsets are simply stored somewhere appropriate in the `grammar`
775 data structure, others needs a bit of indirection.  This applies
776 particularly to "LA" sets.  These will be paired with "items" in an
777 "itemset".  As itemsets will be stored in a symset, the "LA" set needs to be
778 stored in the `data` field, so we need a mapping from a small (short)
779 number to an LA `symset`.
780
781 As mentioned earlier this involves creating a list of unique symsets.
782
783 For now, we just use a linear list sorted by insertion.  A skiplist
784 would be more efficient and may be added later.
785
786 ###### declarations
787
788         struct setlist {
789                 struct symset ss;
790                 int num;
791                 struct setlist *next;
792         };
793
794 ###### grammar fields
795         struct setlist *sets;
796         int nextset;
797
798 ###### functions
799
800         static int ss_cmp(struct symset a, struct symset b)
801         {
802                 int i;
803                 int diff = a.cnt - b.cnt;
804                 if (diff)
805                         return diff;
806                 for (i = 0; i < a.cnt; i++) {
807                         diff = (int)a.syms[i] - (int)b.syms[i];
808                         if (diff)
809                                 return diff;
810                 }
811                 return 0;
812         }
813
814         static int save_set(struct grammar *g, struct symset ss)
815         {
816                 struct setlist **sl = &g->sets;
817                 int cmp = 1;
818                 struct setlist *s;
819
820                 while (*sl && (cmp = ss_cmp((*sl)->ss, ss)) < 0)
821                         sl = & (*sl)->next;
822                 if (cmp == 0) {
823                         symset_free(ss);
824                         return (*sl)->num;
825                 }
826
827                 s = malloc(sizeof(*s));
828                 s->ss = ss;
829                 s->num = g->nextset;
830                 g->nextset += 1;
831                 s->next = *sl;
832                 *sl = s;
833                 return s->num;
834         }
835
836 Finding a set by number is currently performed by a simple linear search.
837 If this turns out to hurt performance, we can store the sets in a dynamic
838 array like the productions.
839
840         static struct symset set_find(struct grammar *g, int num)
841         {
842                 struct setlist *sl = g->sets;
843                 while (sl && sl->num != num)
844                         sl = sl->next;
845                 return sl->ss;
846         }
847
848 ### Setting `nullable`
849
850 We set `nullable` on the head symbol for any production for which all
851 the body symbols (if any) are nullable.  As this is a recursive
852 definition, any change in the `nullable` setting means that we need to
853 re-evaluate where it needs to be set.
854
855 We simply loop around performing the same calculations until no more
856 changes happen.
857
858 ###### symbol fields
859         int nullable;
860
861 ###### functions
862         static void set_nullable(struct grammar *g)
863         {
864                 int check_again = 1;
865                 while (check_again) {
866                         int p;
867                         check_again = 0;
868                         for (p = 0; p < g->production_count; p++) {
869                                 struct production *pr = g->productions[p];
870                                 int s;
871
872                                 if (pr->head->nullable)
873                                         continue;
874                                 for (s = 0; s < pr->body_size; s++)
875                                         if (! pr->body[s]->nullable)
876                                                 break;
877                                 if (s == pr->body_size) {
878                                         pr->head->nullable = 1;
879                                         check_again = 1;
880                                 }
881                         }
882                 }
883         }
884
885 ### Setting `line_like`
886
887 In order to be able to ignore newline tokens when not relevant, but
888 still include them in the parse when needed, we will need to know
889 which states can start a "line-like" section of code.  We ignore
890 newlines when there is an indent since the most recent start of a
891 line-like symbol.
892
893 A "line_like" symbol is simply any symbol that can derive a NEWLINE.
894 If a symbol cannot derive a NEWLINE, then it is only part of a line -
895 so is word-like.  If it can derive a NEWLINE, then we consider it to
896 be like a line.
897
898 Clearly the `TK_newline` token can derive a NEWLINE.  Any symbol which
899 is the head of a production that contains a line_like symbol is also a
900 line-like symbol.  We use a new field `line_like` to record this
901 attribute of symbols, and compute it in a repetitive manner similar to
902 `set_nullable`.
903
904 ###### symbol fields
905         int line_like;
906
907 ###### functions
908         static void set_line_like(struct grammar *g)
909         {
910                 int check_again = 1;
911                 g->symtab[TK_newline]->line_like = 1;
912                 while (check_again) {
913                         int p;
914                         check_again = 0;
915                         for (p = 0; p < g->production_count; p++) {
916                                 struct production *pr = g->productions[p];
917                                 int s;
918
919                                 if (pr->head->line_like)
920                                         continue;
921
922                                 for (s = 0 ; s < pr->body_size; s++) {
923                                         if (pr->body[s]->line_like) {
924                                                 pr->head->line_like = 1;
925                                                 check_again = 1;
926                                                 break;
927                                         }
928                                 }
929                         }
930                 }
931         }
932
933 ### Building the `first` sets
934
935 When calculating what can follow a particular non-terminal, we will need to
936 know what the "first" terminal in any subsequent non-terminal might be.  So
937 we calculate the `first` set for every non-terminal and store them in an
938 array.  We don't bother recording the "first" set for terminals as they are
939 trivial.
940
941 As the "first" for one symbol might depend on the "first" of another,
942 we repeat the calculations until no changes happen, just like with
943 `set_nullable`.  This makes use of the fact that `symset_union`
944 reports if any change happens.
945
946 The core of this, which finds the "first" of part of a production body,
947 will be reused for computing the "follow" sets, so we split it out
948 into a separate function.
949
950 ###### grammar fields
951         struct symset *first;
952
953 ###### functions
954
955         static int add_first(struct production *pr, int start,
956                              struct symset *target, struct grammar *g,
957                              int *to_end)
958         {
959                 int s;
960                 int changed = 0;
961                 for (s = start; s < pr->body_size; s++) {
962                         struct symbol *bs = pr->body[s];
963                         if (bs->type == Terminal) {
964                                 if (symset_find(target, bs->num) < 0) {
965                                         symset_add(target, bs->num, 0);
966                                         changed = 1;
967                                 }
968                                 break;
969                         } else if (symset_union(target, &g->first[bs->num]))
970                                 changed = 1;
971                         if (!bs->nullable)
972                                 break;
973                 }
974                 if (to_end)
975                         *to_end = (s == pr->body_size);
976                 return changed;
977         }
978
979         static void build_first(struct grammar *g)
980         {
981                 int check_again = 1;
982                 int s;
983                 g->first = calloc(g->num_syms, sizeof(g->first[0]));
984                 for (s = 0; s < g->num_syms; s++)
985                         g->first[s] = INIT_SYMSET;
986
987                 while (check_again) {
988                         int p;
989                         check_again = 0;
990                         for (p = 0; p < g->production_count; p++) {
991                                 struct production *pr = g->productions[p];
992                                 struct symset *head = &g->first[pr->head->num];
993
994                                 if (add_first(pr, 0, head, g, NULL))
995                                         check_again = 1;
996                         }
997                 }
998         }
999
1000 ### Building the `follow` sets.
1001
1002 There are two different situations when we will want to generate "follow"
1003 sets.  If we are doing an SLR analysis, we want to generate a single
1004 "follow" set for each non-terminal in the grammar.  That is what is
1005 happening here.  If we are doing an LALR or LR analysis we will want
1006 to generate a separate "LA" set for each item.  We do that later
1007 in state generation.
1008
1009 There are two parts to generating a "follow" set.  Firstly we look at
1010 every place that any non-terminal appears in the body of any
1011 production, and we find the set of possible "first" symbols after
1012 there.  This is done using `add_first` above and only needs to be done
1013 once as the "first" sets are now stable and will not change.
1014
1015 ###### follow code
1016
1017         for (p = 0; p < g->production_count; p++) {
1018                 struct production *pr = g->productions[p];
1019                 int b;
1020
1021                 for (b = 0; b < pr->body_size - 1; b++) {
1022                         struct symbol *bs = pr->body[b];
1023                         if (bs->type == Terminal)
1024                                 continue;
1025                         add_first(pr, b+1, &g->follow[bs->num], g, NULL);
1026                 }
1027         }
1028
1029 The second part is to add the "follow" set of the head of a production
1030 to the "follow" sets of the final symbol in the production, and any
1031 other symbol which is followed only by `nullable` symbols.  As this
1032 depends on "follow" itself we need to repeatedly perform the process
1033 until no further changes happen.
1034
1035 ###### follow code
1036
1037         for (again = 0, p = 0;
1038              p < g->production_count;
1039              p < g->production_count-1
1040                 ? p++ : again ? (again = 0, p = 0)
1041                               : p++) {
1042                 struct production *pr = g->productions[p];
1043                 int b;
1044
1045                 for (b = pr->body_size - 1; b >= 0; b--) {
1046                         struct symbol *bs = pr->body[b];
1047                         if (bs->type == Terminal)
1048                                 break;
1049                         if (symset_union(&g->follow[bs->num],
1050                                          &g->follow[pr->head->num]))
1051                                 again = 1;
1052                         if (!bs->nullable)
1053                                 break;
1054                 }
1055         }
1056
1057 We now just need to create and initialise the `follow` list to get a
1058 complete function.
1059
1060 ###### grammar fields
1061         struct symset *follow;
1062
1063 ###### functions
1064         static void build_follow(struct grammar *g)
1065         {
1066                 int s, again, p;
1067                 g->follow = calloc(g->num_syms, sizeof(g->follow[0]));
1068                 for (s = 0; s < g->num_syms; s++)
1069                         g->follow[s] = INIT_SYMSET;
1070                 ## follow code
1071         }
1072
1073 ### Building itemsets and states
1074
1075 There are three different levels of detail that can be chosen for
1076 building the itemsets and states for the LR grammar.  They are:
1077
1078 1. LR(0) or SLR(1), where no look-ahead is considered.
1079 2. LALR(1) where we build look-ahead sets with each item and merge
1080    the LA sets when we find two paths to the same "kernel" set of items.
1081 3. LR(1) where different look-ahead for any item in the set means
1082    a different state must be created.
1083
1084 ###### forward declarations
1085         enum grammar_type { LR0, LR05, SLR, LALR, LR1 };
1086
1087 We need to be able to look through existing states to see if a newly
1088 generated state already exists.  For now we use a simple sorted linked
1089 list.
1090
1091 An item is a pair of numbers: the production number and the position of
1092 "DOT", which is an index into the body of the production.
1093 As the numbers are not enormous we can combine them into a single "short"
1094 and store them in a `symset` - 4 bits for "DOT" and 12 bits for the
1095 production number (so 4000 productions with maximum of 15 symbols in the
1096 body).
1097
1098 Comparing the itemsets will be a little different to comparing symsets
1099 as we want to do the lookup after generating the "kernel" of an
1100 itemset, so we need to ignore the offset=zero items which are added during
1101 completion.
1102
1103 To facilitate this, we modify the "DOT" number so that "0" sorts to
1104 the end of the list in the symset, and then only compare items before
1105 the first "0".
1106
1107 ###### declarations
1108         static inline unsigned short item_num(int production, int index)
1109         {
1110                 return production | ((31-index) << 11);
1111         }
1112         static inline int item_prod(unsigned short item)
1113         {
1114                 return item & 0x7ff;
1115         }
1116         static inline int item_index(unsigned short item)
1117         {
1118                 return (31-(item >> 11)) & 0x1f;
1119         }
1120
1121 For LR(1) analysis we need to compare not just the itemset in a state
1122 but also the LA sets.  As we assign each unique LA set a number, we
1123 can just compare the symset and the data values together.
1124
1125 ###### functions
1126         static int itemset_cmp(struct symset a, struct symset b,
1127                                enum grammar_type type)
1128         {
1129                 int i;
1130                 int av, bv;
1131
1132                 for (i = 0;
1133                      i < a.cnt && i < b.cnt &&
1134                      item_index(a.syms[i]) > 0 &&
1135                      item_index(b.syms[i]) > 0;
1136                      i++) {
1137                         int diff = a.syms[i] - b.syms[i];
1138                         if (diff)
1139                                 return diff;
1140                         if (type == LR1) {
1141                                 diff = a.data[i] - b.data[i];
1142                                 if (diff)
1143                                         return diff;
1144                         }
1145                 }
1146                 if (i == a.cnt || item_index(a.syms[i]) == 0)
1147                         av = -1;
1148                 else
1149                         av = a.syms[i];
1150                 if (i == b.cnt || item_index(b.syms[i]) == 0)
1151                         bv = -1;
1152                 else
1153                         bv = b.syms[i];
1154                 if (av - bv)
1155                         return av - bv;
1156                 if (type < LR1 || av == -1)
1157                         return 0;
1158                 return
1159                         a.data[i] - b.data[i];
1160         }
1161
1162 It will be helpful to know if an itemset has been "completed" or not,
1163 particularly for LALR where itemsets get merged, at which point they
1164 need to be consider for completion again.  So  a `completed` flag is needed.
1165
1166 For correct handling of `TK_newline` when parsing, we will need to
1167 know which states (itemsets) can occur at the start of a line, so we
1168 will record a `starts_line` flag too whenever DOT is at the start of a
1169 `line_like` symbol.
1170
1171 Finally, for handling `TK_out` we need to know whether productions in the
1172 current state started *before* the most recent indent.  A state
1173 doesn't usually keep details of individual productions, so we need to
1174 add one extra detail. `min_prefix` is the smallest non-zero number of
1175 symbols *before* DOT in any production in an itemset.  This will allow
1176 us to determine if the the most recent indent is sufficiently recent
1177 to cancel it against a `TK_out`.  If it was seen longer ago than the
1178 `min_prefix`, and if the current state cannot be reduced, then the
1179 indented section must have ended in the middle of a syntactic unit, so
1180 an error must be signaled.
1181
1182 And now we can build the list of itemsets.  The lookup routine returns
1183 both a success flag and a pointer to where in the list an insert
1184 should happen, so we don't need to search a second time.
1185
1186 ###### declarations
1187         struct itemset {
1188                 struct itemset *next;
1189                 short state;
1190                 struct symset items;
1191                 struct symset go_to;
1192                 enum assoc assoc;
1193                 unsigned short precedence;
1194                 char completed;
1195                 char starts_line;
1196                 int min_prefix;
1197         };
1198
1199 ###### grammar fields
1200         struct itemset *items;
1201         int states;
1202
1203 ###### functions
1204         static int itemset_find(struct grammar *g, struct itemset ***where,
1205                                 struct symset kernel, enum grammar_type type)
1206         {
1207                 struct itemset **ip;
1208
1209                 for (ip = &g->items; *ip ; ip = & (*ip)->next) {
1210                         struct itemset *i = *ip;
1211                         int diff;
1212                         diff = itemset_cmp(i->items, kernel, type);
1213                         if (diff < 0)
1214                                 continue;
1215                         if (diff > 0)
1216                                 break;
1217                         /* found */
1218                         *where = ip;
1219                         return 1;
1220                 }
1221                 *where = ip;
1222                 return 0;
1223         }
1224
1225 Adding an itemset may require merging the LA sets if LALR analysis is
1226 happening. If any new LA set adds any symbols that weren't in the old LA set, we
1227 clear the `completed` flag so that the dependants of this itemset will be
1228 recalculated and their LA sets updated.
1229
1230 `add_itemset` must consume the symsets it is passed, either by adding
1231 them to a data structure, of freeing them.
1232
1233         static int add_itemset(struct grammar *g, struct symset ss,
1234                                enum assoc assoc, unsigned short precedence,
1235                                enum grammar_type type)
1236         {
1237                 struct itemset **where, *is;
1238                 int i;
1239                 int found = itemset_find(g, &where, ss, type);
1240                 if (!found) {
1241                         is = calloc(1, sizeof(*is));
1242                         is->state = g->states;
1243                         g->states += 1;
1244                         is->items = ss;
1245                         is->assoc = assoc;
1246                         is->precedence = precedence;
1247                         is->next = *where;
1248                         is->go_to = INIT_DATASET;
1249                         *where = is;
1250                         return is->state;
1251                 }
1252                 is = *where;
1253                 if (type != LALR) {
1254                         symset_free(ss);
1255                         return is->state;
1256                 }
1257                 for (i = 0; i < ss.cnt; i++) {
1258                         struct symset temp = INIT_SYMSET, s;
1259                         if (ss.data[i] == is->items.data[i])
1260                                 continue;
1261                         s = set_find(g, is->items.data[i]);
1262                         symset_union(&temp, &s);
1263                         s = set_find(g, ss.data[i]);
1264                         if (symset_union(&temp, &s)) {
1265                                 is->items.data[i] = save_set(g, temp);
1266                                 is->completed = 0;
1267                         } else
1268                                 symset_free(temp);
1269                 }
1270                 symset_free(ss);
1271                 return is->state;
1272         }
1273
1274 #### The build
1275
1276 To build all the itemsets, we first insert the initial itemset made
1277 from production zero, complete each itemset, and then generate new
1278 itemsets from old until no new ones can be made.
1279
1280 Completing an itemset means finding all the items where "DOT" is followed by
1281 a nonterminal and adding "DOT=0" items for every production from that
1282 non-terminal - providing each item hasn't already been added.
1283
1284 If LA sets are needed, the LA set for each new item is found using
1285 `add_first` which was developed earlier for `FIRST` and `FOLLOW`.  This may
1286 be supplemented by the LA set for the item which produce the new item.
1287
1288 We also collect a set of all symbols which follow "DOT" (in `done`) as this
1289 is used in the next stage.
1290 If any of these symbols are flagged as `line_like`, then this
1291 state must be a `starts_line` state so now is a good time to record that.
1292
1293 When itemsets are created we assign a precedence to the itemset from
1294 the complete item, if there is one.  We ignore the possibility of
1295 there being two and don't (currently) handle precedence in such
1296 grammars.  When completing a grammar we ignore any item where DOT is
1297 followed by a terminal with a precedence lower than that for the
1298 itemset.  Unless the terminal has right associativity, we also ignore
1299 items where the terminal has the same precedence.  The result is that
1300 unwanted items are still in the itemset, but the terminal doesn't get
1301 into the go to set, so the item is ineffective.
1302
1303 ###### complete itemset
1304         for (i = 0; i < is->items.cnt; i++) {
1305                 int p = item_prod(is->items.syms[i]);
1306                 int bs = item_index(is->items.syms[i]);
1307                 struct production *pr = g->productions[p];
1308                 int p2;
1309                 struct symbol *s;
1310                 struct symset LA = INIT_SYMSET;
1311                 unsigned short sn = 0;
1312                 struct symset LAnl = INIT_SYMSET;
1313                 unsigned short snnl = 0;
1314
1315                 if (is->min_prefix == 0 ||
1316                     (bs > 0 && bs < is->min_prefix))
1317                         is->min_prefix = bs;
1318                 if (bs == pr->body_size)
1319                         continue;
1320                 s = pr->body[bs];
1321                 if (s->precedence && is->precedence &&
1322                     is->precedence > s->precedence)
1323                         /* This terminal has a low precedence and
1324                          * shouldn't be shifted
1325                          */
1326                         continue;
1327                 if (s->precedence && is->precedence &&
1328                     is->precedence == s->precedence && s->assoc != Right)
1329                         /* This terminal has a matching precedence and is
1330                          * not Right-associative, so we mustn't shift it.
1331                          */
1332                         continue;
1333                 if (symset_find(&done, s->num) < 0) {
1334                         symset_add(&done, s->num, 0);
1335                         if (s->line_like)
1336                                 is->starts_line = 1;
1337                 }
1338                 if (s->type != Nonterminal)
1339                         continue;
1340                 again = 1;
1341                 if (type >= LALR) {
1342                         // Need the LA set.
1343                         int to_end;
1344                         add_first(pr, bs+1, &LA, g, &to_end);
1345                         if (to_end) {
1346                                 struct symset ss = set_find(g, is->items.data[i]);
1347                                 symset_union(&LA, &ss);
1348                         }
1349                         sn = save_set(g, LA);
1350                         LA = set_find(g, sn);
1351                         symset_add(&LAnl, TK_newline, 0);
1352                         snnl = save_set(g, LAnl);
1353                         LAnl = set_find(g, snnl);
1354                 }
1355
1356                 /* Add productions for this symbol */
1357                 for (p2 = s->first_production;
1358                      p2 < g->production_count &&
1359                       g->productions[p2]->head == s;
1360                      p2++) {
1361                         int itm = item_num(p2, 0);
1362                         int pos = symset_find(&is->items, itm);
1363                         if (pos < 0) {
1364                                 if (g->productions[p2]->line_like)
1365                                         symset_add(&is->items, itm, snnl);
1366                                 else
1367                                         symset_add(&is->items, itm, sn);
1368                                 /* Will have re-ordered, so start
1369                                  * from beginning again */
1370                                 i = -1;
1371                         } else if (type >= LALR) {
1372                                 struct symset ss = set_find(g, is->items.data[pos]);
1373                                 struct symset tmp = INIT_SYMSET;
1374                                 struct symset *la = &LA;
1375
1376                                 if (g->productions[p2]->line_like)
1377                                         la = &LAnl;
1378                                 symset_union(&tmp, &ss);
1379                                 if (symset_union(&tmp, la)) {
1380                                         is->items.data[pos] = save_set(g, tmp);
1381                                         i = -1;
1382                                 } else
1383                                         symset_free(tmp);
1384                         }
1385                 }
1386         }
1387
1388 For each symbol we found (and placed in `done`) we collect all the items for
1389 which this symbol is next, and create a new itemset with "DOT" advanced over
1390 the symbol.  This is then added to the collection of itemsets (or merged
1391 with a pre-existing itemset).
1392
1393 ###### derive itemsets
1394         // Now we have a completed itemset, so we need to
1395         // compute all the 'next' itemsets and create them
1396         // if they don't exist.
1397         for (i = 0; i < done.cnt; i++) {
1398                 int j;
1399                 unsigned short state;
1400                 struct symbol *sym = g->symtab[done.syms[i]];
1401                 enum assoc assoc = Non;
1402                 unsigned short precedence = 0;
1403                 struct symset newitemset = INIT_SYMSET;
1404                 if (type >= LALR)
1405                         newitemset = INIT_DATASET;
1406
1407                 for (j = 0; j < is->items.cnt; j++) {
1408                         int itm = is->items.syms[j];
1409                         int p = item_prod(itm);
1410                         int bp = item_index(itm);
1411                         struct production *pr = g->productions[p];
1412                         unsigned short la = 0;
1413                         int pos;
1414
1415                         if (bp == pr->body_size)
1416                                 continue;
1417                         if (pr->body[bp] != sym)
1418                                 continue;
1419                         if (type >= LALR)
1420                                 la = is->items.data[j];
1421                         pos = symset_find(&newitemset, pr->head->num);
1422                         if (bp + 1 == pr->body_size &&
1423                             pr->precedence > 0 &&
1424                             pr->precedence > precedence) {
1425                                 // new itemset is reducible and has a precedence.
1426                                 precedence = pr->precedence;
1427                                 assoc = pr->assoc;
1428                         }
1429                         if (pos < 0)
1430                                 symset_add(&newitemset, item_num(p, bp+1), la);
1431                         else if (type >= LALR) {
1432                                 // Need to merge la set.
1433                                 int la2 = newitemset.data[pos];
1434                                 if (la != la2) {
1435                                         struct symset ss = set_find(g, la2);
1436                                         struct symset LA = INIT_SYMSET;
1437                                         symset_union(&LA, &ss);
1438                                         ss = set_find(g, la);
1439                                         if (symset_union(&LA, &ss))
1440                                                 newitemset.data[pos] = save_set(g, LA);
1441                                         else
1442                                                 symset_free(LA);
1443                                 }
1444                         }
1445                 }
1446                 state = add_itemset(g, newitemset, assoc, precedence, type);
1447                 if (symset_find(&is->go_to, done.syms[i]) < 0)
1448                         symset_add(&is->go_to, done.syms[i], state);
1449         }
1450
1451 All that is left is to create the initial itemset from production zero, and
1452 with `TK_eof` as the LA set.
1453
1454 ###### functions
1455         static void build_itemsets(struct grammar *g, enum grammar_type type)
1456         {
1457                 struct symset first = INIT_SYMSET;
1458                 struct itemset *is;
1459                 int again;
1460                 unsigned short la = 0;
1461                 if (type >= LALR) {
1462                         // LA set just has eof
1463                         struct symset eof = INIT_SYMSET;
1464                         symset_add(&eof, TK_eof, 0);
1465                         la = save_set(g, eof);
1466                         first = INIT_DATASET;
1467                 }
1468                 // production 0, offset 0 (with no data)
1469                 symset_add(&first, item_num(0, 0), la);
1470                 add_itemset(g, first, Non, 0, type);
1471                 for (again = 0, is = g->items;
1472                      is;
1473                      is = is->next ?: again ? (again = 0, g->items) : NULL) {
1474                         int i;
1475                         struct symset done = INIT_SYMSET;
1476                         if (is->completed)
1477                                 continue;
1478                         is->completed = 1;
1479                         again = 1;
1480                         ## complete itemset
1481                         ## derive itemsets
1482                         symset_free(done);
1483                 }
1484         }
1485
1486 ### Completing the analysis.
1487
1488 The exact process of analysis depends on which level was requested.  For
1489 `LR0` and `LR05` we don't need first and follow sets at all.  For `LALR` and
1490 `LR1` we need first, but not follow.  For `SLR` we need both.
1491
1492 We don't build the "action" tables that you might expect as the parser
1493 doesn't use them.  They will be calculated to some extent if needed for
1494 a report.
1495
1496 Once we have built everything we allocate arrays for the two lists:
1497 symbols and itemsets.  This allows more efficient access during reporting.
1498 The symbols are grouped as terminals and non-terminals and we record the
1499 changeover point in `first_nonterm`.
1500
1501 ###### grammar fields
1502         struct symbol **symtab;
1503         struct itemset **statetab;
1504         int first_nonterm;
1505
1506 ###### grammar_analyse
1507
1508         static void grammar_analyse(struct grammar *g, enum grammar_type type)
1509         {
1510                 struct symbol *s;
1511                 struct itemset *is;
1512                 int snum = TK_reserved;
1513                 for (s = g->syms; s; s = s->next)
1514                         if (s->num < 0 && s->type == Terminal) {
1515                                 s->num = snum;
1516                                 snum++;
1517                         }
1518                 g->first_nonterm = snum;
1519                 for (s = g->syms; s; s = s->next)
1520                         if (s->num < 0) {
1521                                 s->num = snum;
1522                                 snum++;
1523                         }
1524                 g->num_syms = snum;
1525                 g->symtab = calloc(g->num_syms, sizeof(g->symtab[0]));
1526                 for (s = g->syms; s; s = s->next)
1527                         g->symtab[s->num] = s;
1528
1529                 set_nullable(g);
1530                 set_line_like(g);
1531                 if (type >= SLR)
1532                         build_first(g);
1533
1534                 if (type == SLR)
1535                         build_follow(g);
1536
1537                 build_itemsets(g, type);
1538
1539                 g->statetab = calloc(g->states, sizeof(g->statetab[0]));
1540                 for (is = g->items; is ; is = is->next)
1541                         g->statetab[is->state] = is;
1542         }
1543
1544 ## Reporting on the Grammar
1545
1546 The purpose of the report is to give the grammar developer insight into
1547 how the grammar parser will work.  It is basically a structured dump of
1548 all the tables that have been generated, plus a description of any conflicts.
1549
1550 ###### grammar_report
1551         static int grammar_report(struct grammar *g, enum grammar_type type)
1552         {
1553                 report_symbols(g);
1554                 if (g->follow)
1555                         report_follow(g);
1556                 report_itemsets(g);
1557                 return report_conflicts(g, type);
1558         }
1559
1560 Firstly we have the complete list of symbols, together with the
1561 "FIRST" set if that was generated.  We add a mark to each symbol to
1562 show if it can end in a newline (`>`), if it is considered to be
1563 "line-like" (`<`), or if it is nullable (`.`).
1564
1565 ###### functions
1566
1567         static void report_symbols(struct grammar *g)
1568         {
1569                 int n;
1570                 if (g->first)
1571                         printf("SYMBOLS + FIRST:\n");
1572                 else
1573                         printf("SYMBOLS:\n");
1574
1575                 for (n = 0; n < g->num_syms; n++) {
1576                         struct symbol *s = g->symtab[n];
1577                         if (!s)
1578                                 continue;
1579
1580                         printf(" %c%c%3d%c: ",
1581                                s->nullable ? '.':' ',
1582                                s->line_like ? '<':' ',
1583                                s->num, symtypes[s->type]);
1584                         prtxt(s->name);
1585                         if (s->precedence)
1586                                 printf(" (%d%s)", s->precedence,
1587                                        assoc_names[s->assoc]);
1588
1589                         if (g->first && s->type == Nonterminal) {
1590                                 int j;
1591                                 char c = ':';
1592                                 for (j = 0; j < g->first[n].cnt; j++) {
1593                                         printf("%c ", c);
1594                                         c = ',';
1595                                         prtxt(g->symtab[g->first[n].syms[j]]->name);
1596                                 }
1597                         }
1598                         printf("\n");
1599                 }
1600         }
1601
1602 Then we have the follow sets if they were computed.
1603
1604         static void report_follow(struct grammar *g)
1605         {
1606                 int n;
1607                 printf("FOLLOW:\n");
1608                 for (n = 0; n < g->num_syms; n++)
1609                         if (g->follow[n].cnt) {
1610                                 int j;
1611                                 char c = ':';
1612                                 printf("  ");
1613                                 prtxt(g->symtab[n]->name);
1614                                 for (j = 0; j < g->follow[n].cnt; j++) {
1615                                         printf("%c ", c);
1616                                         c = ',';
1617                                         prtxt(g->symtab[g->follow[n].syms[j]]->name);
1618                                 }
1619                                 printf("\n");
1620                         }
1621         }
1622
1623 And finally the item sets.  These include the GO TO tables and, for
1624 LALR and LR1, the LA set for each item.  Lots of stuff, so we break
1625 it up a bit.  First the items, with production number and associativity.
1626
1627         static void report_item(struct grammar *g, int itm)
1628         {
1629                 int p = item_prod(itm);
1630                 int dot = item_index(itm);
1631                 struct production *pr = g->productions[p];
1632                 int i;
1633
1634                 printf("    ");
1635                 prtxt(pr->head->name);
1636                 printf(" ->");
1637                 for (i = 0; i < pr->body_size; i++) {
1638                         printf(" %s", (dot == i ? ". ": ""));
1639                         prtxt(pr->body[i]->name);
1640                 }
1641                 if (dot == pr->body_size)
1642                         printf(" .");
1643                 printf(" [%d]", p);
1644                 if (pr->precedence && dot == pr->body_size)
1645                         printf(" (%d%s)", pr->precedence,
1646                                assoc_names[pr->assoc]);
1647                 if (dot < pr->body_size &&
1648                     pr->body[dot]->precedence) {
1649                         struct symbol *s = pr->body[dot];
1650                         printf(" [%d%s]", s->precedence,
1651                                assoc_names[s->assoc]);
1652                 }
1653                 if (pr->line_like)
1654                         printf(" $$NEWLINE");
1655                 printf("\n");
1656         }
1657
1658 The LA sets which are (possibly) reported with each item:
1659
1660         static void report_la(struct grammar *g, int lanum)
1661         {
1662                 struct symset la = set_find(g, lanum);
1663                 int i;
1664                 char c = ':';
1665
1666                 printf("        LOOK AHEAD(%d)", lanum);
1667                 for (i = 0; i < la.cnt; i++) {
1668                         printf("%c ", c);
1669                         c = ',';
1670                         prtxt(g->symtab[la.syms[i]]->name);
1671                 }
1672                 printf("\n");
1673         }
1674
1675 Then the go to sets:
1676
1677         static void report_goto(struct grammar *g, struct symset gt)
1678         {
1679                 int i;
1680                 printf("    GOTO:\n");
1681
1682                 for (i = 0; i < gt.cnt; i++) {
1683                         printf("      ");
1684                         prtxt(g->symtab[gt.syms[i]]->name);
1685                         printf(" -> %d\n", gt.data[i]);
1686                 }
1687         }
1688
1689 Now we can report all the item sets complete with items, LA sets, and GO TO.
1690
1691         static void report_itemsets(struct grammar *g)
1692         {
1693                 int s;
1694                 printf("ITEM SETS(%d)\n", g->states);
1695                 for (s = 0; s < g->states; s++) {
1696                         int j;
1697                         struct itemset *is = g->statetab[s];
1698                         printf("  Itemset %d:%s min prefix=%d",
1699                                s, is->starts_line?" (startsline)":"", is->min_prefix);
1700                         if (is->precedence)
1701                                 printf(" %d%s", is->precedence, assoc_names[is->assoc]);
1702                         printf("\n");
1703                         for (j = 0; j < is->items.cnt; j++) {
1704                                 report_item(g, is->items.syms[j]);
1705                                 if (is->items.data != NO_DATA)
1706                                         report_la(g, is->items.data[j]);
1707                         }
1708                         report_goto(g, is->go_to);
1709                 }
1710         }
1711
1712 ### Reporting conflicts
1713
1714 Conflict detection varies a lot among different analysis levels.  However
1715 LR0 and LR0.5 are quite similar - having no follow sets, and SLR, LALR and
1716 LR1 are also similar as they have FOLLOW or LA sets.
1717
1718 ###### functions
1719
1720         ## conflict functions
1721
1722         static int report_conflicts(struct grammar *g, enum grammar_type type)
1723         {
1724                 int cnt = 0;
1725                 printf("Conflicts:\n");
1726                 if (type < SLR)
1727                         cnt = conflicts_lr0(g, type);
1728                 else
1729                         cnt = conflicts_slr(g, type);
1730                 if (cnt == 0)
1731                         printf(" - no conflicts\n");
1732                 return cnt;
1733         }
1734
1735 LR0 conflicts are any state which have both a reducible item and
1736 a shiftable item, or two reducible items.
1737
1738 LR05 conflicts only occur if two possible reductions exist,
1739 as shifts always over-ride reductions.
1740
1741 ###### conflict functions
1742         static int conflicts_lr0(struct grammar *g, enum grammar_type type)
1743         {
1744                 int i;
1745                 int cnt = 0;
1746                 for (i = 0; i < g->states; i++) {
1747                         struct itemset *is = g->statetab[i];
1748                         int last_reduce = -1;
1749                         int prev_reduce = -1;
1750                         int last_shift = -1;
1751                         int j;
1752                         if (!is)
1753                                 continue;
1754                         for (j = 0; j < is->items.cnt; j++) {
1755                                 int itm = is->items.syms[j];
1756                                 int p = item_prod(itm);
1757                                 int bp = item_index(itm);
1758                                 struct production *pr = g->productions[p];
1759
1760                                 if (bp == pr->body_size) {
1761                                         prev_reduce = last_reduce;
1762                                         last_reduce = j;
1763                                         continue;
1764                                 }
1765                                 if (pr->body[bp]->type == Terminal)
1766                                         last_shift = j;
1767                         }
1768                         if (type == LR0 && last_reduce >= 0 && last_shift >= 0) {
1769                                 printf("  State %d has both SHIFT and REDUCE:\n", i);
1770                                 report_item(g, is->items.syms[last_shift]);
1771                                 report_item(g, is->items.syms[last_reduce]);
1772                                 cnt++;
1773                         }
1774                         if (prev_reduce >= 0) {
1775                                 printf("  State %d has 2 (or more) reducible items\n", i);
1776                                 report_item(g, is->items.syms[prev_reduce]);
1777                                 report_item(g, is->items.syms[last_reduce]);
1778                                 cnt++;
1779                         }
1780                 }
1781                 return cnt;
1782         }
1783
1784 SLR, LALR, and LR1 conflicts happen if two reducible items have over-lapping
1785 look ahead, or if a symbol in a look-ahead can be shifted.  They differ only
1786 in the source of the look ahead set.
1787
1788 We build two datasets to reflect the "action" table: one which maps
1789 terminals to items where that terminal could be shifted and another
1790 which maps terminals to items that could be reduced when the terminal
1791 is in look-ahead.  We report when we get conflicts between the two.
1792
1793 As a special case, if we find a SHIFT/REDUCE conflict, on the NEWLINE
1794 terminal, we ignore it.  NEWLINES are handled specially with its own
1795 rules for when to shift and when to reduce.  Conflicts are expected,
1796 but handled internally.
1797
1798         static int conflicts_slr(struct grammar *g, enum grammar_type type)
1799         {
1800                 int i;
1801                 int cnt = 0;
1802
1803                 for (i = 0; i < g->states; i++) {
1804                         struct itemset *is = g->statetab[i];
1805                         struct symset shifts = INIT_DATASET;
1806                         struct symset reduce = INIT_DATASET;
1807                         int j;
1808                         if (!is)
1809                                 continue;
1810                         /* First collect the shifts */
1811                         for (j = 0; j < is->items.cnt; j++) {
1812                                 unsigned short itm = is->items.syms[j];
1813                                 int p = item_prod(itm);
1814                                 int bp = item_index(itm);
1815                                 struct production *pr = g->productions[p];
1816                                 struct symbol *s;
1817
1818                                 if (bp >= pr->body_size ||
1819                                     pr->body[bp]->type != Terminal)
1820                                         /* not shiftable */
1821                                         continue;
1822
1823                                 s = pr->body[bp];
1824                                 if (s->precedence && is->precedence)
1825                                         /* Precedence resolves this, so no conflict */
1826                                         continue;
1827
1828                                 if (symset_find(&shifts, s->num) < 0)
1829                                         symset_add(&shifts, s->num, itm);
1830                         }
1831                         /* Now look for reductions and conflicts */
1832                         for (j = 0; j < is->items.cnt; j++) {
1833                                 unsigned short itm = is->items.syms[j];
1834                                 int p = item_prod(itm);
1835                                 int bp = item_index(itm);
1836                                 struct production *pr = g->productions[p];
1837
1838                                 if (bp < pr->body_size)
1839                                         continue;
1840                                 /* reducible */
1841                                 struct symset la;
1842                                 if (type == SLR)
1843                                         la = g->follow[pr->head->num];
1844                                 else
1845                                         la = set_find(g, is->items.data[j]);
1846                                 int k;
1847                                 for (k = 0; k < la.cnt; k++) {
1848                                         int pos = symset_find(&shifts, la.syms[k]);
1849                                         if (pos >= 0 && la.syms[k] != TK_newline) {
1850                                                 printf("  State %d has SHIFT/REDUCE conflict on ", i);
1851                                                 cnt++;
1852                                                         prtxt(g->symtab[la.syms[k]]->name);
1853                                                 printf(":\n");
1854                                                 report_item(g, shifts.data[pos]);
1855                                                 report_item(g, itm);
1856                                         }
1857                                         pos = symset_find(&reduce, la.syms[k]);
1858                                         if (pos < 0) {
1859                                                 symset_add(&reduce, la.syms[k], itm);
1860                                                 continue;
1861                                         }
1862                                         printf("  State %d has REDUCE/REDUCE conflict on ", i);
1863                                         prtxt(g->symtab[la.syms[k]]->name);
1864                                         printf(":\n");
1865                                         report_item(g, itm);
1866                                         report_item(g, reduce.data[pos]);
1867                                         cnt++;
1868                                 }
1869                         }
1870                         symset_free(shifts);
1871                         symset_free(reduce);
1872                 }
1873                 return cnt;
1874         }
1875
1876 ## Generating the parser
1877
1878 The exported part of the parser is the `parse_XX` function, where the name
1879 `XX` is based on the name of the parser files.
1880
1881 This takes a `code_node`, a partially initialized `token_config`, and an
1882 optional `FILE` to send tracing to.  The `token_config` gets the list of
1883 known words added and then is used with the `code_node` to initialize the
1884 scanner.
1885
1886 `parse_XX` then calls the library function `parser_run` to actually complete
1887 the parse.  This needs the `states` table and function to call the various
1888 pieces of code provided in the grammar file, so they are generated first.
1889
1890 ###### parser_generate
1891
1892         static void gen_parser(FILE *f, struct grammar *g, char *file, char *name,
1893                                struct code_node *pre_reduce)
1894         {
1895                 gen_known(f, g);
1896                 gen_non_term(f, g);
1897                 gen_goto(f, g);
1898                 gen_states(f, g);
1899                 gen_reduce(f, g, file, pre_reduce);
1900                 gen_free(f, g);
1901
1902                 fprintf(f, "#line 0 \"gen_parser\"\n");
1903                 fprintf(f, "void *parse_%s(struct code_node *code, struct token_config *config, FILE *trace)\n",
1904                         name);
1905                 fprintf(f, "{\n");
1906                 fprintf(f, "\tstruct token_state *tokens;\n");
1907                 fprintf(f, "\tconfig->words_marks = known;\n");
1908                 fprintf(f, "\tconfig->known_count = sizeof(known)/sizeof(known[0]);\n");
1909                 fprintf(f, "\tconfig->ignored |= (1 << TK_line_comment) | (1 << TK_block_comment);\n");
1910                 fprintf(f, "\ttokens = token_open(code, config);\n");
1911                 fprintf(f, "\tvoid *rv = parser_run(tokens, states, do_reduce, do_free, trace, non_term, config);\n");
1912                 fprintf(f, "\ttoken_close(tokens);\n");
1913                 fprintf(f, "\treturn rv;\n");
1914                 fprintf(f, "}\n\n");
1915         }
1916
1917 ### Known words table
1918
1919 The known words table is simply an array of terminal symbols.
1920 The table of nonterminals used for tracing is a similar array.  We
1921 include virtual symbols in the table of non_terminals to keep the
1922 numbers right.
1923
1924 ###### functions
1925
1926         static void gen_known(FILE *f, struct grammar *g)
1927         {
1928                 int i;
1929                 fprintf(f, "#line 0 \"gen_known\"\n");
1930                 fprintf(f, "static const char *known[] = {\n");
1931                 for (i = TK_reserved;
1932                      i < g->num_syms && g->symtab[i]->type == Terminal;
1933                      i++)
1934                         fprintf(f, "\t\"%.*s\",\n", g->symtab[i]->name.len,
1935                                 g->symtab[i]->name.txt);
1936                 fprintf(f, "};\n\n");
1937         }
1938
1939         static void gen_non_term(FILE *f, struct grammar *g)
1940         {
1941                 int i;
1942                 fprintf(f, "#line 0 \"gen_non_term\"\n");
1943                 fprintf(f, "static const char *non_term[] = {\n");
1944                 for (i = TK_reserved;
1945                      i < g->num_syms;
1946                      i++)
1947                         if (g->symtab[i]->type != Terminal)
1948                                 fprintf(f, "\t\"%.*s\",\n", g->symtab[i]->name.len,
1949                                         g->symtab[i]->name.txt);
1950                 fprintf(f, "};\n\n");
1951         }
1952
1953 ### States and the goto tables.
1954
1955 For each state we record the goto table, the reducible production if
1956 there is one, or a symbol to shift for error recovery.
1957 Some of the details of the reducible production are stored in the
1958 `do_reduce` function to come later.  Here we store the production number,
1959 the body size (useful for stack management) and the resulting symbol (useful
1960 for knowing how to free data later).
1961
1962 The go to table is stored in a simple array of `sym` and corresponding
1963 `state`.
1964
1965 ###### exported types
1966
1967         struct lookup {
1968                 short sym;
1969                 short state;
1970         };
1971         struct state {
1972                 short go_to_cnt;
1973                 const struct lookup * go_to;
1974                 short reduce_prod;
1975                 short reduce_size;
1976                 short reduce_sym;
1977                 char starts_line;
1978                 char newline_only;
1979                 short min_prefix;
1980         };
1981
1982 ###### functions
1983
1984         static void gen_goto(FILE *f, struct grammar *g)
1985         {
1986                 int i;
1987                 fprintf(f, "#line 0 \"gen_goto\"\n");
1988                 for (i = 0; i < g->states; i++) {
1989                         int j;
1990                         fprintf(f, "static const struct lookup goto_%d[] = {\n",
1991                                 i);
1992                         struct symset gt = g->statetab[i]->go_to;
1993                         for (j = 0; j < gt.cnt; j++)
1994                                 fprintf(f, "\t{ %d, %d },\n",
1995                                         gt.syms[j], gt.data[j]);
1996                         fprintf(f, "};\n");
1997                 }
1998         }
1999
2000 ###### functions
2001
2002         static void gen_states(FILE *f, struct grammar *g)
2003         {
2004                 int i;
2005                 fprintf(f, "#line 0 \"gen_states\"\n");
2006                 fprintf(f, "static const struct state states[] = {\n");
2007                 for (i = 0; i < g->states; i++) {
2008                         struct itemset *is = g->statetab[i];
2009                         int j, prod = -1, prod_len;
2010
2011                         for (j = 0; j < is->items.cnt; j++) {
2012                                 int itm = is->items.syms[j];
2013                                 int p = item_prod(itm);
2014                                 int bp = item_index(itm);
2015                                 struct production *pr = g->productions[p];
2016
2017                                 if (bp < pr->body_size)
2018                                         continue;
2019                                 /* This is what we reduce */
2020                                 if (prod < 0 || prod_len < pr->body_size) {
2021                                         prod = p;
2022                                         prod_len = pr->body_size;
2023                                 }
2024                         }
2025
2026                         if (prod >= 0)
2027                                 fprintf(f, "\t[%d] = { %d, goto_%d, %d, %d, %d, %d, %d, %d },\n",
2028                                         i, is->go_to.cnt, i, prod,
2029                                         g->productions[prod]->body_size,
2030                                         g->productions[prod]->head->num,
2031                                         is->starts_line,
2032                                         g->productions[prod]->line_like,
2033                                         is->min_prefix);
2034                         else
2035                                 fprintf(f, "\t[%d] = { %d, goto_%d, -1, -1, -1, %d, 0, %d },\n",
2036                                         i, is->go_to.cnt, i,
2037                                         is->starts_line, is->min_prefix);
2038                 }
2039                 fprintf(f, "};\n\n");
2040         }
2041
2042 ### The `do_reduce` function and the code
2043
2044 When the parser engine decides to reduce a production, it calls `do_reduce`.
2045 This has two functions.
2046
2047 Firstly, if a non-NULL `trace` file is passed, it prints out details of the
2048 production being reduced.  Secondly it runs the code that was included with
2049 the production if any.
2050
2051 This code needs to be able to store data somewhere.  Rather than requiring
2052 `do_reduce` to `malloc` that "somewhere", we pass in a large buffer and have
2053 `do_reduce` return the size to be saved.
2054
2055 In order for the code to access "global" context, we pass in the
2056 "config" pointer that was passed to parser function.  If the `struct
2057 token_config` is embedded in some larger structure, the reducing code
2058 can access the larger structure using pointer manipulation.
2059
2060 The code fragment requires translation when written out.  Any `$N` needs to
2061 be converted to a reference either to that buffer (if `$0`) or to the
2062 structure returned by a previous reduction.  These pointers need to be cast
2063 to the appropriate type for each access.  All this is handled in
2064 `gen_code`.
2065
2066 `gen_code` also allows symbol references to contain a '`<`' as in '`$<2`'.
2067 This applied only to symbols with references (or pointers), not those with structures.
2068 The `<` implies that the reference it being moved out, so the object will not be
2069 automatically freed.  This is equivalent to assigning `NULL` to the pointer.
2070
2071 ###### functions
2072
2073         static void gen_code(struct production *p, FILE *f, struct grammar *g)
2074         {
2075                 char *c;
2076                 char *used = calloc(1, p->body_size);
2077                 int i;
2078
2079                 fprintf(f, "\t\t\t");
2080                 for (c = p->code.txt; c < p->code.txt + p->code.len; c++) {
2081                         int n;
2082                         int use = 0;
2083                         if (*c != '$') {
2084                                 fputc(*c, f);
2085                                 if (*c == '\n')
2086                                         fputs("\t\t\t", f);
2087                                 continue;
2088                         }
2089                         c++;
2090                         if (*c == '<') {
2091                                 use = 1;
2092                                 c++;
2093                         }
2094                         if (*c < '0' || *c > '9') {
2095                                 if (use)
2096                                         fputc('<', f);
2097                                 fputc(*c, f);
2098                                 continue;
2099                         }
2100                         n = *c - '0';
2101                         while (c[1] >= '0' && c[1] <= '9') {
2102                                 c += 1;
2103                                 n = n * 10 + *c - '0';
2104                         }
2105                         if (n == 0)
2106                                 fprintf(f, "(*(struct %.*s*%s)ret)",
2107                                         p->head->struct_name.len,
2108                                         p->head->struct_name.txt,
2109                                         p->head->isref ? "*":"");
2110                         else if (n > p->body_size)
2111                                 fprintf(f, "$%d", n);
2112                         else if (p->body[n-1]->type == Terminal)
2113                                 fprintf(f, "(*(struct token *)body[%d])",
2114                                         n-1);
2115                         else if (p->body[n-1]->struct_name.txt == NULL)
2116                                 fprintf(f, "$%d", n);
2117                         else {
2118                                 fprintf(f, "(*(struct %.*s*%s)body[%d])",
2119                                         p->body[n-1]->struct_name.len,
2120                                         p->body[n-1]->struct_name.txt,
2121                                         p->body[n-1]->isref ? "*":"", n-1);
2122                                 used[n-1] = use;
2123                         }
2124                 }
2125                 fputs("\n", f);
2126                 for (i = 0; i < p->body_size; i++) {
2127                         if (p->body[i]->struct_name.txt &&
2128                             used[i]) {
2129                                 // assume this has been copied out
2130                                 if (p->body[i]->isref)
2131                                         fprintf(f, "\t\t*(void**)body[%d] = NULL;\n", i);
2132                                 else
2133                                         fprintf(f, "\t\tmemset(body[%d], 0, sizeof(struct %.*s));\n", i, p->body[i]->struct_name.len, p->body[i]->struct_name.txt);
2134                         }
2135                 }
2136                 free(used);
2137         }
2138
2139 ###### functions
2140
2141         static void gen_reduce(FILE *f, struct grammar *g, char *file,
2142                                struct code_node *code)
2143         {
2144                 int i;
2145                 fprintf(f, "#line 1 \"gen_reduce\"\n");
2146                 fprintf(f, "static int do_reduce(int prod, void **body, struct token_config *config, void *ret)\n");
2147                 fprintf(f, "{\n");
2148                 fprintf(f, "\tint ret_size = 0;\n");
2149                 if (code)
2150                         code_node_print(f, code, file);
2151
2152                 fprintf(f, "#line 4 \"gen_reduce\"\n");
2153                 fprintf(f, "\tswitch(prod) {\n");
2154                 for (i = 0; i < g->production_count; i++) {
2155                         struct production *p = g->productions[i];
2156                         fprintf(f, "\tcase %d:\n", i);
2157
2158                         if (p->code.txt) {
2159                                 fprintf(f, "#line %d \"%s\"\n", p->code_line, file);
2160                                 gen_code(p, f, g);
2161                         }
2162
2163                         if (p->head->struct_name.txt)
2164                                 fprintf(f, "\t\tret_size = sizeof(struct %.*s%s);\n",
2165                                         p->head->struct_name.len,
2166                                         p->head->struct_name.txt,
2167                                         p->head->isref ? "*":"");
2168
2169                         fprintf(f, "\t\tbreak;\n");
2170                 }
2171                 fprintf(f, "\t}\n\treturn ret_size;\n}\n\n");
2172         }
2173
2174 ### `do_free`
2175
2176 As each non-terminal can potentially cause a different type of data
2177 structure to be allocated and filled in, we need to be able to free it when
2178 done.
2179
2180 It is particularly important to have fine control over freeing during error
2181 recovery where individual stack frames might need to be freed.
2182
2183 For this, the grammar author is required to defined a `free_XX` function for
2184 each structure that is used by a non-terminal.  `do_free` will call whichever
2185 is appropriate given a symbol number, and will call `free` (as is
2186 appropriate for tokens) on any terminal symbol.
2187
2188 ###### functions
2189
2190         static void gen_free(FILE *f, struct grammar *g)
2191         {
2192                 int i;
2193
2194                 fprintf(f, "#line 0 \"gen_free\"\n");
2195                 fprintf(f, "static void do_free(short sym, void *asn)\n");
2196                 fprintf(f, "{\n");
2197                 fprintf(f, "\tif (!asn) return;\n");
2198                 fprintf(f, "\tif (sym < %d) {\n", g->first_nonterm);
2199                 fprintf(f, "\t\tfree(asn);\n\t\treturn;\n\t}\n");
2200                 fprintf(f, "\tswitch(sym) {\n");
2201
2202                 for (i = 0; i < g->num_syms; i++) {
2203                         struct symbol *s = g->symtab[i];
2204                         if (!s ||
2205                             s->type != Nonterminal ||
2206                             s->struct_name.txt == NULL)
2207                                 continue;
2208
2209                         fprintf(f, "\tcase %d:\n", s->num);
2210                         if (s->isref) {
2211                                 fprintf(f, "\t\tfree_%.*s(*(void**)asn);\n",
2212                                         s->struct_name.len,
2213                                         s->struct_name.txt);
2214                                 fprintf(f, "\t\tfree(asn);\n");
2215                         } else
2216                                 fprintf(f, "\t\tfree_%.*s(asn);\n",
2217                                         s->struct_name.len,
2218                                         s->struct_name.txt);
2219                         fprintf(f, "\t\tbreak;\n");
2220                 }
2221                 fprintf(f, "\t}\n}\n\n");
2222         }
2223
2224 ## The main routine.
2225
2226 There are three key parts to the "main" function of parsergen: processing
2227 the arguments, loading the grammar file, and dealing with the grammar.
2228
2229 ### Argument processing.
2230
2231 Command line options allow the selection of analysis mode, name of output
2232 file, and whether or not a report should be generated.  By default we create
2233 a report only if no code output was requested.
2234
2235 The `parse_XX` function name uses the basename of the output file which
2236 should not have a suffix (`.c`).  `.c` is added to the given name for the
2237 code, and `.h` is added for the header (if header text is specifed in the
2238 grammar file).
2239
2240 ###### includes
2241         #include <getopt.h>
2242
2243 ###### declarations
2244         static const struct option long_options[] = {
2245                 { "LR0",        0, NULL, '0' },
2246                 { "LR05",       0, NULL, '5' },
2247                 { "SLR",        0, NULL, 'S' },
2248                 { "LALR",       0, NULL, 'L' },
2249                 { "LR1",        0, NULL, '1' },
2250                 { "tag",        1, NULL, 't' },
2251                 { "report",     0, NULL, 'R' },
2252                 { "output",     1, NULL, 'o' },
2253                 { NULL,         0, NULL, 0   }
2254         };
2255         const char *options = "05SL1t:Ro:";
2256
2257 ###### process arguments
2258         int opt;
2259         char *outfile = NULL;
2260         char *infile;
2261         char *name;
2262         char *tag = NULL;
2263         int report = 1;
2264         enum grammar_type type = LR05;
2265         while ((opt = getopt_long(argc, argv, options,
2266                                   long_options, NULL)) != -1) {
2267                 switch(opt) {
2268                 case '0':
2269                         type = LR0; break;
2270                 case '5':
2271                         type = LR05; break;
2272                 case 'S':
2273                         type = SLR; break;
2274                 case 'L':
2275                         type = LALR; break;
2276                 case '1':
2277                         type = LR1; break;
2278                 case 'R':
2279                         report = 2; break;
2280                 case 'o':
2281                         outfile = optarg; break;
2282                 case 't':
2283                         tag = optarg; break;
2284                 default:
2285                         fprintf(stderr, "Usage: parsergen ...\n");
2286                         exit(1);
2287                 }
2288         }
2289         if (optind < argc)
2290                 infile = argv[optind++];
2291         else {
2292                 fprintf(stderr, "No input file given\n");
2293                 exit(1);
2294         }
2295         if (outfile && report == 1)
2296                 report = 0;
2297         name = outfile;
2298         if (name && strchr(name, '/'))
2299                 name = strrchr(name, '/')+1;
2300
2301         if (optind < argc) {
2302                 fprintf(stderr, "Excess command line arguments\n");
2303                 exit(1);
2304         }
2305
2306 ### Loading the grammar file
2307
2308 To be able to run `mdcode` and `scanner` on the grammar we need to memory
2309 map it.
2310
2311 Once we have extracted the code (with `mdcode`) we expect to find three
2312 sections: header, code, and grammar.  Anything else that is not
2313 excluded by the `--tag` option is an error.
2314
2315 "header" and "code" are optional, though it is hard to build a working
2316 parser with neither. "grammar" must be provided.
2317
2318 ###### includes
2319         #include <fcntl.h>
2320         #include <sys/mman.h>
2321         #include <errno.h>
2322
2323 ###### functions
2324         static int errs;
2325         static void pr_err(char *msg)
2326         {
2327                 errs++;
2328                 fprintf(stderr, "%s\n", msg);
2329         }
2330
2331 ###### load file
2332         struct section *table;
2333         int fd;
2334         int len;
2335         char *file;
2336         fd = open(infile, O_RDONLY);
2337         if (fd < 0) {
2338                 fprintf(stderr, "parsergen: cannot open %s: %s\n",
2339                         infile, strerror(errno));
2340                 exit(1);
2341         }
2342         len = lseek(fd, 0, 2);
2343         file = mmap(NULL, len, PROT_READ, MAP_SHARED, fd, 0);
2344         table = code_extract(file, file+len, pr_err);
2345
2346         struct code_node *hdr = NULL;
2347         struct code_node *code = NULL;
2348         struct code_node *gram = NULL;
2349         struct code_node *pre_reduce = NULL;
2350         for (s = table; s; s = s->next) {
2351                 struct text sec = s->section;
2352                 if (tag && !strip_tag(&sec, tag))
2353                         continue;
2354                 if (text_is(sec, "header"))
2355                         hdr = s->code;
2356                 else if (text_is(sec, "code"))
2357                         code = s->code;
2358                 else if (text_is(sec, "grammar"))
2359                         gram = s->code;
2360                 else if (text_is(sec, "reduce"))
2361                         pre_reduce = s->code;
2362                 else {
2363                         fprintf(stderr, "Unknown content section: %.*s\n",
2364                                 s->section.len, s->section.txt);
2365                         rv |= 2;
2366                 }
2367         }
2368
2369 ### Processing the input
2370
2371 As we need to append an extention to a filename and then open it for
2372 writing, and we need to do this twice, it helps to have a separate function.
2373
2374 ###### functions
2375
2376         static FILE *open_ext(char *base, char *ext)
2377         {
2378                 char *fn = malloc(strlen(base) + strlen(ext) + 1);
2379                 FILE *f;
2380                 strcat(strcpy(fn, base), ext);
2381                 f = fopen(fn, "w");
2382                 free(fn);
2383                 return f;
2384         }
2385
2386 If we can read the grammar, then we analyse and optionally report on it.  If
2387 the report finds conflicts we will exit with an error status.
2388
2389 ###### process input
2390         struct grammar *g = NULL;
2391         if (gram == NULL) {
2392                 fprintf(stderr, "No grammar section provided\n");
2393                 rv |= 2;
2394         } else {
2395                 g = grammar_read(gram);
2396                 if (!g) {
2397                         fprintf(stderr, "Failure to parse grammar\n");
2398                         rv |= 2;
2399                 }
2400         }
2401         if (g) {
2402                 grammar_analyse(g, type);
2403                 if (report)
2404                         if (grammar_report(g, type))
2405                                 rv |= 1;
2406         }
2407
2408 If a "headers" section is defined, we write it out and include a declaration
2409 for the `parse_XX` function so it can be used from separate code.
2410
2411         if (rv == 0 && hdr && outfile) {
2412                 FILE *f = open_ext(outfile, ".h");
2413                 if (f) {
2414                         code_node_print(f, hdr, infile);
2415                         fprintf(f, "void *parse_%s(struct code_node *code, struct token_config *config, FILE *trace);\n",
2416                                 name);
2417                         fclose(f);
2418                 } else {
2419                         fprintf(stderr, "Cannot create %s.h\n",
2420                                 outfile);
2421                         rv |= 4;
2422                 }
2423         }
2424
2425 And if all goes well and an output file was provided, we create the `.c`
2426 file with the code section (if any) and the parser tables and function.
2427
2428         if (rv == 0 && outfile) {
2429                 FILE *f = open_ext(outfile, ".c");
2430                 if (f) {
2431                         if (code)
2432                                 code_node_print(f, code, infile);
2433                         gen_parser(f, g, infile, name, pre_reduce);
2434                         fclose(f);
2435                 } else {
2436                         fprintf(stderr, "Cannot create %s.c\n",
2437                                 outfile);
2438                         rv |= 4;
2439                 }
2440         }
2441
2442 And that about wraps it up.  We need to set the locale so that UTF-8 is
2443 recognised properly, and link with `libicuuc` as `libmdcode` requires that.
2444
2445 ###### File: parsergen.mk
2446         parsergen : parsergen.o libscanner.o libmdcode.o
2447                 $(CC) $(CFLAGS) -o parsergen parsergen.o libscanner.o libmdcode.o -licuuc
2448
2449 ###### includes
2450         #include <locale.h>
2451
2452 ###### main
2453
2454         int main(int argc, char *argv[])
2455         {
2456                 struct section *s;
2457                 int rv = 0;
2458
2459                 setlocale(LC_ALL,"");
2460
2461                 ## process arguments
2462                 ## load file
2463                 ## process input
2464
2465                 return rv;
2466         }
2467
2468 ## The SHIFT/REDUCE parser
2469
2470 Having analysed the grammar and generated all the tables, we only need the
2471 shift/reduce engine to bring it all together.
2472
2473 ### Goto table lookup
2474
2475 The parser generator has nicely provided us with goto tables sorted by
2476 symbol number.  We need a binary search function to find a symbol in the
2477 table.
2478
2479 ###### parser functions
2480
2481         static int search(const struct state *l, int sym)
2482         {
2483                 int lo = 0;
2484                 int hi = l->go_to_cnt;
2485
2486                 if (hi == 0)
2487                         return -1;
2488                 while (lo + 1 < hi) {
2489                         int mid = (lo + hi) / 2;
2490                         if (l->go_to[mid].sym <= sym)
2491                                 lo = mid;
2492                         else
2493                                 hi = mid;
2494                 }
2495                 if (l->go_to[lo].sym == sym)
2496                         return l->go_to[lo].state;
2497                 else
2498                         return -1;
2499         }
2500
2501 ### The state stack.
2502
2503 The core data structure for the parser is the stack.  This tracks all the
2504 symbols that have been recognised or partially recognised.
2505
2506 The stack usually won't grow very large - maybe a few tens of entries.  So
2507 we dynamically resize and array as required but never bother to shrink it
2508 down again.
2509
2510 We keep the stack as two separate allocations.  One, `asn_stack` stores the
2511 "abstract syntax nodes" which are created by each reduction.  When we call
2512 `do_reduce` we need to pass an array of the `asn`s of the body of the
2513 production, and by keeping a separate `asn` stack, we can just pass a
2514 pointer into this stack.
2515
2516 The other allocation stores all other stack fields of which there are six.
2517 The `state` is the most important one and guides the parsing process.  The
2518 `sym` is nearly unnecessary.  However when we want to free entries from the
2519 `asn_stack`, it helps to know what type they are so we can call the right
2520 freeing function.  The symbol leads us to the right free function through
2521 `do_free`.
2522
2523 The `indents` count tracks the line indents with-in the symbol or
2524 immediately follow it.  These are used to allow indent information to
2525 guide parsing and error recovery.
2526
2527 `since_newline` tracks how many stack frames since the last
2528 start-of-line (whether indented or not).  So if `since_newline` is
2529 zero, then this symbol is at the start of a line.  Similarly
2530 `since_indent` counts the number of states since an indent, it is zero
2531 precisely when `indents` is not zero.
2532
2533 `newline_permitted` keeps track of whether newlines should be ignored
2534 or not.
2535
2536 The stack is most properly seen as alternating states and symbols -
2537 states, like the 'DOT' in items, are between symbols.  Each frame in
2538 our stack holds a state and the symbol that was before it.  The
2539 bottom of stack holds the start state but no symbol, as nothing came
2540 before the beginning.
2541
2542 ###### parser functions
2543
2544         struct parser {
2545                 struct frame {
2546                         short state;
2547                         short newline_permitted;
2548
2549                         short sym;
2550                         short indents;
2551                         short since_newline;
2552                         short since_indent;
2553                 } *stack;
2554                 void **asn_stack;
2555                 int stack_size;
2556                 int tos;
2557         };
2558
2559 #### Shift and pop
2560
2561 Two operations are needed on the stack - shift (which is like push) and pop.
2562
2563 Shift applies not only to terminals but also to non-terminals.  When
2564 we reduce a production we will pop off entries corresponding to the
2565 body symbols, then push on an item for the head of the production.
2566 This last is exactly the same process as shifting in a terminal so we
2567 use the same function for both.  In both cases we provide the symbol,
2568 the number of indents the symbol contains (which will be zero for a
2569 terminal symbol) and a flag indicating the the symbol was at (or was
2570 reduced from a symbol which was at) the start of a line.  The state is
2571 deduced from the current top-of-stack state and the new symbol.
2572
2573 To simplify other code we arrange for `shift` to fail if there is no `goto`
2574 state for the symbol.  This is useful in basic parsing due to our design
2575 that we shift when we can, and reduce when we cannot.  So the `shift`
2576 function reports if it could.
2577
2578 `shift` is also used to push state zero onto the stack, so if the
2579 stack is empty, it always chooses zero as the next state.
2580
2581 So `shift` finds the next state.  If that succeeds it extends the
2582 allocations if needed and pushes all the information onto the stacks.
2583
2584 Newlines are permitted after a `starts_line` state until an internal
2585 indent.  If the new frame has neither a `starts_line` state nor an
2586 indent, newlines are permitted if the previous stack frame permitted
2587 them.
2588
2589 ###### parser functions
2590
2591         static int shift(struct parser *p,
2592                          short sym, short indents, short start_of_line,
2593                          void *asn,
2594                          const struct state states[])
2595         {
2596                 // Push an entry onto the stack
2597                 struct frame next = {0};
2598                 int newstate = p->tos
2599                         ? search(&states[p->stack[p->tos-1].state],
2600                                  sym)
2601                         : 0;
2602                 if (newstate < 0)
2603                         return 0;
2604                 if (p->tos >= p->stack_size) {
2605                         p->stack_size += 10;
2606                         p->stack = realloc(p->stack, p->stack_size
2607                                            * sizeof(p->stack[0]));
2608                         p->asn_stack = realloc(p->asn_stack, p->stack_size
2609                                            * sizeof(p->asn_stack[0]));
2610                 }
2611                 next.sym = sym;
2612                 next.indents = indents;
2613                 next.state = newstate;
2614                 if (states[newstate].starts_line)
2615                         next.newline_permitted = 1;
2616                 else if (indents)
2617                         next.newline_permitted = 0;
2618                 else if (p->tos)
2619                         next.newline_permitted =
2620                                 p->stack[p->tos-1].newline_permitted;
2621                 else
2622                         next.newline_permitted = 0;
2623
2624                 if (!start_of_line) {
2625                         if (p->tos)
2626                                 next.since_newline = p->stack[p->tos-1].since_newline + 1;
2627                         else
2628                                 next.since_newline = 1;
2629                 }
2630                 if (indents)
2631                         next.since_indent = 0;
2632                 else if (p->tos)
2633                         next.since_indent = p->stack[p->tos-1].since_indent + 1;
2634                 else
2635                         next.since_indent = 1;
2636
2637                 p->stack[p->tos] = next;
2638                 p->asn_stack[p->tos] = asn;
2639                 p->tos++;
2640                 return 1;
2641         }
2642
2643 `pop` primarily moves the top of stack (`tos`) back down the required
2644 amount and frees any `asn` entries that need to be freed.  It also
2645 collects a summary of the indents and line starts in the symbols that
2646 are being removed. It is called _after_ we reduce a production, just
2647 before we `shift` the nonterminal in.
2648
2649 ###### parser functions
2650
2651         static int pop(struct parser *p, int num,
2652                        short *start_of_line,
2653                        void(*do_free)(short sym, void *asn))
2654         {
2655                 int i;
2656                 short indents = 0;
2657                 int sol = 0;
2658
2659                 p->tos -= num;
2660                 for (i = 0; i < num; i++) {
2661                         sol |= !p->stack[p->tos+i].since_newline;
2662                         indents += p->stack[p->tos+i].indents;
2663                         do_free(p->stack[p->tos+i].sym,
2664                                 p->asn_stack[p->tos+i]);
2665                 }
2666                 if (start_of_line)
2667                         *start_of_line = sol;
2668                 return indents;
2669         }
2670
2671 ### Memory allocation
2672
2673 The `scanner` returns tokens in a local variable - we want them in allocated
2674 memory so they can live in the `asn_stack`.  Similarly the `asn` produced by
2675 a reduce is in a large buffer.  Both of these require some allocation and
2676 copying, hence `memdup` and `tokcopy`.
2677
2678 ###### parser includes
2679         #include <memory.h>
2680
2681 ###### parser functions
2682
2683         void *memdup(void *m, int len)
2684         {
2685                 void *ret;
2686                 if (len == 0)
2687                         return NULL;
2688                 ret = malloc(len);
2689                 memcpy(ret, m, len);
2690                 return ret;
2691         }
2692
2693         static struct token *tok_copy(struct token tk)
2694         {
2695                 struct token *new = malloc(sizeof(*new));
2696                 *new = tk;
2697                 return new;
2698         }
2699
2700 ### The heart of the parser.
2701
2702 Now we have the parser.  If we can shift we do, though newlines and
2703 reducing indenting may block that.  If not and we can reduce we do
2704 that.  If the production we reduced was production zero, then we have
2705 accepted the input and can finish.
2706
2707 We return whatever `asn` was returned by reducing production zero.
2708
2709 If we can neither shift nor reduce we have an error to handle.  We pop
2710 single entries off the stack until we can shift the `TK_error` symbol, then
2711 drop input tokens until we find one we can shift into the new error state.
2712
2713 When we find `TK_in` and `TK_out` tokens which report indents we need
2714 to handle them directly as the grammar cannot express what we want to
2715 do with them.
2716
2717 `TK_in` tokens are easy: we simply update indent count in the top stack frame to
2718 record how many indents there are following the previous token.
2719
2720 `TK_out` tokens must be canceled against an indent count
2721 within the stack.  If we can reduce some symbols that are all since
2722 the most recent indent, then we do that first.  If the minimum prefix
2723 of the current state then extends back before the most recent indent,
2724 that indent can be cancelled.  If the minimum prefix is shorter then
2725 the indent had ended prematurely and we must start error handling, which
2726 is still a work-in-progress.
2727
2728 `TK_newline` tokens are ignored unless the top stack frame records
2729 that they are permitted.  In that case they will not be considered for
2730 shifting if it is possible to reduce some symbols that are all since
2731 the most recent start of line.  This is how a newline forcibly
2732 terminates any line-like structure - we try to reduce down to at most
2733 one symbol for each line where newlines are allowed.
2734 A consequence of this is that a rule like
2735
2736 ###### Example: newlines - broken
2737
2738         Newlines ->
2739                 | NEWLINE Newlines
2740         IfStatement -> Newlines if ....
2741
2742 cannot work, as the NEWLINE will never be shifted as the empty string
2743 will be reduced first.  Optional sets of newlines need to be include
2744 in the thing that preceed:
2745
2746 ###### Example: newlines - works
2747
2748         If -> if
2749                 | NEWLINE If
2750         IfStatement -> If ....
2751
2752 Here the NEWLINE will be shifted because nothing can be reduced until
2753 the `if` is seen.
2754
2755 When, during error handling, we discard token read in, we want to keep
2756 discarding until we see one that is recognised.  If we had a full set
2757 of LR(1) grammar states, this will mean looking in the look-ahead set,
2758 but we don't keep a full look-ahead set.  We only record the subset
2759 that leads to SHIFT.  We can, however, deduce the look-ahead set but
2760 looking at the SHIFT subsets for all states that we can get to by
2761 reducing zero or more times.  So we need a little function which
2762 checks if a given token is in any of these look-ahead sets.
2763
2764 ###### parser includes
2765         #include "parser.h"
2766
2767 ###### parser_run
2768
2769         static int in_lookahead(struct token *tk, const struct state *states, int state)
2770         {
2771                 while (state >= 0) {
2772                         if (search(&states[state], tk->num) >= 0)
2773                                 return 1;
2774                         if (states[state].reduce_prod < 0)
2775                                 return 0;
2776                         state = search(&states[state], states[state].reduce_sym);
2777                 }
2778                 return 0;
2779         }
2780
2781         void *parser_run(struct token_state *tokens,
2782                          const struct state states[],
2783                          int (*do_reduce)(int, void**, struct token_config*, void*),
2784                          void (*do_free)(short, void*),
2785                          FILE *trace, const char *non_term[],
2786                          struct token_config *config)
2787         {
2788                 struct parser p = { 0 };
2789                 struct token *tk = NULL;
2790                 int accepted = 0;
2791                 void *ret = NULL;
2792
2793                 shift(&p, TK_eof, 0, 1, NULL, states);
2794                 while (!accepted) {
2795                         struct token *err_tk;
2796                         struct frame *tos = &p.stack[p.tos-1];
2797                         if (!tk)
2798                                 tk = tok_copy(token_next(tokens));
2799                         parser_trace(trace, &p,
2800                                      tk, states, non_term, config->known_count);
2801
2802                         if (tk->num == TK_in) {
2803                                 tos->indents += 1;
2804                                 tos->since_newline = 0;
2805                                 tos->since_indent = 0;
2806                                 if (!states[tos->state].starts_line)
2807                                         tos->newline_permitted = 0;
2808                                 free(tk);
2809                                 tk = NULL;
2810                                 parser_trace_action(trace, "Record");
2811                                 continue;
2812                         }
2813                         if (tk->num == TK_out) {
2814                                 if (states[tos->state].reduce_size >= 0 &&
2815                                     states[tos->state].reduce_size <= tos->since_indent)
2816                                         goto force_reduce;
2817                                 if (states[tos->state].min_prefix >= tos->since_indent) {
2818                                         // OK to cancel
2819                                         struct frame *in = tos - tos->since_indent;
2820                                         in->indents -= 1;
2821                                         if (in->indents == 0) {
2822                                                 /* Reassess since_indent and newline_permitted */
2823                                                 if (in > p.stack) {
2824                                                         in->since_indent = in[-1].since_indent + 1;
2825                                                         in->newline_permitted = in[-1].newline_permitted;
2826                                                 } else {
2827                                                         in->since_indent = 0;
2828                                                         in->newline_permitted = 0;
2829                                                 }
2830                                                 if (states[in->state].starts_line)
2831                                                         in->newline_permitted = 1;
2832                                                 while (in < tos) {
2833                                                         in += 1;
2834                                                         in->since_indent = in[-1].since_indent + 1;
2835                                                         if (states[in->state].starts_line)
2836                                                                 in->newline_permitted = 1;
2837                                                         else
2838                                                                 in->newline_permitted = in[-1].newline_permitted;
2839                                                 }
2840                                         }
2841                                         free(tk);
2842                                         tk = NULL;
2843                                         parser_trace_action(trace, "Cancel");
2844                                         continue;
2845                                 }
2846                                 // fall through to error handling as both SHIFT and REDUCE
2847                                 // will fail.
2848                         }
2849                         if (tk->num == TK_newline) {
2850                                 if (!tos->newline_permitted) {
2851                                         free(tk);
2852                                         tk = NULL;
2853                                         parser_trace_action(trace, "Discard");
2854                                         continue;
2855                                 }
2856                                 if (tos->since_newline > 1 &&
2857                                     states[tos->state].reduce_size >= 0 &&
2858                                     states[tos->state].reduce_size <= tos->since_newline)
2859                                         goto force_reduce;
2860                         }
2861                         if (shift(&p, tk->num, 0, tk->num == TK_newline, tk, states)) {
2862                                 tk = NULL;
2863                                 parser_trace_action(trace, "Shift");
2864                                 continue;
2865                         }
2866                 force_reduce:
2867                         if (states[tos->state].reduce_prod >= 0 &&
2868                             states[tos->state].newline_only &&
2869                             tk->num != TK_newline && tk->num != TK_eof && tk->num != TK_out) {
2870                                 /* Anything other than newline in an error as this
2871                                  * production must end at EOL
2872                                  */
2873                         } else if (states[tos->state].reduce_prod >= 0) {
2874                                 void **body;
2875                                 void *res;
2876                                 const struct state *nextstate = &states[tos->state];
2877                                 int prod = nextstate->reduce_prod;
2878                                 int size = nextstate->reduce_size;
2879                                 int bufsize;
2880                                 static char buf[16*1024];
2881                                 short indents, start_of_line;
2882
2883                                 body = p.asn_stack + (p.tos - size);
2884
2885                                 bufsize = do_reduce(prod, body, config, buf);
2886
2887                                 indents = pop(&p, size, &start_of_line,
2888                                               do_free);
2889                                 res = memdup(buf, bufsize);
2890                                 memset(buf, 0, bufsize);
2891                                 if (!shift(&p, nextstate->reduce_sym,
2892                                            indents, start_of_line,
2893                                            res, states)) {
2894                                         if (prod != 0) abort();
2895                                         accepted = 1;
2896                                         ret = res;
2897                                 }
2898                                 parser_trace_action(trace, "Reduce");
2899                                 continue;
2900                         }
2901                         /* Error. We walk up the stack until we
2902                          * find a state which will accept TK_error.
2903                          * We then shift in TK_error and see what state
2904                          * that takes us too.
2905                          * Then we discard input tokens until
2906                          * we find one that is acceptable.
2907                          */
2908                         parser_trace_action(trace, "ERROR");
2909                         short indents = 0, start_of_line;
2910
2911                         err_tk = tok_copy(*tk);
2912                         while (p.tos > 0 &&
2913                                shift(&p, TK_error, 0, 0,
2914                                      err_tk, states) == 0)
2915                                 // discard this state
2916                                 indents += pop(&p, 1, &start_of_line, do_free);
2917                         if (p.tos == 0) {
2918                                 free(err_tk);
2919                                 // no state accepted TK_error
2920                                 break;
2921                         }
2922                         tos = &p.stack[p.tos-1];
2923                         while (!in_lookahead(tk, states, tos->state) &&
2924                                tk->num != TK_eof) {
2925                                 free(tk);
2926                                 tk = tok_copy(token_next(tokens));
2927                                 if (tk->num == TK_in)
2928                                         indents += 1;
2929                                 if (tk->num == TK_out) {
2930                                         if (indents == 0)
2931                                                 break;
2932                                         indents -= 1;
2933                                         // FIXME update since_indent here
2934                                 }
2935                         }
2936                         tos->indents += indents;
2937                 }
2938                 free(tk);
2939                 pop(&p, p.tos, NULL, do_free);
2940                 free(p.asn_stack);
2941                 free(p.stack);
2942                 return ret;
2943         }
2944
2945 ###### exported functions
2946         void *parser_run(struct token_state *tokens,
2947                          const struct state states[],
2948                          int (*do_reduce)(int, void**, struct token_config*, void*),
2949                          void (*do_free)(short, void*),
2950                          FILE *trace, const char *non_term[],
2951                          struct token_config *config);
2952
2953 ### Tracing
2954
2955 Being able to visualize the parser in action can be invaluable when
2956 debugging the parser code, or trying to understand how the parse of a
2957 particular grammar progresses.  The stack contains all the important
2958 state, so just printing out the stack every time around the parse loop
2959 can make it possible to see exactly what is happening.
2960
2961 This doesn't explicitly show each SHIFT and REDUCE action.  However they
2962 are easily deduced from the change between consecutive lines, and the
2963 details of each state can be found by cross referencing the states list
2964 in the stack with the "report" that parsergen can generate.
2965
2966 For terminal symbols, we just dump the token.  For non-terminals we
2967 print the name of the symbol.  The look ahead token is reported at the
2968 end inside square brackets.
2969
2970 ###### parser functions
2971
2972         static char *reserved_words[] = {
2973                 [TK_error]        = "ERROR",
2974                 [TK_in]           = "IN",
2975                 [TK_out]          = "OUT",
2976                 [TK_newline]      = "NEWLINE",
2977                 [TK_eof]          = "$eof",
2978         };
2979         static void parser_trace_state(FILE *trace, struct frame *f, const struct state states[])
2980         {
2981                 fprintf(trace, "(%d", f->state);
2982                 if (states[f->state].starts_line)
2983                         fprintf(trace, "s");
2984                 if (f->newline_permitted)
2985                         fprintf(trace, "n%d", f->since_newline);
2986                 fprintf(trace, ") ");
2987         }
2988
2989         void parser_trace(FILE *trace, struct parser *p,
2990                           struct token *tk, const struct state states[],
2991                           const char *non_term[], int knowns)
2992         {
2993                 int i;
2994                 if (!trace)
2995                         return;
2996                 for (i = 0; i < p->tos; i++) {
2997                         struct frame *f = &p->stack[i];
2998                         if (i) {
2999                                 int sym = f->sym;
3000                                 if (sym < TK_reserved &&
3001                                     reserved_words[sym] != NULL)
3002                                         fputs(reserved_words[sym], trace);
3003                                 else if (sym < TK_reserved + knowns) {
3004                                         struct token *t = p->asn_stack[i];
3005                                         text_dump(trace, t->txt, 20);
3006                                 } else
3007                                         fputs(non_term[sym - TK_reserved - knowns],
3008                                               trace);
3009                                 if (f->indents)
3010                                         fprintf(trace, ".%d", f->indents);
3011                                 if (f->since_newline == 0)
3012                                         fputs("/", trace);
3013                                 fputs(" ", trace);
3014                         }
3015                         parser_trace_state(trace, f, states);
3016                 }
3017                 fprintf(trace, "[");
3018                 if (tk->num < TK_reserved &&
3019                     reserved_words[tk->num] != NULL)
3020                         fputs(reserved_words[tk->num], trace);
3021                 else
3022                         text_dump(trace, tk->txt, 20);
3023                 fputs("]", trace);
3024         }
3025
3026         void parser_trace_action(FILE *trace, char *action)
3027         {
3028                 if (trace)
3029                         fprintf(trace, " - %s\n", action);
3030         }
3031
3032 # A Worked Example
3033
3034 The obvious example for a parser is a calculator.
3035
3036 As `scanner` provides number parsing function using `libgmp` is it not much
3037 work to perform arbitrary rational number calculations.
3038
3039 This calculator takes one expression, or an equality test, per line.  The
3040 results are printed and if any equality test fails, the program exits with
3041 an error.
3042
3043 ###### File: parsergen.mk
3044         calc.c calc.h : parsergen parsergen.mdc
3045                 ./parsergen --tag calc -o calc parsergen.mdc
3046         calc : calc.o libparser.o libscanner.o libmdcode.o libnumber.o
3047                 $(CC) $(CFLAGS) -o calc calc.o libparser.o libscanner.o libmdcode.o libnumber.o -licuuc -lgmp
3048         calctest : calc
3049                 ./calc parsergen.mdc
3050         demos :: calctest
3051
3052 # calc: header
3053
3054         #include "number.h"
3055         // what do we use for a demo-grammar?  A calculator of course.
3056         struct number {
3057                 mpq_t val;
3058                 char tail[2];
3059                 int err;
3060         };
3061
3062 # calc: code
3063
3064         #include <stdlib.h>
3065         #include <unistd.h>
3066         #include <fcntl.h>
3067         #include <sys/mman.h>
3068         #include <stdio.h>
3069         #include <malloc.h>
3070         #include <gmp.h>
3071         #include <string.h>
3072         #include "mdcode.h"
3073         #include "scanner.h"
3074         #include "number.h"
3075         #include "parser.h"
3076
3077         #include "calc.h"
3078
3079         static void free_number(struct number *n)
3080         {
3081                 mpq_clear(n->val);
3082                 free(n);
3083         }
3084
3085         static int text_is(struct text t, char *s)
3086         {
3087                 return (strlen(s) == t.len &&
3088                         strncmp(s, t.txt, t.len) == 0);
3089         }
3090
3091         int main(int argc, char *argv[])
3092         {
3093                 int fd = open(argv[1], O_RDONLY);
3094                 int len = lseek(fd, 0, 2);
3095                 char *file = mmap(NULL, len, PROT_READ, MAP_SHARED, fd, 0);
3096                 struct section *table = code_extract(file, file+len, NULL);
3097                 struct section *s;
3098                 struct token_config config = {
3099                         .ignored = (1 << TK_line_comment)
3100                                  | (1 << TK_block_comment)
3101                                  | (1 << TK_in)
3102                                  | (1 << TK_out),
3103                         .number_chars = ".,_+-",
3104                         .word_start = "",
3105                         .word_cont = "",
3106                 };
3107                 for (s = table; s; s = s->next)
3108                         if (text_is(s->section, "example: input"))
3109                                 parse_calc(s->code, &config, argc > 2 ? stderr : NULL);
3110                 while (table) {
3111                         struct section *t = table->next;
3112                         code_free(table->code);
3113                         free(table);
3114                         table = t;
3115                 }
3116                 exit(0);
3117         }
3118
3119 # calc: grammar
3120
3121         $LEFT + -
3122         $LEFT * /
3123
3124         Session -> Session Line
3125                 | Line
3126
3127         Line -> Expression NEWLINE ${ gmp_printf("Answer = %Qd\n", $1.val);
3128                                         { mpf_t fl; mpf_init2(fl, 20); mpf_set_q(fl, $1.val);
3129                                         gmp_printf("  or as a decimal: %Fg\n", fl);
3130                                         mpf_clear(fl);
3131                                         }
3132                                      }$
3133                 | Expression = Expression NEWLINE ${
3134                         if (mpq_equal($1.val, $3.val))
3135                                 gmp_printf("Both equal %Qd\n", $1.val);
3136                         else {
3137                                 gmp_printf("NOT EQUAL: %Qd\n      != : %Qd\n",
3138                                         $1.val, $3.val);
3139                                 exit(1);
3140                         }
3141                 }$
3142                 | NEWLINE ${ printf("Blank line\n"); }$
3143                 | ERROR NEWLINE ${ printf("Skipped a bad line\n"); }$
3144
3145         $number
3146         Expression -> Expression + Expression ${ mpq_init($0.val); mpq_add($0.val, $1.val, $3.val); }$
3147                 | Expression - Expression ${ mpq_init($0.val); mpq_sub($0.val, $1.val, $3.val); }$
3148                 | Expression * Expression ${ mpq_init($0.val); mpq_mul($0.val, $1.val, $3.val); }$
3149                 | Expression / Expression ${ mpq_init($0.val); mpq_div($0.val, $1.val, $3.val); }$
3150                 | NUMBER ${ if (number_parse($0.val, $0.tail, $1.txt) == 0) mpq_init($0.val); }$
3151                 | ( Expression ) ${ mpq_init($0.val); mpq_set($0.val, $2.val); }$
3152
3153 # example: input
3154
3155         355/113
3156         3.1415926535 - 355/113
3157         2 + 4 * 5
3158         1 + 2 + 3 + 4 + 5 + 6 + 7 + 8 + 9
3159         10 * 9 / 2
3160         1 * 1000 + 2 * 100 + 3 * 10 + 4 * 1
3161
3162         error