]> ocean-lang.org Git - ocean/blob - csrc/parsergen.mdc
parsegen: detect left-recursive symbols in non-final position.
[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 Symbols that are left-recursive are a little special.  These are symbols
404 that both the head of a production and the first body symbol of the same
405 production.  They are problematic when they appear in other productions
406 elsewhere than at the end, and when indenting is used to describe
407 structure.  In this case there is no way for a smaller indent to ensure
408 the left-recursive symbol cannot be extended.  When it appears at the
409 end of a production, that production can be reduced to ensure the symbol
410 isn't extended.  So we record left-recursive symbols while reading the
411 grammar, and produce a warning when reporting the grammar if they are
412 found in an unsuitable place.
413
414 A symbol that is only left recursive in a production where it is
415 followed by newline does not cause these problems because the newline
416 will effectively terminate it.
417
418 While building productions we will need to add to an array which needs to
419 grow dynamically.
420
421 ###### functions
422         static void array_add(void *varray, int *cnt, void *new)
423         {
424                 void ***array = varray;
425                 int current = 0;
426                 const int step = 8;
427                 current = ((*cnt-1) | (step-1))+1;
428                 if (*cnt == current) {
429                         /* must grow */
430                         current += step;
431                         *array = realloc(*array, current * sizeof(void*));
432                 }
433                 (*array)[*cnt] = new;
434                 (*cnt) += 1;
435         }
436
437 Collecting the code fragment simply involves reading tokens until we
438 hit the end token `}$`, and noting the character position of the start and
439 the end.
440
441 ###### functions
442         static struct text collect_code(struct token_state *state,
443                                         struct token start)
444         {
445                 struct text code;
446                 struct token t;
447                 code.txt = start.txt.txt + start.txt.len;
448                 do
449                         t = token_next(state);
450                 while (t.node == start.node &&
451                        t.num != TK_close && t.num != TK_error &&
452                        t.num != TK_eof);
453                 if (t.num == TK_close && t.node == start.node)
454                         code.len = t.txt.txt - code.txt;
455                 else
456                         code.txt = NULL;
457                 return code;
458         }
459
460 Now we have all the bits we need to parse a full production.
461
462 ###### includes
463         #include <memory.h>
464
465 ###### grammar fields
466         struct production **productions;
467         int production_count;
468
469 ###### production fields
470         struct symbol  *head;
471         struct symbol **body;
472         int             body_size;
473         struct text     code;
474         int             code_line;
475
476 ###### symbol fields
477         int first_production;
478         int left_recursive;
479
480 ###### functions
481         static char *parse_production(struct grammar *g,
482                                       struct symbol *head,
483                                       struct token_state *state)
484         {
485                 /* Head has already been parsed. */
486                 struct token tk;
487                 char *err;
488                 struct production p, *pp;
489
490                 memset(&p, 0, sizeof(p));
491                 p.head = head;
492                 tk = token_next(state);
493                 while (tk.num == TK_ident || tk.num == TK_mark) {
494                         struct symbol *bs = sym_find(g, tk.txt);
495                         if (bs->type == Unknown)
496                                 bs->type = Terminal;
497                         if (bs->type == Virtual) {
498                                 err = "Virtual symbol not permitted in production";
499                                 goto abort;
500                         }
501                         if (bs->precedence) {
502                                 p.precedence = bs->precedence;
503                                 p.assoc = bs->assoc;
504                         }
505                         array_add(&p.body, &p.body_size, bs);
506                         tk = token_next(state);
507                 }
508                 if (tk.num == TK_virtual) {
509                         struct symbol *vs;
510                         tk = token_next(state);
511                         if (tk.num != TK_ident) {
512                                 err = "word required after $$";
513                                 goto abort;
514                         }
515                         vs = sym_find(g, tk.txt);
516                         if (vs->num == TK_newline)
517                                 p.line_like = 1;
518                         else if (vs->num == TK_out)
519                                 p.line_like = 2;
520                         else if (vs->precedence == 0) {
521                                 err = "symbol after $$ must have precedence";
522                                 goto abort;
523                         } else {
524                                 p.precedence = vs->precedence;
525                                 p.assoc = vs->assoc;
526                         }
527                         tk = token_next(state);
528                 }
529                 if (tk.num == TK_open) {
530                         p.code_line = tk.line;
531                         p.code = collect_code(state, tk);
532                         if (p.code.txt == NULL) {
533                                 err = "code fragment not closed properly";
534                                 goto abort;
535                         }
536                         tk = token_next(state);
537                 }
538                 if (p.body_size >= 2 &&
539                     p.body[0] == p.head &&
540                     p.body[1]->num != TK_newline)
541                         p.head->left_recursive = 1;
542
543                 if (tk.num != TK_newline && tk.num != TK_eof) {
544                         err = "stray tokens at end of line";
545                         goto abort;
546                 }
547                 pp = malloc(sizeof(*pp));
548                 *pp = p;
549                 array_add(&g->productions, &g->production_count, pp);
550                 return NULL;
551         abort:
552                 while (tk.num != TK_newline && tk.num != TK_eof)
553                         tk = token_next(state);
554                 return err;
555         }
556
557 With the ability to parse production and dollar-lines, we have nearly all
558 that we need to parse a grammar from a `code_node`.
559
560 The head of the first production will effectively be the `start` symbol of
561 the grammar.  However it won't _actually_ be so.  Processing the grammar is
562 greatly simplified if the real start symbol only has a single production,
563 and expects `$eof` as the final terminal.  So when we find the first
564 explicit production we insert an extra production as production zero which
565 looks like
566
567 ###### Example: production 0
568         $start -> START $eof
569
570 where `START` is the first non-terminal given.
571
572 ###### create production zero
573         struct production *p = calloc(1,sizeof(*p));
574         struct text start = {"$start",6};
575         struct text eof = {"$eof",4};
576         struct text code = {"$0 = $<1;", 9};
577         p->head = sym_find(g, start);
578         p->head->type = Nonterminal;
579         p->head->struct_name = g->current_type;
580         p->head->isref = g->type_isref;
581         if (g->current_type.txt)
582                 p->code = code;
583         array_add(&p->body, &p->body_size, head);
584         array_add(&p->body, &p->body_size, sym_find(g, eof));
585         p->head->first_production = g->production_count;
586         array_add(&g->productions, &g->production_count, p);
587
588 Now we are ready to read in the grammar.  We ignore comments
589 and strings so that the marks which introduce them can be
590 used as terminals in the grammar.  We don't ignore numbers
591 even though we don't allow them as that causes the scanner
592 to produce errors that the parser is better positioned to handle.
593
594 ###### grammar_read
595         static struct grammar *grammar_read(struct code_node *code)
596         {
597                 struct token_config conf = {
598                         .word_start = "",
599                         .word_cont = "",
600                         .words_marks = known,
601                         .known_count = sizeof(known)/sizeof(known[0]),
602                         .number_chars = "",
603                         .ignored = (1 << TK_line_comment)
604                                  | (1 << TK_block_comment)
605                                  | (0 << TK_number)
606                                  | (1 << TK_string)
607                                  | (1 << TK_multi_string)
608                                  | (1 << TK_in)
609                                  | (1 << TK_out),
610                 };
611
612                 struct token_state *state = token_open(code, &conf);
613                 struct token tk;
614                 struct symbol *head = NULL;
615                 struct grammar *g;
616                 char *err = NULL;
617
618                 g = calloc(1, sizeof(*g));
619                 symbols_init(g);
620
621                 for (tk = token_next(state); tk.num != TK_eof;
622                      tk = token_next(state)) {
623                         if (tk.num == TK_newline)
624                                 continue;
625                         if (tk.num == TK_ident) {
626                                 // new non-terminal
627                                 head = sym_find(g, tk.txt);
628                                 if (head->type == Nonterminal)
629                                         err = "This non-terminal has already be used.";
630                                 else if (head->type == Virtual)
631                                         err = "Virtual symbol not permitted in head of production";
632                                 else {
633                                         head->type = Nonterminal;
634                                         head->struct_name = g->current_type;
635                                         head->isref = g->type_isref;
636                                         if (g->production_count == 0) {
637                                                 ## create production zero
638                                         }
639                                         head->first_production = g->production_count;
640                                         tk = token_next(state);
641                                         if (tk.num == TK_mark &&
642                                             text_is(tk.txt, "->"))
643                                                 err = parse_production(g, head, state);
644                                         else
645                                                 err = "'->' missing in production";
646                                 }
647                         } else if (tk.num == TK_mark
648                                    && text_is(tk.txt, "|")) {
649                                 // another production for same non-term
650                                 if (head)
651                                         err = parse_production(g, head, state);
652                                 else
653                                         err = "First production must have a head";
654                         } else if (tk.num == TK_mark
655                                    && text_is(tk.txt, "$")) {
656                                 err = dollar_line(state, g, 0);
657                         } else if (tk.num == TK_mark
658                                    && text_is(tk.txt, "$*")) {
659                                 err = dollar_line(state, g, 1);
660                         } else if (tk.num == TK_mark
661                                    && text_is(tk.txt, "//")) {
662                                 while (tk.num != TK_newline &&
663                                        tk.num != TK_eof)
664                                         tk = token_next(state);
665                         } else {
666                                 err = "Unrecognised token at start of line.";
667                         }
668                         if (err)
669                                 goto abort;
670                 }
671                 token_close(state);
672                 return g;
673         abort:
674                 fprintf(stderr, "Error at line %d: %s\n",
675                         tk.line, err);
676                 token_close(state);
677                 free(g);
678                 return NULL;
679         }
680
681 ## Analysing the grammar
682
683 The central task in analysing the grammar is to determine a set of
684 states to drive the parsing process.  This will require finding
685 various sets of symbols and of "items".  Some of these sets will need
686 to attach information to each element in the set, so they are more
687 like maps.
688
689 Each "item" may have a 'look-ahead' or `LA` set associated with
690 it.  Many of these will be the same as each other.  To avoid memory
691 wastage, and to simplify some comparisons of sets, these sets will be
692 stored in a list of unique sets, each assigned a number.
693
694 Once we have the data structures in hand to manage these sets and
695 lists, we can start setting the 'nullable' flag, build the 'FIRST'
696 sets, and then create the item sets which define the various states.
697
698 ### Symbol sets.
699
700 Though we don't only store symbols in these sets, they are the main
701 things we store, so they are called symbol sets or "symsets".
702
703 A symset has a size, an array of shorts, and an optional array of data
704 values, which are also shorts.  If the array of data is not present,
705 we store an impossible pointer, as `NULL` is used to indicate that no
706 memory has been allocated yet;
707
708 ###### declarations
709         struct symset {
710                 short cnt;
711                 unsigned short *syms, *data;
712         };
713         #define NO_DATA ((unsigned short *)1)
714         const struct symset INIT_SYMSET =  { 0, NULL, NO_DATA };
715         const struct symset INIT_DATASET = { 0, NULL, NULL };
716
717 The arrays of shorts are allocated in blocks of 8 and are kept sorted
718 by using an insertion sort.  We don't explicitly record the amount of
719 allocated space as it can be derived directly from the current `cnt` using
720 `((cnt - 1) | 7) + 1`.
721
722 ###### functions
723         static void symset_add(struct symset *s, unsigned short key, unsigned short val)
724         {
725                 int i;
726                 int current = ((s->cnt-1) | 7) + 1;
727                 if (current == s->cnt) {
728                         current += 8;
729                         s->syms = realloc(s->syms, sizeof(*s->syms) * current);
730                         if (s->data != NO_DATA)
731                                 s->data = realloc(s->data, sizeof(*s->data) * current);
732                 }
733                 i = s->cnt;
734                 while (i > 0 && s->syms[i-1] > key) {
735                         s->syms[i] = s->syms[i-1];
736                         if (s->data != NO_DATA)
737                                 s->data[i] = s->data[i-1];
738                         i--;
739                 }
740                 s->syms[i] = key;
741                 if (s->data != NO_DATA)
742                         s->data[i] = val;
743                 s->cnt += 1;
744         }
745
746 Finding a symbol (or item) in a `symset` uses a simple binary search.
747 We return the index where the value was found (so data can be accessed),
748 or `-1` to indicate failure.
749
750         static int symset_find(struct symset *ss, unsigned short key)
751         {
752                 int lo = 0;
753                 int hi = ss->cnt;
754
755                 if (hi == 0)
756                         return -1;
757                 while (lo + 1 < hi) {
758                         int mid = (lo + hi) / 2;
759                         if (ss->syms[mid] <= key)
760                                 lo = mid;
761                         else
762                                 hi = mid;
763                 }
764                 if (ss->syms[lo] == key)
765                         return lo;
766                 return -1;
767         }
768
769 We will often want to form the union of two symsets.  When we do, we
770 will often want to know if anything changed (as that might mean there
771 is more work to do).  So `symset_union` reports whether anything was
772 added to the first set.  We use a slow quadratic approach as these
773 sets don't really get very big.  If profiles shows this to be a problem it
774 can be optimised later.
775
776         static int symset_union(struct symset *a, struct symset *b)
777         {
778                 int i;
779                 int added = 0;
780                 for (i = 0; i < b->cnt; i++)
781                         if (symset_find(a, b->syms[i]) < 0) {
782                                 unsigned short data = 0;
783                                 if (b->data != NO_DATA)
784                                         data = b->data[i];
785                                 symset_add(a, b->syms[i], data);
786                                 added++;
787                         }
788                 return added;
789         }
790
791 And of course we must be able to free a symset.
792
793         static void symset_free(struct symset ss)
794         {
795                 free(ss.syms);
796                 if (ss.data != NO_DATA)
797                         free(ss.data);
798         }
799
800 ### Symset Storage
801
802 Some symsets are simply stored somewhere appropriate in the `grammar`
803 data structure, others needs a bit of indirection.  This applies
804 particularly to "LA" sets.  These will be paired with "items" in an
805 "itemset".  As itemsets will be stored in a symset, the "LA" set needs to be
806 stored in the `data` field, so we need a mapping from a small (short)
807 number to an LA `symset`.
808
809 As mentioned earlier this involves creating a list of unique symsets.
810
811 For now, we just use a linear list sorted by insertion.  A skiplist
812 would be more efficient and may be added later.
813
814 ###### declarations
815
816         struct setlist {
817                 struct symset ss;
818                 int num;
819                 struct setlist *next;
820         };
821
822 ###### grammar fields
823         struct setlist *sets;
824         int nextset;
825
826 ###### functions
827
828         static int ss_cmp(struct symset a, struct symset b)
829         {
830                 int i;
831                 int diff = a.cnt - b.cnt;
832                 if (diff)
833                         return diff;
834                 for (i = 0; i < a.cnt; i++) {
835                         diff = (int)a.syms[i] - (int)b.syms[i];
836                         if (diff)
837                                 return diff;
838                 }
839                 return 0;
840         }
841
842         static int save_set(struct grammar *g, struct symset ss)
843         {
844                 struct setlist **sl = &g->sets;
845                 int cmp = 1;
846                 struct setlist *s;
847
848                 while (*sl && (cmp = ss_cmp((*sl)->ss, ss)) < 0)
849                         sl = & (*sl)->next;
850                 if (cmp == 0) {
851                         symset_free(ss);
852                         return (*sl)->num;
853                 }
854
855                 s = malloc(sizeof(*s));
856                 s->ss = ss;
857                 s->num = g->nextset;
858                 g->nextset += 1;
859                 s->next = *sl;
860                 *sl = s;
861                 return s->num;
862         }
863
864 Finding a set by number is currently performed by a simple linear search.
865 If this turns out to hurt performance, we can store the sets in a dynamic
866 array like the productions.
867
868         static struct symset set_find(struct grammar *g, int num)
869         {
870                 struct setlist *sl = g->sets;
871                 while (sl && sl->num != num)
872                         sl = sl->next;
873                 return sl->ss;
874         }
875
876 ### Setting `nullable`
877
878 We set `nullable` on the head symbol for any production for which all
879 the body symbols (if any) are nullable.  As this is a recursive
880 definition, any change in the `nullable` setting means that we need to
881 re-evaluate where it needs to be set.
882
883 We simply loop around performing the same calculations until no more
884 changes happen.
885
886 ###### symbol fields
887         int nullable;
888
889 ###### functions
890         static void set_nullable(struct grammar *g)
891         {
892                 int check_again = 1;
893                 while (check_again) {
894                         int p;
895                         check_again = 0;
896                         for (p = 0; p < g->production_count; p++) {
897                                 struct production *pr = g->productions[p];
898                                 int s;
899
900                                 if (pr->head->nullable)
901                                         continue;
902                                 for (s = 0; s < pr->body_size; s++)
903                                         if (! pr->body[s]->nullable)
904                                                 break;
905                                 if (s == pr->body_size) {
906                                         pr->head->nullable = 1;
907                                         check_again = 1;
908                                 }
909                         }
910                 }
911         }
912
913 ### Setting `line_like`
914
915 In order to be able to ignore newline tokens when not relevant, but
916 still include them in the parse when needed, we will need to know
917 which states can start a "line-like" section of code.  We ignore
918 newlines when there is an indent since the most recent start of a
919 line-like symbol.
920
921 A "line_like" symbol is simply any symbol that can derive a NEWLINE.
922 If a symbol cannot derive a NEWLINE, then it is only part of a line -
923 so is word-like.  If it can derive a NEWLINE, then we consider it to
924 be like a line.
925
926 Clearly the `TK_newline` token can derive a NEWLINE.  Any symbol which
927 is the head of a production that contains a line_like symbol is also a
928 line-like symbol.  We use a new field `line_like` to record this
929 attribute of symbols, and compute it in a repetitive manner similar to
930 `set_nullable`.
931
932 ###### symbol fields
933         int line_like;
934
935 ###### functions
936         static void set_line_like(struct grammar *g)
937         {
938                 int check_again = 1;
939                 g->symtab[TK_newline]->line_like = 1;
940                 while (check_again) {
941                         int p;
942                         check_again = 0;
943                         for (p = 0; p < g->production_count; p++) {
944                                 struct production *pr = g->productions[p];
945                                 int s;
946
947                                 if (pr->head->line_like)
948                                         continue;
949
950                                 for (s = 0 ; s < pr->body_size; s++) {
951                                         if (pr->body[s]->line_like) {
952                                                 pr->head->line_like = 1;
953                                                 check_again = 1;
954                                                 break;
955                                         }
956                                 }
957                         }
958                 }
959         }
960
961 ### Building the `first` sets
962
963 When calculating what can follow a particular non-terminal, we will need to
964 know what the "first" terminal in any subsequent non-terminal might be.  So
965 we calculate the `first` set for every non-terminal and store them in an
966 array.  We don't bother recording the "first" set for terminals as they are
967 trivial.
968
969 As the "first" for one symbol might depend on the "first" of another,
970 we repeat the calculations until no changes happen, just like with
971 `set_nullable`.  This makes use of the fact that `symset_union`
972 reports if any change happens.
973
974 The core of this, which finds the "first" of part of a production body,
975 will be reused for computing the "follow" sets, so we split it out
976 into a separate function.
977
978 ###### grammar fields
979         struct symset *first;
980
981 ###### functions
982
983         static int add_first(struct production *pr, int start,
984                              struct symset *target, struct grammar *g,
985                              int *to_end)
986         {
987                 int s;
988                 int changed = 0;
989                 for (s = start; s < pr->body_size; s++) {
990                         struct symbol *bs = pr->body[s];
991                         if (bs->type == Terminal) {
992                                 if (symset_find(target, bs->num) < 0) {
993                                         symset_add(target, bs->num, 0);
994                                         changed = 1;
995                                 }
996                                 break;
997                         } else if (symset_union(target, &g->first[bs->num]))
998                                 changed = 1;
999                         if (!bs->nullable)
1000                                 break;
1001                 }
1002                 if (to_end)
1003                         *to_end = (s == pr->body_size);
1004                 return changed;
1005         }
1006
1007         static void build_first(struct grammar *g)
1008         {
1009                 int check_again = 1;
1010                 int s;
1011                 g->first = calloc(g->num_syms, sizeof(g->first[0]));
1012                 for (s = 0; s < g->num_syms; s++)
1013                         g->first[s] = INIT_SYMSET;
1014
1015                 while (check_again) {
1016                         int p;
1017                         check_again = 0;
1018                         for (p = 0; p < g->production_count; p++) {
1019                                 struct production *pr = g->productions[p];
1020                                 struct symset *head = &g->first[pr->head->num];
1021
1022                                 if (add_first(pr, 0, head, g, NULL))
1023                                         check_again = 1;
1024                         }
1025                 }
1026         }
1027
1028 ### Building the `follow` sets.
1029
1030 There are two different situations when we will want to generate "follow"
1031 sets.  If we are doing an SLR analysis, we want to generate a single
1032 "follow" set for each non-terminal in the grammar.  That is what is
1033 happening here.  If we are doing an LALR or LR analysis we will want
1034 to generate a separate "LA" set for each item.  We do that later
1035 in state generation.
1036
1037 There are two parts to generating a "follow" set.  Firstly we look at
1038 every place that any non-terminal appears in the body of any
1039 production, and we find the set of possible "first" symbols after
1040 there.  This is done using `add_first` above and only needs to be done
1041 once as the "first" sets are now stable and will not change.
1042
1043 ###### follow code
1044
1045         for (p = 0; p < g->production_count; p++) {
1046                 struct production *pr = g->productions[p];
1047                 int b;
1048
1049                 for (b = 0; b < pr->body_size - 1; b++) {
1050                         struct symbol *bs = pr->body[b];
1051                         if (bs->type == Terminal)
1052                                 continue;
1053                         add_first(pr, b+1, &g->follow[bs->num], g, NULL);
1054                 }
1055         }
1056
1057 The second part is to add the "follow" set of the head of a production
1058 to the "follow" sets of the final symbol in the production, and any
1059 other symbol which is followed only by `nullable` symbols.  As this
1060 depends on "follow" itself we need to repeatedly perform the process
1061 until no further changes happen.
1062
1063 ###### follow code
1064
1065         for (again = 0, p = 0;
1066              p < g->production_count;
1067              p < g->production_count-1
1068                 ? p++ : again ? (again = 0, p = 0)
1069                               : p++) {
1070                 struct production *pr = g->productions[p];
1071                 int b;
1072
1073                 for (b = pr->body_size - 1; b >= 0; b--) {
1074                         struct symbol *bs = pr->body[b];
1075                         if (bs->type == Terminal)
1076                                 break;
1077                         if (symset_union(&g->follow[bs->num],
1078                                          &g->follow[pr->head->num]))
1079                                 again = 1;
1080                         if (!bs->nullable)
1081                                 break;
1082                 }
1083         }
1084
1085 We now just need to create and initialise the `follow` list to get a
1086 complete function.
1087
1088 ###### grammar fields
1089         struct symset *follow;
1090
1091 ###### functions
1092         static void build_follow(struct grammar *g)
1093         {
1094                 int s, again, p;
1095                 g->follow = calloc(g->num_syms, sizeof(g->follow[0]));
1096                 for (s = 0; s < g->num_syms; s++)
1097                         g->follow[s] = INIT_SYMSET;
1098                 ## follow code
1099         }
1100
1101 ### Building itemsets and states
1102
1103 There are three different levels of detail that can be chosen for
1104 building the itemsets and states for the LR grammar.  They are:
1105
1106 1. LR(0) or SLR(1), where no look-ahead is considered.
1107 2. LALR(1) where we build look-ahead sets with each item and merge
1108    the LA sets when we find two paths to the same "kernel" set of items.
1109 3. LR(1) where different look-ahead for any item in the set means
1110    a different state must be created.
1111
1112 ###### forward declarations
1113         enum grammar_type { LR0, LR05, SLR, LALR, LR1 };
1114
1115 We need to be able to look through existing states to see if a newly
1116 generated state already exists.  For now we use a simple sorted linked
1117 list.
1118
1119 An item is a pair of numbers: the production number and the position of
1120 "DOT", which is an index into the body of the production.
1121 As the numbers are not enormous we can combine them into a single "short"
1122 and store them in a `symset` - 4 bits for "DOT" and 12 bits for the
1123 production number (so 4000 productions with maximum of 15 symbols in the
1124 body).
1125
1126 Comparing the itemsets will be a little different to comparing symsets
1127 as we want to do the lookup after generating the "kernel" of an
1128 itemset, so we need to ignore the offset=zero items which are added during
1129 completion.
1130
1131 To facilitate this, we modify the "DOT" number so that "0" sorts to
1132 the end of the list in the symset, and then only compare items before
1133 the first "0".
1134
1135 ###### declarations
1136         static inline unsigned short item_num(int production, int index)
1137         {
1138                 return production | ((31-index) << 11);
1139         }
1140         static inline int item_prod(unsigned short item)
1141         {
1142                 return item & 0x7ff;
1143         }
1144         static inline int item_index(unsigned short item)
1145         {
1146                 return (31-(item >> 11)) & 0x1f;
1147         }
1148
1149 For LR(1) analysis we need to compare not just the itemset in a state
1150 but also the LA sets.  As we assign each unique LA set a number, we
1151 can just compare the symset and the data values together.
1152
1153 ###### functions
1154         static int itemset_cmp(struct symset a, struct symset b,
1155                                enum grammar_type type)
1156         {
1157                 int i;
1158                 int av, bv;
1159
1160                 for (i = 0;
1161                      i < a.cnt && i < b.cnt &&
1162                      item_index(a.syms[i]) > 0 &&
1163                      item_index(b.syms[i]) > 0;
1164                      i++) {
1165                         int diff = a.syms[i] - b.syms[i];
1166                         if (diff)
1167                                 return diff;
1168                         if (type == LR1) {
1169                                 diff = a.data[i] - b.data[i];
1170                                 if (diff)
1171                                         return diff;
1172                         }
1173                 }
1174                 if (i == a.cnt || item_index(a.syms[i]) == 0)
1175                         av = -1;
1176                 else
1177                         av = a.syms[i];
1178                 if (i == b.cnt || item_index(b.syms[i]) == 0)
1179                         bv = -1;
1180                 else
1181                         bv = b.syms[i];
1182                 if (av - bv)
1183                         return av - bv;
1184                 if (type < LR1 || av == -1)
1185                         return 0;
1186                 return
1187                         a.data[i] - b.data[i];
1188         }
1189
1190 It will be helpful to know if an itemset has been "completed" or not,
1191 particularly for LALR where itemsets get merged, at which point they
1192 need to be consider for completion again.  So  a `completed` flag is needed.
1193
1194 For correct handling of `TK_newline` when parsing, we will need to
1195 know which states (itemsets) can occur at the start of a line, so we
1196 will record a `starts_line` flag too whenever DOT is at the start of a
1197 `line_like` symbol.
1198
1199 Finally, for handling `TK_out` we need to know whether productions in the
1200 current state started *before* the most recent indent.  A state
1201 doesn't usually keep details of individual productions, so we need to
1202 add one extra detail. `min_prefix` is the smallest non-zero number of
1203 symbols *before* DOT in any production in an itemset.  This will allow
1204 us to determine if the the most recent indent is sufficiently recent
1205 to cancel it against a `TK_out`.  If it was seen longer ago than the
1206 `min_prefix`, and if the current state cannot be reduced, then the
1207 indented section must have ended in the middle of a syntactic unit, so
1208 an error must be signaled.
1209
1210 And now we can build the list of itemsets.  The lookup routine returns
1211 both a success flag and a pointer to where in the list an insert
1212 should happen, so we don't need to search a second time.
1213
1214 ###### declarations
1215         struct itemset {
1216                 struct itemset *next;
1217                 short state;
1218                 struct symset items;
1219                 struct symset go_to;
1220                 enum assoc assoc;
1221                 unsigned short precedence;
1222                 char completed;
1223                 char starts_line;
1224                 int min_prefix;
1225         };
1226
1227 ###### grammar fields
1228         struct itemset *items;
1229         int states;
1230
1231 ###### functions
1232         static int itemset_find(struct grammar *g, struct itemset ***where,
1233                                 struct symset kernel, enum grammar_type type)
1234         {
1235                 struct itemset **ip;
1236
1237                 for (ip = &g->items; *ip ; ip = & (*ip)->next) {
1238                         struct itemset *i = *ip;
1239                         int diff;
1240                         diff = itemset_cmp(i->items, kernel, type);
1241                         if (diff < 0)
1242                                 continue;
1243                         if (diff > 0)
1244                                 break;
1245                         /* found */
1246                         *where = ip;
1247                         return 1;
1248                 }
1249                 *where = ip;
1250                 return 0;
1251         }
1252
1253 Adding an itemset may require merging the LA sets if LALR analysis is
1254 happening. If any new LA set adds any symbols that weren't in the old LA set, we
1255 clear the `completed` flag so that the dependants of this itemset will be
1256 recalculated and their LA sets updated.
1257
1258 `add_itemset` must consume the symsets it is passed, either by adding
1259 them to a data structure, of freeing them.
1260
1261         static int add_itemset(struct grammar *g, struct symset ss,
1262                                enum assoc assoc, unsigned short precedence,
1263                                enum grammar_type type)
1264         {
1265                 struct itemset **where, *is;
1266                 int i;
1267                 int found = itemset_find(g, &where, ss, type);
1268                 if (!found) {
1269                         is = calloc(1, sizeof(*is));
1270                         is->state = g->states;
1271                         g->states += 1;
1272                         is->items = ss;
1273                         is->assoc = assoc;
1274                         is->precedence = precedence;
1275                         is->next = *where;
1276                         is->go_to = INIT_DATASET;
1277                         *where = is;
1278                         return is->state;
1279                 }
1280                 is = *where;
1281                 if (type != LALR) {
1282                         symset_free(ss);
1283                         return is->state;
1284                 }
1285                 for (i = 0; i < ss.cnt; i++) {
1286                         struct symset temp = INIT_SYMSET, s;
1287                         if (ss.data[i] == is->items.data[i])
1288                                 continue;
1289                         s = set_find(g, is->items.data[i]);
1290                         symset_union(&temp, &s);
1291                         s = set_find(g, ss.data[i]);
1292                         if (symset_union(&temp, &s)) {
1293                                 is->items.data[i] = save_set(g, temp);
1294                                 is->completed = 0;
1295                         } else
1296                                 symset_free(temp);
1297                 }
1298                 symset_free(ss);
1299                 return is->state;
1300         }
1301
1302 #### The build
1303
1304 To build all the itemsets, we first insert the initial itemset made
1305 from production zero, complete each itemset, and then generate new
1306 itemsets from old until no new ones can be made.
1307
1308 Completing an itemset means finding all the items where "DOT" is followed by
1309 a nonterminal and adding "DOT=0" items for every production from that
1310 non-terminal - providing each item hasn't already been added.
1311
1312 If LA sets are needed, the LA set for each new item is found using
1313 `add_first` which was developed earlier for `FIRST` and `FOLLOW`.  This may
1314 be supplemented by the LA set for the item which produce the new item.
1315
1316 We also collect a set of all symbols which follow "DOT" (in `done`) as this
1317 is used in the next stage.
1318 If any of these symbols are flagged as `line_like`, then this
1319 state must be a `starts_line` state so now is a good time to record that.
1320
1321 When itemsets are created we assign a precedence to the itemset from
1322 the complete item, if there is one.  We ignore the possibility of
1323 there being two and don't (currently) handle precedence in such
1324 grammars.  When completing a grammar we ignore any item where DOT is
1325 followed by a terminal with a precedence lower than that for the
1326 itemset.  Unless the terminal has right associativity, we also ignore
1327 items where the terminal has the same precedence.  The result is that
1328 unwanted items are still in the itemset, but the terminal doesn't get
1329 into the go to set, so the item is ineffective.
1330
1331 ###### complete itemset
1332         for (i = 0; i < is->items.cnt; i++) {
1333                 int p = item_prod(is->items.syms[i]);
1334                 int bs = item_index(is->items.syms[i]);
1335                 struct production *pr = g->productions[p];
1336                 int p2;
1337                 struct symbol *s;
1338                 struct symset LA = INIT_SYMSET;
1339                 unsigned short sn = 0;
1340                 struct symset LAnl = INIT_SYMSET;
1341                 unsigned short snnl = 0;
1342
1343                 if (is->min_prefix == 0 ||
1344                     (bs > 0 && bs < is->min_prefix))
1345                         is->min_prefix = bs;
1346                 if (bs == pr->body_size)
1347                         continue;
1348                 s = pr->body[bs];
1349                 if (s->precedence && is->precedence &&
1350                     is->precedence > s->precedence)
1351                         /* This terminal has a low precedence and
1352                          * shouldn't be shifted
1353                          */
1354                         continue;
1355                 if (s->precedence && is->precedence &&
1356                     is->precedence == s->precedence && s->assoc != Right)
1357                         /* This terminal has a matching precedence and is
1358                          * not Right-associative, so we mustn't shift it.
1359                          */
1360                         continue;
1361                 if (symset_find(&done, s->num) < 0) {
1362                         symset_add(&done, s->num, 0);
1363                 }
1364                 if (s->type != Nonterminal)
1365                         continue;
1366                 if (s->line_like)
1367                         is->starts_line = 1;
1368                 again = 1;
1369                 if (type >= LALR) {
1370                         // Need the LA set.
1371                         int to_end;
1372                         add_first(pr, bs+1, &LA, g, &to_end);
1373                         if (to_end) {
1374                                 struct symset ss = set_find(g, is->items.data[i]);
1375                                 symset_union(&LA, &ss);
1376                         }
1377                         sn = save_set(g, LA);
1378                         LA = set_find(g, sn);
1379                         if (symset_find(&LA, TK_newline))
1380                                 symset_add(&LAnl, TK_newline, 0);
1381                         snnl = save_set(g, LAnl);
1382                         LAnl = set_find(g, snnl);
1383                 }
1384
1385                 /* Add productions for this symbol */
1386                 for (p2 = s->first_production;
1387                      p2 < g->production_count &&
1388                       g->productions[p2]->head == s;
1389                      p2++) {
1390                         int itm = item_num(p2, 0);
1391                         int pos = symset_find(&is->items, itm);
1392                         if (pos < 0) {
1393                                 if (g->productions[p2]->line_like)
1394                                         symset_add(&is->items, itm, snnl);
1395                                 else
1396                                         symset_add(&is->items, itm, sn);
1397                                 /* Will have re-ordered, so start
1398                                  * from beginning again */
1399                                 i = -1;
1400                         } else if (type >= LALR) {
1401                                 struct symset ss = set_find(g, is->items.data[pos]);
1402                                 struct symset tmp = INIT_SYMSET;
1403                                 struct symset *la = &LA;
1404
1405                                 if (g->productions[p2]->line_like)
1406                                         la = &LAnl;
1407                                 symset_union(&tmp, &ss);
1408                                 if (symset_union(&tmp, la)) {
1409                                         is->items.data[pos] = save_set(g, tmp);
1410                                         i = -1;
1411                                 } else
1412                                         symset_free(tmp);
1413                         }
1414                 }
1415         }
1416
1417 For each symbol we found (and placed in `done`) we collect all the items for
1418 which this symbol is next, and create a new itemset with "DOT" advanced over
1419 the symbol.  This is then added to the collection of itemsets (or merged
1420 with a pre-existing itemset).
1421
1422 ###### derive itemsets
1423         // Now we have a completed itemset, so we need to
1424         // compute all the 'next' itemsets and create them
1425         // if they don't exist.
1426         for (i = 0; i < done.cnt; i++) {
1427                 int j;
1428                 unsigned short state;
1429                 struct symbol *sym = g->symtab[done.syms[i]];
1430                 enum assoc assoc = Non;
1431                 unsigned short precedence = 0;
1432                 struct symset newitemset = INIT_SYMSET;
1433                 if (type >= LALR)
1434                         newitemset = INIT_DATASET;
1435
1436                 for (j = 0; j < is->items.cnt; j++) {
1437                         int itm = is->items.syms[j];
1438                         int p = item_prod(itm);
1439                         int bp = item_index(itm);
1440                         struct production *pr = g->productions[p];
1441                         unsigned short la = 0;
1442                         int pos;
1443
1444                         if (bp == pr->body_size)
1445                                 continue;
1446                         if (pr->body[bp] != sym)
1447                                 continue;
1448                         if (type >= LALR)
1449                                 la = is->items.data[j];
1450                         pos = symset_find(&newitemset, pr->head->num);
1451                         if (bp + 1 == pr->body_size &&
1452                             pr->precedence > 0 &&
1453                             pr->precedence > precedence) {
1454                                 // new itemset is reducible and has a precedence.
1455                                 precedence = pr->precedence;
1456                                 assoc = pr->assoc;
1457                         }
1458                         if (pos < 0)
1459                                 symset_add(&newitemset, item_num(p, bp+1), la);
1460                         else if (type >= LALR) {
1461                                 // Need to merge la set.
1462                                 int la2 = newitemset.data[pos];
1463                                 if (la != la2) {
1464                                         struct symset ss = set_find(g, la2);
1465                                         struct symset LA = INIT_SYMSET;
1466                                         symset_union(&LA, &ss);
1467                                         ss = set_find(g, la);
1468                                         if (symset_union(&LA, &ss))
1469                                                 newitemset.data[pos] = save_set(g, LA);
1470                                         else
1471                                                 symset_free(LA);
1472                                 }
1473                         }
1474                 }
1475                 state = add_itemset(g, newitemset, assoc, precedence, type);
1476                 if (symset_find(&is->go_to, done.syms[i]) < 0)
1477                         symset_add(&is->go_to, done.syms[i], state);
1478         }
1479
1480 All that is left is to create the initial itemset from production zero, and
1481 with `TK_eof` as the LA set.
1482
1483 ###### functions
1484         static void build_itemsets(struct grammar *g, enum grammar_type type)
1485         {
1486                 struct symset first = INIT_SYMSET;
1487                 struct itemset *is;
1488                 int again;
1489                 unsigned short la = 0;
1490                 if (type >= LALR) {
1491                         // LA set just has eof
1492                         struct symset eof = INIT_SYMSET;
1493                         symset_add(&eof, TK_eof, 0);
1494                         la = save_set(g, eof);
1495                         first = INIT_DATASET;
1496                 }
1497                 // production 0, offset 0 (with no data)
1498                 symset_add(&first, item_num(0, 0), la);
1499                 add_itemset(g, first, Non, 0, type);
1500                 for (again = 0, is = g->items;
1501                      is;
1502                      is = is->next ?: again ? (again = 0, g->items) : NULL) {
1503                         int i;
1504                         struct symset done = INIT_SYMSET;
1505                         if (is->completed)
1506                                 continue;
1507                         is->completed = 1;
1508                         again = 1;
1509                         ## complete itemset
1510                         ## derive itemsets
1511                         symset_free(done);
1512                 }
1513         }
1514
1515 ### Completing the analysis.
1516
1517 The exact process of analysis depends on which level was requested.  For
1518 `LR0` and `LR05` we don't need first and follow sets at all.  For `LALR` and
1519 `LR1` we need first, but not follow.  For `SLR` we need both.
1520
1521 We don't build the "action" tables that you might expect as the parser
1522 doesn't use them.  They will be calculated to some extent if needed for
1523 a report.
1524
1525 Once we have built everything we allocate arrays for the two lists:
1526 symbols and itemsets.  This allows more efficient access during reporting.
1527 The symbols are grouped as terminals and non-terminals and we record the
1528 changeover point in `first_nonterm`.
1529
1530 ###### grammar fields
1531         struct symbol **symtab;
1532         struct itemset **statetab;
1533         int first_nonterm;
1534
1535 ###### grammar_analyse
1536
1537         static void grammar_analyse(struct grammar *g, enum grammar_type type)
1538         {
1539                 struct symbol *s;
1540                 struct itemset *is;
1541                 int snum = TK_reserved;
1542                 for (s = g->syms; s; s = s->next)
1543                         if (s->num < 0 && s->type == Terminal) {
1544                                 s->num = snum;
1545                                 snum++;
1546                         }
1547                 g->first_nonterm = snum;
1548                 for (s = g->syms; s; s = s->next)
1549                         if (s->num < 0) {
1550                                 s->num = snum;
1551                                 snum++;
1552                         }
1553                 g->num_syms = snum;
1554                 g->symtab = calloc(g->num_syms, sizeof(g->symtab[0]));
1555                 for (s = g->syms; s; s = s->next)
1556                         g->symtab[s->num] = s;
1557
1558                 set_nullable(g);
1559                 set_line_like(g);
1560                 if (type >= SLR)
1561                         build_first(g);
1562
1563                 if (type == SLR)
1564                         build_follow(g);
1565
1566                 build_itemsets(g, type);
1567
1568                 g->statetab = calloc(g->states, sizeof(g->statetab[0]));
1569                 for (is = g->items; is ; is = is->next)
1570                         g->statetab[is->state] = is;
1571         }
1572
1573 ## Reporting on the Grammar
1574
1575 The purpose of the report is to give the grammar developer insight into
1576 how the grammar parser will work.  It is basically a structured dump of
1577 all the tables that have been generated, plus a description of any conflicts.
1578
1579 ###### grammar_report
1580         static int grammar_report(struct grammar *g, enum grammar_type type)
1581         {
1582                 report_symbols(g);
1583                 if (g->follow)
1584                         report_follow(g);
1585                 report_itemsets(g);
1586                 return report_conflicts(g, type) + report_left_recursive(g);
1587         }
1588
1589 Firstly we have the complete list of symbols, together with the
1590 "FIRST" set if that was generated.  We add a mark to each symbol to
1591 show if it can end in a newline (`>`), if it is considered to be
1592 "line-like" (`<`), or if it is nullable (`.`).
1593
1594 ###### functions
1595
1596         static void report_symbols(struct grammar *g)
1597         {
1598                 int n;
1599                 if (g->first)
1600                         printf("SYMBOLS + FIRST:\n");
1601                 else
1602                         printf("SYMBOLS:\n");
1603
1604                 for (n = 0; n < g->num_syms; n++) {
1605                         struct symbol *s = g->symtab[n];
1606                         if (!s)
1607                                 continue;
1608
1609                         printf(" %c%c%3d%c: ",
1610                                s->nullable ? '.':' ',
1611                                s->line_like ? '<':' ',
1612                                s->num, symtypes[s->type]);
1613                         prtxt(s->name);
1614                         if (s->precedence)
1615                                 printf(" (%d%s)", s->precedence,
1616                                        assoc_names[s->assoc]);
1617
1618                         if (g->first && s->type == Nonterminal) {
1619                                 int j;
1620                                 char c = ':';
1621                                 for (j = 0; j < g->first[n].cnt; j++) {
1622                                         printf("%c ", c);
1623                                         c = ',';
1624                                         prtxt(g->symtab[g->first[n].syms[j]]->name);
1625                                 }
1626                         }
1627                         printf("\n");
1628                 }
1629         }
1630
1631 Then we have the follow sets if they were computed.
1632
1633         static void report_follow(struct grammar *g)
1634         {
1635                 int n;
1636                 printf("FOLLOW:\n");
1637                 for (n = 0; n < g->num_syms; n++)
1638                         if (g->follow[n].cnt) {
1639                                 int j;
1640                                 char c = ':';
1641                                 printf("  ");
1642                                 prtxt(g->symtab[n]->name);
1643                                 for (j = 0; j < g->follow[n].cnt; j++) {
1644                                         printf("%c ", c);
1645                                         c = ',';
1646                                         prtxt(g->symtab[g->follow[n].syms[j]]->name);
1647                                 }
1648                                 printf("\n");
1649                         }
1650         }
1651
1652 And finally the item sets.  These include the GO TO tables and, for
1653 LALR and LR1, the LA set for each item.  Lots of stuff, so we break
1654 it up a bit.  First the items, with production number and associativity.
1655
1656         static void report_item(struct grammar *g, int itm)
1657         {
1658                 int p = item_prod(itm);
1659                 int dot = item_index(itm);
1660                 struct production *pr = g->productions[p];
1661                 int i;
1662
1663                 printf("    ");
1664                 prtxt(pr->head->name);
1665                 printf(" ->");
1666                 for (i = 0; i < pr->body_size; i++) {
1667                         printf(" %s", (dot == i ? ". ": ""));
1668                         prtxt(pr->body[i]->name);
1669                 }
1670                 if (dot == pr->body_size)
1671                         printf(" .");
1672                 printf(" [%d]", p);
1673                 if (pr->precedence && dot == pr->body_size)
1674                         printf(" (%d%s)", pr->precedence,
1675                                assoc_names[pr->assoc]);
1676                 if (dot < pr->body_size &&
1677                     pr->body[dot]->precedence) {
1678                         struct symbol *s = pr->body[dot];
1679                         printf(" [%d%s]", s->precedence,
1680                                assoc_names[s->assoc]);
1681                 }
1682                 if (pr->line_like == 1)
1683                         printf(" $$NEWLINE");
1684                 else if (pr->line_like)
1685                         printf(" $$OUT");
1686                 printf("\n");
1687         }
1688
1689 The LA sets which are (possibly) reported with each item:
1690
1691         static void report_la(struct grammar *g, int lanum)
1692         {
1693                 struct symset la = set_find(g, lanum);
1694                 int i;
1695                 char c = ':';
1696
1697                 printf("        LOOK AHEAD(%d)", lanum);
1698                 for (i = 0; i < la.cnt; i++) {
1699                         printf("%c ", c);
1700                         c = ',';
1701                         prtxt(g->symtab[la.syms[i]]->name);
1702                 }
1703                 printf("\n");
1704         }
1705
1706 Then the go to sets:
1707
1708         static void report_goto(struct grammar *g, struct symset gt)
1709         {
1710                 int i;
1711                 printf("    GOTO:\n");
1712
1713                 for (i = 0; i < gt.cnt; i++) {
1714                         printf("      ");
1715                         prtxt(g->symtab[gt.syms[i]]->name);
1716                         printf(" -> %d\n", gt.data[i]);
1717                 }
1718         }
1719
1720 Now we can report all the item sets complete with items, LA sets, and GO TO.
1721
1722         static void report_itemsets(struct grammar *g)
1723         {
1724                 int s;
1725                 printf("ITEM SETS(%d)\n", g->states);
1726                 for (s = 0; s < g->states; s++) {
1727                         int j;
1728                         struct itemset *is = g->statetab[s];
1729                         printf("  Itemset %d:%s min prefix=%d",
1730                                s, is->starts_line?" (startsline)":"", is->min_prefix);
1731                         if (is->precedence)
1732                                 printf(" %d%s", is->precedence, assoc_names[is->assoc]);
1733                         printf("\n");
1734                         for (j = 0; j < is->items.cnt; j++) {
1735                                 report_item(g, is->items.syms[j]);
1736                                 if (is->items.data != NO_DATA)
1737                                         report_la(g, is->items.data[j]);
1738                         }
1739                         report_goto(g, is->go_to);
1740                 }
1741         }
1742
1743 ### Reporting conflicts
1744
1745 Conflict detection varies a lot among different analysis levels.  However
1746 LR0 and LR0.5 are quite similar - having no follow sets, and SLR, LALR and
1747 LR1 are also similar as they have FOLLOW or LA sets.
1748
1749 ###### functions
1750
1751         ## conflict functions
1752
1753         static int report_conflicts(struct grammar *g, enum grammar_type type)
1754         {
1755                 int cnt = 0;
1756                 printf("Conflicts:\n");
1757                 if (type < SLR)
1758                         cnt = conflicts_lr0(g, type);
1759                 else
1760                         cnt = conflicts_slr(g, type);
1761                 if (cnt == 0)
1762                         printf(" - no conflicts\n");
1763                 return cnt;
1764         }
1765
1766 LR0 conflicts are any state which have both a reducible item and
1767 a shiftable item, or two reducible items.
1768
1769 LR05 conflicts only occur if two possible reductions exist,
1770 as shifts always over-ride reductions.
1771
1772 ###### conflict functions
1773         static int conflicts_lr0(struct grammar *g, enum grammar_type type)
1774         {
1775                 int i;
1776                 int cnt = 0;
1777                 for (i = 0; i < g->states; i++) {
1778                         struct itemset *is = g->statetab[i];
1779                         int last_reduce = -1;
1780                         int prev_reduce = -1;
1781                         int last_shift = -1;
1782                         int j;
1783                         if (!is)
1784                                 continue;
1785                         for (j = 0; j < is->items.cnt; j++) {
1786                                 int itm = is->items.syms[j];
1787                                 int p = item_prod(itm);
1788                                 int bp = item_index(itm);
1789                                 struct production *pr = g->productions[p];
1790
1791                                 if (bp == pr->body_size) {
1792                                         prev_reduce = last_reduce;
1793                                         last_reduce = j;
1794                                         continue;
1795                                 }
1796                                 if (pr->body[bp]->type == Terminal)
1797                                         last_shift = j;
1798                         }
1799                         if (type == LR0 && last_reduce >= 0 && last_shift >= 0) {
1800                                 printf("  State %d has both SHIFT and REDUCE:\n", i);
1801                                 report_item(g, is->items.syms[last_shift]);
1802                                 report_item(g, is->items.syms[last_reduce]);
1803                                 cnt++;
1804                         }
1805                         if (prev_reduce >= 0) {
1806                                 printf("  State %d has 2 (or more) reducible items\n", i);
1807                                 report_item(g, is->items.syms[prev_reduce]);
1808                                 report_item(g, is->items.syms[last_reduce]);
1809                                 cnt++;
1810                         }
1811                 }
1812                 return cnt;
1813         }
1814
1815 SLR, LALR, and LR1 conflicts happen if two reducible items have over-lapping
1816 look ahead, or if a symbol in a look-ahead can be shifted.  They differ only
1817 in the source of the look ahead set.
1818
1819 We build two datasets to reflect the "action" table: one which maps
1820 terminals to items where that terminal could be shifted and another
1821 which maps terminals to items that could be reduced when the terminal
1822 is in look-ahead.  We report when we get conflicts between the two.
1823
1824 As a special case, if we find a SHIFT/REDUCE conflict, on the NEWLINE
1825 terminal, we ignore it.  NEWLINES are handled specially with its own
1826 rules for when to shift and when to reduce.  Conflicts are expected,
1827 but handled internally.
1828
1829         static int conflicts_slr(struct grammar *g, enum grammar_type type)
1830         {
1831                 int i;
1832                 int cnt = 0;
1833
1834                 for (i = 0; i < g->states; i++) {
1835                         struct itemset *is = g->statetab[i];
1836                         struct symset shifts = INIT_DATASET;
1837                         struct symset reduce = INIT_DATASET;
1838                         int j;
1839                         if (!is)
1840                                 continue;
1841                         /* First collect the shifts */
1842                         for (j = 0; j < is->items.cnt; j++) {
1843                                 unsigned short itm = is->items.syms[j];
1844                                 int p = item_prod(itm);
1845                                 int bp = item_index(itm);
1846                                 struct production *pr = g->productions[p];
1847                                 struct symbol *s;
1848
1849                                 if (bp >= pr->body_size ||
1850                                     pr->body[bp]->type != Terminal)
1851                                         /* not shiftable */
1852                                         continue;
1853
1854                                 s = pr->body[bp];
1855                                 if (s->precedence && is->precedence)
1856                                         /* Precedence resolves this, so no conflict */
1857                                         continue;
1858
1859                                 if (symset_find(&shifts, s->num) < 0)
1860                                         symset_add(&shifts, s->num, itm);
1861                         }
1862                         /* Now look for reductions and conflicts */
1863                         for (j = 0; j < is->items.cnt; j++) {
1864                                 unsigned short itm = is->items.syms[j];
1865                                 int p = item_prod(itm);
1866                                 int bp = item_index(itm);
1867                                 struct production *pr = g->productions[p];
1868
1869                                 if (bp < pr->body_size)
1870                                         continue;
1871                                 /* reducible */
1872                                 struct symset la;
1873                                 if (type == SLR)
1874                                         la = g->follow[pr->head->num];
1875                                 else
1876                                         la = set_find(g, is->items.data[j]);
1877                                 int k;
1878                                 for (k = 0; k < la.cnt; k++) {
1879                                         int pos = symset_find(&shifts, la.syms[k]);
1880                                         if (pos >= 0 && la.syms[k] != TK_newline) {
1881                                                 printf("  State %d has SHIFT/REDUCE conflict on ", i);
1882                                                 cnt++;
1883                                                         prtxt(g->symtab[la.syms[k]]->name);
1884                                                 printf(":\n");
1885                                                 report_item(g, shifts.data[pos]);
1886                                                 report_item(g, itm);
1887                                         }
1888                                         pos = symset_find(&reduce, la.syms[k]);
1889                                         if (pos < 0) {
1890                                                 symset_add(&reduce, la.syms[k], itm);
1891                                                 continue;
1892                                         }
1893                                         printf("  State %d has REDUCE/REDUCE conflict on ", i);
1894                                         prtxt(g->symtab[la.syms[k]]->name);
1895                                         printf(":\n");
1896                                         report_item(g, itm);
1897                                         report_item(g, reduce.data[pos]);
1898                                         cnt++;
1899                                 }
1900                         }
1901                         symset_free(shifts);
1902                         symset_free(reduce);
1903                 }
1904                 return cnt;
1905         }
1906
1907
1908 ### Reporting non-final left-recursive symbols.
1909
1910 Left recursive symbols are a problem for parses that honour indentation
1911 when they appear other than at the end of the production.  So we need to
1912 report these when asked.
1913
1914 ###### functions
1915
1916         static int report_left_recursive(struct grammar *g)
1917         {
1918                 int p;
1919                 int bad_left_recursive = 0;
1920
1921                 for (p = 0; p < g->production_count; p++) {
1922                         struct production *pr = g->productions[p];
1923                         int sn;
1924
1925                         for (sn = 0; sn < pr->body_size - 1; sn++) {
1926                                 struct symbol *s = pr->body[sn];
1927
1928                                 if (s->left_recursive == 1 &&
1929                                     s != pr->head) {
1930                                         if (!bad_left_recursive) {
1931                                                 bad_left_recursive = 1;
1932                                                 printf("Misplaced left recursive symbols.\n");
1933                                         }
1934                                         printf("  ");
1935                                         prtxt(s->name);
1936                                         printf(" in production [%d]\n", p);
1937                                         s->left_recursive = 2;
1938                                 }
1939                         }
1940                 }
1941                 return bad_left_recursive;
1942         }
1943
1944 ## Generating the parser
1945
1946 The exported part of the parser is the `parse_XX` function, where the name
1947 `XX` is based on the name of the parser files.
1948
1949 This takes a `code_node`, a partially initialized `token_config`, and an
1950 optional `FILE` to send tracing to.  The `token_config` gets the list of
1951 known words added and then is used with the `code_node` to initialize the
1952 scanner.
1953
1954 `parse_XX` then calls the library function `parser_run` to actually complete
1955 the parse.  This needs the `states` table and function to call the various
1956 pieces of code provided in the grammar file, so they are generated first.
1957
1958 ###### parser_generate
1959
1960         static void gen_parser(FILE *f, struct grammar *g, char *file, char *name,
1961                                struct code_node *pre_reduce)
1962         {
1963                 gen_known(f, g);
1964                 gen_non_term(f, g);
1965                 gen_goto(f, g);
1966                 gen_states(f, g);
1967                 gen_reduce(f, g, file, pre_reduce);
1968                 gen_free(f, g);
1969
1970                 fprintf(f, "#line 0 \"gen_parser\"\n");
1971                 fprintf(f, "void *parse_%s(struct code_node *code, struct token_config *config, FILE *trace)\n",
1972                         name);
1973                 fprintf(f, "{\n");
1974                 fprintf(f, "\tstruct token_state *tokens;\n");
1975                 fprintf(f, "\tconfig->words_marks = known;\n");
1976                 fprintf(f, "\tconfig->known_count = sizeof(known)/sizeof(known[0]);\n");
1977                 fprintf(f, "\ttokens = token_open(code, config);\n");
1978                 fprintf(f, "\tvoid *rv = parser_run(tokens, states, do_reduce, do_free, trace, non_term, config);\n");
1979                 fprintf(f, "\ttoken_close(tokens);\n");
1980                 fprintf(f, "\treturn rv;\n");
1981                 fprintf(f, "}\n\n");
1982         }
1983
1984 ### Known words table
1985
1986 The known words table is simply an array of terminal symbols.
1987 The table of nonterminals used for tracing is a similar array.  We
1988 include virtual symbols in the table of non_terminals to keep the
1989 numbers right.
1990
1991 ###### functions
1992
1993         static void gen_known(FILE *f, struct grammar *g)
1994         {
1995                 int i;
1996                 fprintf(f, "#line 0 \"gen_known\"\n");
1997                 fprintf(f, "static const char *known[] = {\n");
1998                 for (i = TK_reserved;
1999                      i < g->num_syms && g->symtab[i]->type == Terminal;
2000                      i++)
2001                         fprintf(f, "\t\"%.*s\",\n", g->symtab[i]->name.len,
2002                                 g->symtab[i]->name.txt);
2003                 fprintf(f, "};\n\n");
2004         }
2005
2006         static void gen_non_term(FILE *f, struct grammar *g)
2007         {
2008                 int i;
2009                 fprintf(f, "#line 0 \"gen_non_term\"\n");
2010                 fprintf(f, "static const char *non_term[] = {\n");
2011                 for (i = TK_reserved;
2012                      i < g->num_syms;
2013                      i++)
2014                         if (g->symtab[i]->type != Terminal)
2015                                 fprintf(f, "\t\"%.*s\",\n", g->symtab[i]->name.len,
2016                                         g->symtab[i]->name.txt);
2017                 fprintf(f, "};\n\n");
2018         }
2019
2020 ### States and the goto tables.
2021
2022 For each state we record the goto table, the reducible production if
2023 there is one, or a symbol to shift for error recovery.
2024 Some of the details of the reducible production are stored in the
2025 `do_reduce` function to come later.  Here we store the production number,
2026 the body size (useful for stack management) and the resulting symbol (useful
2027 for knowing how to free data later).
2028
2029 The go to table is stored in a simple array of `sym` and corresponding
2030 `state`.
2031
2032 ###### exported types
2033
2034         struct lookup {
2035                 short sym;
2036                 short state;
2037         };
2038         struct state {
2039                 short go_to_cnt;
2040                 const struct lookup * go_to;
2041                 short reduce_prod;
2042                 short reduce_size;
2043                 short reduce_sym;
2044                 char starts_line;
2045                 char newline_only;
2046                 short min_prefix;
2047         };
2048
2049 ###### functions
2050
2051         static void gen_goto(FILE *f, struct grammar *g)
2052         {
2053                 int i;
2054                 fprintf(f, "#line 0 \"gen_goto\"\n");
2055                 for (i = 0; i < g->states; i++) {
2056                         int j;
2057                         fprintf(f, "static const struct lookup goto_%d[] = {\n",
2058                                 i);
2059                         struct symset gt = g->statetab[i]->go_to;
2060                         for (j = 0; j < gt.cnt; j++)
2061                                 fprintf(f, "\t{ %d, %d },\n",
2062                                         gt.syms[j], gt.data[j]);
2063                         fprintf(f, "};\n");
2064                 }
2065         }
2066
2067 ###### functions
2068
2069         static void gen_states(FILE *f, struct grammar *g)
2070         {
2071                 int i;
2072                 fprintf(f, "#line 0 \"gen_states\"\n");
2073                 fprintf(f, "static const struct state states[] = {\n");
2074                 for (i = 0; i < g->states; i++) {
2075                         struct itemset *is = g->statetab[i];
2076                         int j, prod = -1, prod_len;
2077
2078                         for (j = 0; j < is->items.cnt; j++) {
2079                                 int itm = is->items.syms[j];
2080                                 int p = item_prod(itm);
2081                                 int bp = item_index(itm);
2082                                 struct production *pr = g->productions[p];
2083
2084                                 if (bp < pr->body_size)
2085                                         continue;
2086                                 /* This is what we reduce */
2087                                 if (prod < 0 || prod_len < pr->body_size) {
2088                                         prod = p;
2089                                         prod_len = pr->body_size;
2090                                 }
2091                         }
2092
2093                         if (prod >= 0)
2094                                 fprintf(f, "\t[%d] = { %d, goto_%d, %d, %d, %d, %d, %d, %d },\n",
2095                                         i, is->go_to.cnt, i, prod,
2096                                         g->productions[prod]->body_size,
2097                                         g->productions[prod]->head->num,
2098                                         is->starts_line,
2099                                         g->productions[prod]->line_like,
2100                                         is->min_prefix);
2101                         else
2102                                 fprintf(f, "\t[%d] = { %d, goto_%d, -1, -1, -1, %d, 0, %d },\n",
2103                                         i, is->go_to.cnt, i,
2104                                         is->starts_line, is->min_prefix);
2105                 }
2106                 fprintf(f, "};\n\n");
2107         }
2108
2109 ### The `do_reduce` function and the code
2110
2111 When the parser engine decides to reduce a production, it calls `do_reduce`.
2112 This has two functions.
2113
2114 Firstly, if a non-NULL `trace` file is passed, it prints out details of the
2115 production being reduced.  Secondly it runs the code that was included with
2116 the production if any.
2117
2118 This code needs to be able to store data somewhere.  Rather than requiring
2119 `do_reduce` to `malloc` that "somewhere", we pass in a large buffer and have
2120 `do_reduce` return the size to be saved.
2121
2122 In order for the code to access "global" context, we pass in the
2123 "config" pointer that was passed to parser function.  If the `struct
2124 token_config` is embedded in some larger structure, the reducing code
2125 can access the larger structure using pointer manipulation.
2126
2127 The code fragment requires translation when written out.  Any `$N` needs to
2128 be converted to a reference either to that buffer (if `$0`) or to the
2129 structure returned by a previous reduction.  These pointers need to be cast
2130 to the appropriate type for each access.  All this is handled in
2131 `gen_code`.
2132
2133 `gen_code` also allows symbol references to contain a '`<`' as in '`$<2`'.
2134 This applied only to symbols with references (or pointers), not those with structures.
2135 The `<` implies that the reference it being moved out, so the object will not be
2136 automatically freed.  This is equivalent to assigning `NULL` to the pointer.
2137
2138 ###### functions
2139
2140         static void gen_code(struct production *p, FILE *f, struct grammar *g)
2141         {
2142                 char *c;
2143                 char *used = calloc(1, p->body_size);
2144                 int i;
2145
2146                 fprintf(f, "\t\t\t");
2147                 for (c = p->code.txt; c < p->code.txt + p->code.len; c++) {
2148                         int n;
2149                         int use = 0;
2150                         if (*c != '$') {
2151                                 fputc(*c, f);
2152                                 if (*c == '\n')
2153                                         fputs("\t\t\t", f);
2154                                 continue;
2155                         }
2156                         c++;
2157                         if (*c == '<') {
2158                                 use = 1;
2159                                 c++;
2160                         }
2161                         if (*c < '0' || *c > '9') {
2162                                 if (use)
2163                                         fputc('<', f);
2164                                 fputc(*c, f);
2165                                 continue;
2166                         }
2167                         n = *c - '0';
2168                         while (c[1] >= '0' && c[1] <= '9') {
2169                                 c += 1;
2170                                 n = n * 10 + *c - '0';
2171                         }
2172                         if (n == 0)
2173                                 fprintf(f, "(*(struct %.*s*%s)ret)",
2174                                         p->head->struct_name.len,
2175                                         p->head->struct_name.txt,
2176                                         p->head->isref ? "*":"");
2177                         else if (n > p->body_size)
2178                                 fprintf(f, "$%d", n);
2179                         else if (p->body[n-1]->type == Terminal)
2180                                 fprintf(f, "(*(struct token *)body[%d])",
2181                                         n-1);
2182                         else if (p->body[n-1]->struct_name.txt == NULL)
2183                                 fprintf(f, "$%d", n);
2184                         else {
2185                                 fprintf(f, "(*(struct %.*s*%s)body[%d])",
2186                                         p->body[n-1]->struct_name.len,
2187                                         p->body[n-1]->struct_name.txt,
2188                                         p->body[n-1]->isref ? "*":"", n-1);
2189                                 used[n-1] = use;
2190                         }
2191                 }
2192                 fputs("\n", f);
2193                 for (i = 0; i < p->body_size; i++) {
2194                         if (p->body[i]->struct_name.txt &&
2195                             used[i]) {
2196                                 // assume this has been copied out
2197                                 if (p->body[i]->isref)
2198                                         fprintf(f, "\t\t*(void**)body[%d] = NULL;\n", i);
2199                                 else
2200                                         fprintf(f, "\t\tmemset(body[%d], 0, sizeof(struct %.*s));\n", i, p->body[i]->struct_name.len, p->body[i]->struct_name.txt);
2201                         }
2202                 }
2203                 free(used);
2204         }
2205
2206 ###### functions
2207
2208         static void gen_reduce(FILE *f, struct grammar *g, char *file,
2209                                struct code_node *code)
2210         {
2211                 int i;
2212                 fprintf(f, "#line 1 \"gen_reduce\"\n");
2213                 fprintf(f, "static int do_reduce(int prod, void **body, struct token_config *config, void *ret)\n");
2214                 fprintf(f, "{\n");
2215                 fprintf(f, "\tint ret_size = 0;\n");
2216                 if (code)
2217                         code_node_print(f, code, file);
2218
2219                 fprintf(f, "#line 4 \"gen_reduce\"\n");
2220                 fprintf(f, "\tswitch(prod) {\n");
2221                 for (i = 0; i < g->production_count; i++) {
2222                         struct production *p = g->productions[i];
2223                         fprintf(f, "\tcase %d:\n", i);
2224
2225                         if (p->code.txt) {
2226                                 fprintf(f, "#line %d \"%s\"\n", p->code_line, file);
2227                                 gen_code(p, f, g);
2228                         }
2229
2230                         if (p->head->struct_name.txt)
2231                                 fprintf(f, "\t\tret_size = sizeof(struct %.*s%s);\n",
2232                                         p->head->struct_name.len,
2233                                         p->head->struct_name.txt,
2234                                         p->head->isref ? "*":"");
2235
2236                         fprintf(f, "\t\tbreak;\n");
2237                 }
2238                 fprintf(f, "\t}\n\treturn ret_size;\n}\n\n");
2239         }
2240
2241 ### `do_free`
2242
2243 As each non-terminal can potentially cause a different type of data
2244 structure to be allocated and filled in, we need to be able to free it when
2245 done.
2246
2247 It is particularly important to have fine control over freeing during error
2248 recovery where individual stack frames might need to be freed.
2249
2250 For this, the grammar author is required to defined a `free_XX` function for
2251 each structure that is used by a non-terminal.  `do_free` will call whichever
2252 is appropriate given a symbol number, and will call `free` (as is
2253 appropriate for tokens) on any terminal symbol.
2254
2255 ###### functions
2256
2257         static void gen_free(FILE *f, struct grammar *g)
2258         {
2259                 int i;
2260
2261                 fprintf(f, "#line 0 \"gen_free\"\n");
2262                 fprintf(f, "static void do_free(short sym, void *asn)\n");
2263                 fprintf(f, "{\n");
2264                 fprintf(f, "\tif (!asn) return;\n");
2265                 fprintf(f, "\tif (sym < %d) {\n", g->first_nonterm);
2266                 fprintf(f, "\t\tfree(asn);\n\t\treturn;\n\t}\n");
2267                 fprintf(f, "\tswitch(sym) {\n");
2268
2269                 for (i = 0; i < g->num_syms; i++) {
2270                         struct symbol *s = g->symtab[i];
2271                         if (!s ||
2272                             s->type != Nonterminal ||
2273                             s->struct_name.txt == NULL)
2274                                 continue;
2275
2276                         fprintf(f, "\tcase %d:\n", s->num);
2277                         if (s->isref) {
2278                                 fprintf(f, "\t\tfree_%.*s(*(void**)asn);\n",
2279                                         s->struct_name.len,
2280                                         s->struct_name.txt);
2281                                 fprintf(f, "\t\tfree(asn);\n");
2282                         } else
2283                                 fprintf(f, "\t\tfree_%.*s(asn);\n",
2284                                         s->struct_name.len,
2285                                         s->struct_name.txt);
2286                         fprintf(f, "\t\tbreak;\n");
2287                 }
2288                 fprintf(f, "\t}\n}\n\n");
2289         }
2290
2291 ## The main routine.
2292
2293 There are three key parts to the "main" function of parsergen: processing
2294 the arguments, loading the grammar file, and dealing with the grammar.
2295
2296 ### Argument processing.
2297
2298 Command line options allow the selection of analysis mode, name of output
2299 file, and whether or not a report should be generated.  By default we create
2300 a report only if no code output was requested.
2301
2302 The `parse_XX` function name uses the basename of the output file which
2303 should not have a suffix (`.c`).  `.c` is added to the given name for the
2304 code, and `.h` is added for the header (if header text is specifed in the
2305 grammar file).
2306
2307 ###### includes
2308         #include <getopt.h>
2309
2310 ###### declarations
2311         static const struct option long_options[] = {
2312                 { "LR0",        0, NULL, '0' },
2313                 { "LR05",       0, NULL, '5' },
2314                 { "SLR",        0, NULL, 'S' },
2315                 { "LALR",       0, NULL, 'L' },
2316                 { "LR1",        0, NULL, '1' },
2317                 { "tag",        1, NULL, 't' },
2318                 { "report",     0, NULL, 'R' },
2319                 { "output",     1, NULL, 'o' },
2320                 { NULL,         0, NULL, 0   }
2321         };
2322         const char *options = "05SL1t:Ro:";
2323
2324 ###### process arguments
2325         int opt;
2326         char *outfile = NULL;
2327         char *infile;
2328         char *name;
2329         char *tag = NULL;
2330         int report = 1;
2331         enum grammar_type type = LR05;
2332         while ((opt = getopt_long(argc, argv, options,
2333                                   long_options, NULL)) != -1) {
2334                 switch(opt) {
2335                 case '0':
2336                         type = LR0; break;
2337                 case '5':
2338                         type = LR05; break;
2339                 case 'S':
2340                         type = SLR; break;
2341                 case 'L':
2342                         type = LALR; break;
2343                 case '1':
2344                         type = LR1; break;
2345                 case 'R':
2346                         report = 2; break;
2347                 case 'o':
2348                         outfile = optarg; break;
2349                 case 't':
2350                         tag = optarg; break;
2351                 default:
2352                         fprintf(stderr, "Usage: parsergen ...\n");
2353                         exit(1);
2354                 }
2355         }
2356         if (optind < argc)
2357                 infile = argv[optind++];
2358         else {
2359                 fprintf(stderr, "No input file given\n");
2360                 exit(1);
2361         }
2362         if (outfile && report == 1)
2363                 report = 0;
2364         name = outfile;
2365         if (name && strchr(name, '/'))
2366                 name = strrchr(name, '/')+1;
2367
2368         if (optind < argc) {
2369                 fprintf(stderr, "Excess command line arguments\n");
2370                 exit(1);
2371         }
2372
2373 ### Loading the grammar file
2374
2375 To be able to run `mdcode` and `scanner` on the grammar we need to memory
2376 map it.
2377
2378 Once we have extracted the code (with `mdcode`) we expect to find three
2379 sections: header, code, and grammar.  Anything else that is not
2380 excluded by the `--tag` option is an error.
2381
2382 "header" and "code" are optional, though it is hard to build a working
2383 parser with neither. "grammar" must be provided.
2384
2385 ###### includes
2386         #include <fcntl.h>
2387         #include <sys/mman.h>
2388         #include <errno.h>
2389
2390 ###### functions
2391         static int errs;
2392         static void pr_err(char *msg)
2393         {
2394                 errs++;
2395                 fprintf(stderr, "%s\n", msg);
2396         }
2397
2398 ###### load file
2399         struct section *table;
2400         int fd;
2401         int len;
2402         char *file;
2403         fd = open(infile, O_RDONLY);
2404         if (fd < 0) {
2405                 fprintf(stderr, "parsergen: cannot open %s: %s\n",
2406                         infile, strerror(errno));
2407                 exit(1);
2408         }
2409         len = lseek(fd, 0, 2);
2410         file = mmap(NULL, len, PROT_READ, MAP_SHARED, fd, 0);
2411         table = code_extract(file, file+len, pr_err);
2412
2413         struct code_node *hdr = NULL;
2414         struct code_node *code = NULL;
2415         struct code_node *gram = NULL;
2416         struct code_node *pre_reduce = NULL;
2417         for (s = table; s; s = s->next) {
2418                 struct text sec = s->section;
2419                 if (tag && !strip_tag(&sec, tag))
2420                         continue;
2421                 if (text_is(sec, "header"))
2422                         hdr = s->code;
2423                 else if (text_is(sec, "code"))
2424                         code = s->code;
2425                 else if (text_is(sec, "grammar"))
2426                         gram = s->code;
2427                 else if (text_is(sec, "reduce"))
2428                         pre_reduce = s->code;
2429                 else {
2430                         fprintf(stderr, "Unknown content section: %.*s\n",
2431                                 s->section.len, s->section.txt);
2432                         rv |= 2;
2433                 }
2434         }
2435
2436 ### Processing the input
2437
2438 As we need to append an extention to a filename and then open it for
2439 writing, and we need to do this twice, it helps to have a separate function.
2440
2441 ###### functions
2442
2443         static FILE *open_ext(char *base, char *ext)
2444         {
2445                 char *fn = malloc(strlen(base) + strlen(ext) + 1);
2446                 FILE *f;
2447                 strcat(strcpy(fn, base), ext);
2448                 f = fopen(fn, "w");
2449                 free(fn);
2450                 return f;
2451         }
2452
2453 If we can read the grammar, then we analyse and optionally report on it.  If
2454 the report finds conflicts we will exit with an error status.
2455
2456 ###### process input
2457         struct grammar *g = NULL;
2458         if (gram == NULL) {
2459                 fprintf(stderr, "No grammar section provided\n");
2460                 rv |= 2;
2461         } else {
2462                 g = grammar_read(gram);
2463                 if (!g) {
2464                         fprintf(stderr, "Failure to parse grammar\n");
2465                         rv |= 2;
2466                 }
2467         }
2468         if (g) {
2469                 grammar_analyse(g, type);
2470                 if (report)
2471                         if (grammar_report(g, type))
2472                                 rv |= 1;
2473         }
2474
2475 If a "headers" section is defined, we write it out and include a declaration
2476 for the `parse_XX` function so it can be used from separate code.
2477
2478         if (rv == 0 && hdr && outfile) {
2479                 FILE *f = open_ext(outfile, ".h");
2480                 if (f) {
2481                         code_node_print(f, hdr, infile);
2482                         fprintf(f, "void *parse_%s(struct code_node *code, struct token_config *config, FILE *trace);\n",
2483                                 name);
2484                         fclose(f);
2485                 } else {
2486                         fprintf(stderr, "Cannot create %s.h\n",
2487                                 outfile);
2488                         rv |= 4;
2489                 }
2490         }
2491
2492 And if all goes well and an output file was provided, we create the `.c`
2493 file with the code section (if any) and the parser tables and function.
2494
2495         if (rv == 0 && outfile) {
2496                 FILE *f = open_ext(outfile, ".c");
2497                 if (f) {
2498                         if (code)
2499                                 code_node_print(f, code, infile);
2500                         gen_parser(f, g, infile, name, pre_reduce);
2501                         fclose(f);
2502                 } else {
2503                         fprintf(stderr, "Cannot create %s.c\n",
2504                                 outfile);
2505                         rv |= 4;
2506                 }
2507         }
2508
2509 And that about wraps it up.  We need to set the locale so that UTF-8 is
2510 recognised properly, and link with `libicuuc` as `libmdcode` requires that.
2511
2512 ###### File: parsergen.mk
2513         parsergen : parsergen.o libscanner.o libmdcode.o
2514                 $(CC) $(CFLAGS) -o parsergen parsergen.o libscanner.o libmdcode.o -licuuc
2515
2516 ###### includes
2517         #include <locale.h>
2518
2519 ###### main
2520
2521         int main(int argc, char *argv[])
2522         {
2523                 struct section *s;
2524                 int rv = 0;
2525
2526                 setlocale(LC_ALL,"");
2527
2528                 ## process arguments
2529                 ## load file
2530                 ## process input
2531
2532                 return rv;
2533         }
2534
2535 ## The SHIFT/REDUCE parser
2536
2537 Having analysed the grammar and generated all the tables, we only need the
2538 shift/reduce engine to bring it all together.
2539
2540 ### Goto table lookup
2541
2542 The parser generator has nicely provided us with goto tables sorted by
2543 symbol number.  We need a binary search function to find a symbol in the
2544 table.
2545
2546 ###### parser functions
2547
2548         static int search(const struct state *l, int sym)
2549         {
2550                 int lo = 0;
2551                 int hi = l->go_to_cnt;
2552
2553                 if (hi == 0)
2554                         return -1;
2555                 while (lo + 1 < hi) {
2556                         int mid = (lo + hi) / 2;
2557                         if (l->go_to[mid].sym <= sym)
2558                                 lo = mid;
2559                         else
2560                                 hi = mid;
2561                 }
2562                 if (l->go_to[lo].sym == sym)
2563                         return l->go_to[lo].state;
2564                 else
2565                         return -1;
2566         }
2567
2568 ### The state stack.
2569
2570 The core data structure for the parser is the stack.  This tracks all the
2571 symbols that have been recognised or partially recognised.
2572
2573 The stack usually won't grow very large - maybe a few tens of entries.  So
2574 we dynamically resize and array as required but never bother to shrink it
2575 down again.
2576
2577 We keep the stack as two separate allocations.  One, `asn_stack` stores the
2578 "abstract syntax nodes" which are created by each reduction.  When we call
2579 `do_reduce` we need to pass an array of the `asn`s of the body of the
2580 production, and by keeping a separate `asn` stack, we can just pass a
2581 pointer into this stack.
2582
2583 The other allocation stores all other stack fields of which there are six.
2584 The `state` is the most important one and guides the parsing process.  The
2585 `sym` is nearly unnecessary.  However when we want to free entries from the
2586 `asn_stack`, it helps to know what type they are so we can call the right
2587 freeing function.  The symbol leads us to the right free function through
2588 `do_free`.
2589
2590 The `indents` count tracks the line indents with-in the symbol or
2591 immediately follow it.  These are used to allow indent information to
2592 guide parsing and error recovery.
2593
2594 `since_newline` tracks how many stack frames since the last
2595 start-of-line (whether indented or not).  So if `since_newline` is
2596 zero, then this symbol is at the start of a line.  Similarly
2597 `since_indent` counts the number of states since an indent, it is zero
2598 precisely when `indents` is not zero.
2599
2600 `newline_permitted` keeps track of whether newlines should be ignored
2601 or not.
2602
2603 The stack is most properly seen as alternating states and symbols -
2604 states, like the 'DOT' in items, are between symbols.  Each frame in
2605 our stack holds a state and the symbol that was before it.  The
2606 bottom of stack holds the start state but no symbol, as nothing came
2607 before the beginning.
2608
2609 ###### parser functions
2610
2611         struct parser {
2612                 struct frame {
2613                         short state;
2614                         short newline_permitted;
2615
2616                         short sym;
2617                         short indents;
2618                         short since_newline;
2619                         short since_indent;
2620                 } *stack;
2621                 void **asn_stack;
2622                 int stack_size;
2623                 int tos;
2624         };
2625
2626 #### Shift and pop
2627
2628 Two operations are needed on the stack - shift (which is like push) and pop.
2629
2630 Shift applies not only to terminals but also to non-terminals.  When
2631 we reduce a production we will pop off entries corresponding to the
2632 body symbols, then push on an item for the head of the production.
2633 This last is exactly the same process as shifting in a terminal so we
2634 use the same function for both.  In both cases we provide the symbol,
2635 the number of indents the symbol contains (which will be zero for a
2636 terminal symbol) and a flag indicating the the symbol was at (or was
2637 reduced from a symbol which was at) the start of a line.  The state is
2638 deduced from the current top-of-stack state and the new symbol.
2639
2640 To simplify other code we arrange for `shift` to fail if there is no `goto`
2641 state for the symbol.  This is useful in basic parsing due to our design
2642 that we shift when we can, and reduce when we cannot.  So the `shift`
2643 function reports if it could.
2644
2645 `shift` is also used to push state zero onto the stack, so if the
2646 stack is empty, it always chooses zero as the next state.
2647
2648 So `shift` finds the next state.  If that succeeds it extends the
2649 allocations if needed and pushes all the information onto the stacks.
2650
2651 Newlines are permitted after a `starts_line` state until an internal
2652 indent.  If the new frame has neither a `starts_line` state nor an
2653 indent, newlines are permitted if the previous stack frame permitted
2654 them.
2655
2656 ###### parser functions
2657
2658         static int shift(struct parser *p,
2659                          short sym, short indents, short start_of_line,
2660                          void *asn,
2661                          const struct state states[])
2662         {
2663                 // Push an entry onto the stack
2664                 struct frame next = {0};
2665                 int newstate = p->tos
2666                         ? search(&states[p->stack[p->tos-1].state],
2667                                  sym)
2668                         : 0;
2669                 if (newstate < 0)
2670                         return 0;
2671                 if (p->tos >= p->stack_size) {
2672                         p->stack_size += 10;
2673                         p->stack = realloc(p->stack, p->stack_size
2674                                            * sizeof(p->stack[0]));
2675                         p->asn_stack = realloc(p->asn_stack, p->stack_size
2676                                            * sizeof(p->asn_stack[0]));
2677                 }
2678                 next.sym = sym;
2679                 next.indents = indents;
2680                 next.state = newstate;
2681                 if (states[newstate].starts_line)
2682                         next.newline_permitted = 1;
2683                 else if (indents)
2684                         next.newline_permitted = 0;
2685                 else if (p->tos)
2686                         next.newline_permitted =
2687                                 p->stack[p->tos-1].newline_permitted;
2688                 else
2689                         next.newline_permitted = 0;
2690
2691                 if (!start_of_line) {
2692                         if (p->tos)
2693                                 next.since_newline = p->stack[p->tos-1].since_newline + 1;
2694                         else
2695                                 next.since_newline = 1;
2696                 }
2697                 if (indents)
2698                         next.since_indent = 0;
2699                 else if (p->tos)
2700                         next.since_indent = p->stack[p->tos-1].since_indent + 1;
2701                 else
2702                         next.since_indent = 1;
2703
2704                 p->stack[p->tos] = next;
2705                 p->asn_stack[p->tos] = asn;
2706                 p->tos++;
2707                 return 1;
2708         }
2709
2710 `pop` primarily moves the top of stack (`tos`) back down the required
2711 amount and frees any `asn` entries that need to be freed.  It also
2712 collects a summary of the indents and line starts in the symbols that
2713 are being removed. It is called _after_ we reduce a production, just
2714 before we `shift` the nonterminal in.
2715
2716 ###### parser functions
2717
2718         static int pop(struct parser *p, int num,
2719                        short *start_of_line,
2720                        void(*do_free)(short sym, void *asn))
2721         {
2722                 int i;
2723                 short indents = 0;
2724                 int sol = 0;
2725
2726                 p->tos -= num;
2727                 for (i = 0; i < num; i++) {
2728                         sol |= !p->stack[p->tos+i].since_newline;
2729                         indents += p->stack[p->tos+i].indents;
2730                         do_free(p->stack[p->tos+i].sym,
2731                                 p->asn_stack[p->tos+i]);
2732                 }
2733                 if (start_of_line)
2734                         *start_of_line = sol;
2735                 return indents;
2736         }
2737
2738 ### Memory allocation
2739
2740 The `scanner` returns tokens in a local variable - we want them in allocated
2741 memory so they can live in the `asn_stack`.  Similarly the `asn` produced by
2742 a reduce is in a large buffer.  Both of these require some allocation and
2743 copying, hence `memdup` and `tokcopy`.
2744
2745 ###### parser includes
2746         #include <memory.h>
2747
2748 ###### parser functions
2749
2750         void *memdup(void *m, int len)
2751         {
2752                 void *ret;
2753                 if (len == 0)
2754                         return NULL;
2755                 ret = malloc(len);
2756                 memcpy(ret, m, len);
2757                 return ret;
2758         }
2759
2760         static struct token *tok_copy(struct token tk)
2761         {
2762                 struct token *new = malloc(sizeof(*new));
2763                 *new = tk;
2764                 return new;
2765         }
2766
2767 ### The heart of the parser.
2768
2769 Now we have the parser.  If we can shift we do, though newlines and
2770 reducing indenting may block that.  If not and we can reduce we do
2771 that.  If the production we reduced was production zero, then we have
2772 accepted the input and can finish.
2773
2774 We return whatever `asn` was returned by reducing production zero.
2775
2776 If we can neither shift nor reduce we have an error to handle.  We pop
2777 single entries off the stack until we can shift the `TK_error` symbol, then
2778 drop input tokens until we find one we can shift into the new error state.
2779
2780 When we find `TK_in` and `TK_out` tokens which report indents we need
2781 to handle them directly as the grammar cannot express what we want to
2782 do with them.
2783
2784 `TK_in` tokens are easy: we simply update indent count in the top stack frame to
2785 record how many indents there are following the previous token.
2786
2787 `TK_out` tokens must be canceled against an indent count
2788 within the stack.  If we can reduce some symbols that are all since
2789 the most recent indent, then we do that first.  If the minimum prefix
2790 of the current state then extends back before the most recent indent,
2791 that indent can be cancelled.  If the minimum prefix is shorter then
2792 the indent had ended prematurely and we must start error handling, which
2793 is still a work-in-progress.
2794
2795 `TK_newline` tokens are ignored unless the top stack frame records
2796 that they are permitted.  In that case they will not be considered for
2797 shifting if it is possible to reduce some symbols that are all since
2798 the most recent start of line.  This is how a newline forcibly
2799 terminates any line-like structure - we try to reduce down to at most
2800 one symbol for each line where newlines are allowed.
2801 A consequence of this is that a rule like
2802
2803 ###### Example: newlines - broken
2804
2805         Newlines ->
2806                 | NEWLINE Newlines
2807         IfStatement -> Newlines if ....
2808
2809 cannot work, as the NEWLINE will never be shifted as the empty string
2810 will be reduced first.  Optional sets of newlines need to be include
2811 in the thing that preceed:
2812
2813 ###### Example: newlines - works
2814
2815         If -> if
2816                 | NEWLINE If
2817         IfStatement -> If ....
2818
2819 Here the NEWLINE will be shifted because nothing can be reduced until
2820 the `if` is seen.
2821
2822 When, during error handling, we discard token read in, we want to keep
2823 discarding until we see one that is recognised.  If we had a full set
2824 of LR(1) grammar states, this will mean looking in the look-ahead set,
2825 but we don't keep a full look-ahead set.  We only record the subset
2826 that leads to SHIFT.  We can, however, deduce the look-ahead set but
2827 looking at the SHIFT subsets for all states that we can get to by
2828 reducing zero or more times.  So we need a little function which
2829 checks if a given token is in any of these look-ahead sets.
2830
2831 ###### parser includes
2832         #include "parser.h"
2833
2834 ###### parser_run
2835
2836         static int in_lookahead(struct token *tk, const struct state *states, int state)
2837         {
2838                 while (state >= 0) {
2839                         if (search(&states[state], tk->num) >= 0)
2840                                 return 1;
2841                         if (states[state].reduce_prod < 0)
2842                                 return 0;
2843                         state = search(&states[state], states[state].reduce_sym);
2844                 }
2845                 return 0;
2846         }
2847
2848         void *parser_run(struct token_state *tokens,
2849                          const struct state states[],
2850                          int (*do_reduce)(int, void**, struct token_config*, void*),
2851                          void (*do_free)(short, void*),
2852                          FILE *trace, const char *non_term[],
2853                          struct token_config *config)
2854         {
2855                 struct parser p = { 0 };
2856                 struct token *tk = NULL;
2857                 int accepted = 0;
2858                 void *ret = NULL;
2859
2860                 shift(&p, TK_eof, 0, 1, NULL, states);
2861                 while (!accepted) {
2862                         struct token *err_tk;
2863                         struct frame *tos = &p.stack[p.tos-1];
2864                         if (!tk)
2865                                 tk = tok_copy(token_next(tokens));
2866                         parser_trace(trace, &p,
2867                                      tk, states, non_term, config->known_count);
2868
2869                         if (tk->num == TK_in) {
2870                                 tos->indents += 1;
2871                                 tos->since_newline = 0;
2872                                 tos->since_indent = 0;
2873                                 if (!states[tos->state].starts_line)
2874                                         tos->newline_permitted = 0;
2875                                 free(tk);
2876                                 tk = NULL;
2877                                 parser_trace_action(trace, "Record");
2878                                 continue;
2879                         }
2880                         if (tk->num == TK_out) {
2881                                 if (states[tos->state].reduce_size >= 0 &&
2882                                     states[tos->state].reduce_size <= tos->since_indent)
2883                                         goto force_reduce;
2884                                 if (states[tos->state].min_prefix >= tos->since_indent) {
2885                                         // OK to cancel
2886                                         struct frame *in = tos - tos->since_indent;
2887                                         in->indents -= 1;
2888                                         if (in->indents == 0) {
2889                                                 /* Reassess since_indent and newline_permitted */
2890                                                 if (in > p.stack) {
2891                                                         in->since_indent = in[-1].since_indent + 1;
2892                                                         in->newline_permitted = in[-1].newline_permitted;
2893                                                 } else {
2894                                                         in->since_indent = 0;
2895                                                         in->newline_permitted = 0;
2896                                                 }
2897                                                 if (states[in->state].starts_line)
2898                                                         in->newline_permitted = 1;
2899                                                 while (in < tos) {
2900                                                         in += 1;
2901                                                         in->since_indent = in[-1].since_indent + 1;
2902                                                         if (states[in->state].starts_line)
2903                                                                 in->newline_permitted = 1;
2904                                                         else
2905                                                                 in->newline_permitted = in[-1].newline_permitted;
2906                                                 }
2907                                         }
2908                                         free(tk);
2909                                         tk = NULL;
2910                                         parser_trace_action(trace, "Cancel");
2911                                         continue;
2912                                 }
2913                                 // fall through to error handling as both SHIFT and REDUCE
2914                                 // will fail.
2915                         }
2916                         if (tk->num == TK_newline) {
2917                                 if (!tos->newline_permitted) {
2918                                         free(tk);
2919                                         tk = NULL;
2920                                         parser_trace_action(trace, "Discard");
2921                                         continue;
2922                                 }
2923                                 if (tos->since_newline > 1 &&
2924                                     states[tos->state].reduce_size >= 0 &&
2925                                     states[tos->state].reduce_size <= tos->since_newline)
2926                                         goto force_reduce;
2927                         }
2928                         if (shift(&p, tk->num, 0, tk->num == TK_newline, tk, states)) {
2929                                 tk = NULL;
2930                                 parser_trace_action(trace, "Shift");
2931                                 continue;
2932                         }
2933                 force_reduce:
2934                         if (states[tos->state].reduce_prod >= 0 &&
2935                             states[tos->state].newline_only &&
2936                             !(tk->num == TK_newline ||
2937                               tk->num == TK_eof ||
2938                               tk->num == TK_out ||
2939                               (tos->indents == 0 && tos->since_newline == 0))) {
2940                                 /* Anything other than newline or out or eof
2941                                  * in an error unless we are already at start
2942                                  * of line, as this production must end at EOL.
2943                                  */
2944                         } else if (states[tos->state].reduce_prod >= 0) {
2945                                 void **body;
2946                                 void *res;
2947                                 const struct state *nextstate = &states[tos->state];
2948                                 int prod = nextstate->reduce_prod;
2949                                 int size = nextstate->reduce_size;
2950                                 int bufsize;
2951                                 static char buf[16*1024];
2952                                 short indents, start_of_line;
2953
2954                                 body = p.asn_stack + (p.tos - size);
2955
2956                                 bufsize = do_reduce(prod, body, config, buf);
2957
2958                                 indents = pop(&p, size, &start_of_line,
2959                                               do_free);
2960                                 res = memdup(buf, bufsize);
2961                                 memset(buf, 0, bufsize);
2962                                 if (!shift(&p, nextstate->reduce_sym,
2963                                            indents, start_of_line,
2964                                            res, states)) {
2965                                         if (prod != 0) abort();
2966                                         accepted = 1;
2967                                         ret = res;
2968                                 }
2969                                 parser_trace_action(trace, "Reduce");
2970                                 continue;
2971                         }
2972                         /* Error. We walk up the stack until we
2973                          * find a state which will accept TK_error.
2974                          * We then shift in TK_error and see what state
2975                          * that takes us too.
2976                          * Then we discard input tokens until
2977                          * we find one that is acceptable.
2978                          */
2979                         parser_trace_action(trace, "ERROR");
2980                         short indents = 0, start_of_line;
2981
2982                         err_tk = tok_copy(*tk);
2983                         while (p.tos > 0 &&
2984                                shift(&p, TK_error, 0, 0,
2985                                      err_tk, states) == 0)
2986                                 // discard this state
2987                                 indents += pop(&p, 1, &start_of_line, do_free);
2988                         if (p.tos == 0) {
2989                                 free(err_tk);
2990                                 // no state accepted TK_error
2991                                 break;
2992                         }
2993                         tos = &p.stack[p.tos-1];
2994                         while (!in_lookahead(tk, states, tos->state) &&
2995                                tk->num != TK_eof) {
2996                                 free(tk);
2997                                 tk = tok_copy(token_next(tokens));
2998                                 if (tk->num == TK_in)
2999                                         indents += 1;
3000                                 if (tk->num == TK_out) {
3001                                         if (indents == 0)
3002                                                 break;
3003                                         indents -= 1;
3004                                         // FIXME update since_indent here
3005                                 }
3006                         }
3007                         tos->indents += indents;
3008                 }
3009                 free(tk);
3010                 pop(&p, p.tos, NULL, do_free);
3011                 free(p.asn_stack);
3012                 free(p.stack);
3013                 return ret;
3014         }
3015
3016 ###### exported functions
3017         void *parser_run(struct token_state *tokens,
3018                          const struct state states[],
3019                          int (*do_reduce)(int, void**, struct token_config*, void*),
3020                          void (*do_free)(short, void*),
3021                          FILE *trace, const char *non_term[],
3022                          struct token_config *config);
3023
3024 ### Tracing
3025
3026 Being able to visualize the parser in action can be invaluable when
3027 debugging the parser code, or trying to understand how the parse of a
3028 particular grammar progresses.  The stack contains all the important
3029 state, so just printing out the stack every time around the parse loop
3030 can make it possible to see exactly what is happening.
3031
3032 This doesn't explicitly show each SHIFT and REDUCE action.  However they
3033 are easily deduced from the change between consecutive lines, and the
3034 details of each state can be found by cross referencing the states list
3035 in the stack with the "report" that parsergen can generate.
3036
3037 For terminal symbols, we just dump the token.  For non-terminals we
3038 print the name of the symbol.  The look ahead token is reported at the
3039 end inside square brackets.
3040
3041 ###### parser functions
3042
3043         static char *reserved_words[] = {
3044                 [TK_error]        = "ERROR",
3045                 [TK_in]           = "IN",
3046                 [TK_out]          = "OUT",
3047                 [TK_newline]      = "NEWLINE",
3048                 [TK_eof]          = "$eof",
3049         };
3050         static void parser_trace_state(FILE *trace, struct frame *f, const struct state states[])
3051         {
3052                 fprintf(trace, "(%d", f->state);
3053                 if (states[f->state].starts_line)
3054                         fprintf(trace, "s");
3055                 if (f->newline_permitted)
3056                         fprintf(trace, "n%d", f->since_newline);
3057                 fprintf(trace, ") ");
3058         }
3059
3060         void parser_trace(FILE *trace, struct parser *p,
3061                           struct token *tk, const struct state states[],
3062                           const char *non_term[], int knowns)
3063         {
3064                 int i;
3065                 if (!trace)
3066                         return;
3067                 for (i = 0; i < p->tos; i++) {
3068                         struct frame *f = &p->stack[i];
3069                         if (i) {
3070                                 int sym = f->sym;
3071                                 if (sym < TK_reserved &&
3072                                     reserved_words[sym] != NULL)
3073                                         fputs(reserved_words[sym], trace);
3074                                 else if (sym < TK_reserved + knowns) {
3075                                         struct token *t = p->asn_stack[i];
3076                                         text_dump(trace, t->txt, 20);
3077                                 } else
3078                                         fputs(non_term[sym - TK_reserved - knowns],
3079                                               trace);
3080                                 if (f->indents)
3081                                         fprintf(trace, ".%d", f->indents);
3082                                 if (f->since_newline == 0)
3083                                         fputs("/", trace);
3084                                 fputs(" ", trace);
3085                         }
3086                         parser_trace_state(trace, f, states);
3087                 }
3088                 fprintf(trace, "[");
3089                 if (tk->num < TK_reserved &&
3090                     reserved_words[tk->num] != NULL)
3091                         fputs(reserved_words[tk->num], trace);
3092                 else
3093                         text_dump(trace, tk->txt, 20);
3094                 fprintf(trace, ":%d:%d]", tk->line, tk->col);
3095         }
3096
3097         void parser_trace_action(FILE *trace, char *action)
3098         {
3099                 if (trace)
3100                         fprintf(trace, " - %s\n", action);
3101         }
3102
3103 # A Worked Example
3104
3105 The obvious example for a parser is a calculator.
3106
3107 As `scanner` provides number parsing function using `libgmp` is it not much
3108 work to perform arbitrary rational number calculations.
3109
3110 This calculator takes one expression, or an equality test, per line.  The
3111 results are printed and if any equality test fails, the program exits with
3112 an error.
3113
3114 ###### File: parsergen.mk
3115         calc.c calc.h : parsergen parsergen.mdc
3116                 ./parsergen --tag calc -o calc parsergen.mdc
3117         calc : calc.o libparser.o libscanner.o libmdcode.o libnumber.o
3118                 $(CC) $(CFLAGS) -o calc calc.o libparser.o libscanner.o libmdcode.o libnumber.o -licuuc -lgmp
3119         calctest : calc
3120                 ./calc parsergen.mdc
3121         demos :: calctest
3122
3123 # calc: header
3124
3125         #include "parse_number.h"
3126         // what do we use for a demo-grammar?  A calculator of course.
3127         struct number {
3128                 mpq_t val;
3129                 char tail[2];
3130                 int err;
3131         };
3132
3133 # calc: code
3134
3135         #include <stdlib.h>
3136         #include <unistd.h>
3137         #include <fcntl.h>
3138         #include <sys/mman.h>
3139         #include <stdio.h>
3140         #include <malloc.h>
3141         #include <gmp.h>
3142         #include <string.h>
3143         #include "mdcode.h"
3144         #include "scanner.h"
3145         #include "parser.h"
3146
3147         #include "calc.h"
3148
3149         static void free_number(struct number *n)
3150         {
3151                 mpq_clear(n->val);
3152                 free(n);
3153         }
3154
3155         static int text_is(struct text t, char *s)
3156         {
3157                 return (strlen(s) == t.len &&
3158                         strncmp(s, t.txt, t.len) == 0);
3159         }
3160
3161         int main(int argc, char *argv[])
3162         {
3163                 int fd = open(argv[1], O_RDONLY);
3164                 int len = lseek(fd, 0, 2);
3165                 char *file = mmap(NULL, len, PROT_READ, MAP_SHARED, fd, 0);
3166                 struct section *table = code_extract(file, file+len, NULL);
3167                 struct section *s;
3168                 struct token_config config = {
3169                         .ignored = (1 << TK_line_comment)
3170                                  | (1 << TK_in)
3171                                  | (1 << TK_out),
3172                         .number_chars = ".,_+-",
3173                         .word_start = "",
3174                         .word_cont = "",
3175                 };
3176                 for (s = table; s; s = s->next)
3177                         if (text_is(s->section, "example: input"))
3178                                 parse_calc(s->code, &config, argc > 2 ? stderr : NULL);
3179                 while (table) {
3180                         struct section *t = table->next;
3181                         code_free(table->code);
3182                         free(table);
3183                         table = t;
3184                 }
3185                 exit(0);
3186         }
3187
3188 # calc: grammar
3189
3190         $LEFT + -
3191         $LEFT * / //
3192
3193         Session -> Session Line
3194                 | Line
3195
3196         Line -> Expression NEWLINE ${ gmp_printf("Answer = %Qd\n", $1.val);
3197                                         { mpf_t fl; mpf_init2(fl, 20); mpf_set_q(fl, $1.val);
3198                                         gmp_printf("  or as a decimal: %Fg\n", fl);
3199                                         mpf_clear(fl);
3200                                         }
3201                                      }$
3202                 | Expression = Expression NEWLINE ${
3203                         if (mpq_equal($1.val, $3.val))
3204                                 gmp_printf("Both equal %Qd\n", $1.val);
3205                         else {
3206                                 gmp_printf("NOT EQUAL: %Qd\n      != : %Qd\n",
3207                                         $1.val, $3.val);
3208                                 exit(1);
3209                         }
3210                 }$
3211                 | NEWLINE ${ printf("Blank line\n"); }$
3212                 | ERROR NEWLINE ${ printf("Skipped a bad line\n"); }$
3213
3214         $number
3215         Expression -> Expression + Expression ${ mpq_init($0.val); mpq_add($0.val, $1.val, $3.val); }$
3216                 | Expression - Expression ${ mpq_init($0.val); mpq_sub($0.val, $1.val, $3.val); }$
3217                 | Expression * Expression ${ mpq_init($0.val); mpq_mul($0.val, $1.val, $3.val); }$
3218                 | Expression / Expression ${ mpq_init($0.val); mpq_div($0.val, $1.val, $3.val); }$
3219                 | Expression // Expression ${ {
3220                         mpz_t z0, z1, z2;
3221                         mpq_init($0.val);
3222                         mpz_init(z0); mpz_init(z1); mpz_init(z2);
3223                         mpz_tdiv_q(z1, mpq_numref($1.val), mpq_denref($1.val));
3224                         mpz_tdiv_q(z2, mpq_numref($3.val), mpq_denref($3.val));
3225                         mpz_tdiv_q(z0, z1, z2);
3226                         mpq_set_z($0.val, z0);
3227                         mpz_clear(z0); mpz_clear(z1); mpz_clear(z2);
3228                 } }$
3229                 | NUMBER ${ if (number_parse($0.val, $0.tail, $1.txt) == 0) mpq_init($0.val); }$
3230                 | ( Expression ) ${ mpq_init($0.val); mpq_set($0.val, $2.val); }$
3231
3232 # example: input
3233
3234         355/113
3235         3.1415926535 - 355/113
3236         2 + 4 * 5
3237         1 + 2 + 3 + 4 + 5 + 6 + 7 + 8 + 9
3238         10 * 9 / 2
3239         1 * 1000 + 2 * 100 + 3 * 10 + 4 * 1
3240
3241         355//113
3242
3243         error