]> ocean-lang.org Git - ocean/blob - csrc/parsergen.mdc
679fab6996de66a9fe267d914c654812f74771f3
[ocean] / csrc / parsergen.mdc
1 # LR(1) Parser Generator #
2
3 This parser generator takes a grammar description combined with code
4 fragments, analyses it, and can report details about the analysis and
5 write out C code files which can be compiled to make a parser.
6
7 There are several distinct sections.
8
9 1. `grammar_read` will read a grammar from a literate-code file and
10    store the productions, symbols, and code fragments.
11 2. `grammar_analyse` will take that grammar and build LR parsing
12    states and look-ahead tables.
13 3. `grammar_report` will present the details of the analysis
14    in a readable format and will report any conflicts.
15 4. `parser_generate` will write out C code files with various
16    tables and with the code fragments arranged in useful places.
17 5. `parser_run` is a library function intended to be linked together
18    with the generated parser tables to complete the implementation of
19    a parser.
20 6. Finally `calc` is a test grammar for a simple calculator.  The
21    `parsergen` program built from the C code in this file can extract
22    that grammar directly from this file and process it.
23
24 ###### File: parsergen.c
25         #include <unistd.h>
26         #include <stdlib.h>
27         #include <stdio.h>
28         ## includes
29         ## forward declarations
30         ## declarations
31         ## functions
32         ## grammar_read
33         ## grammar_analyse
34         ## grammar_report
35         ## parser_generate
36         ## main
37 ###### File: parser.h
38         ## exported types
39         ## exported functions
40 ###### File: libparser.c
41         #include <unistd.h>
42         #include <stdlib.h>
43         #include <stdio.h>
44         ## parser includes
45         ## parser functions
46         ## parser_run
47 ###### File: parsergen.mk
48         CFLAGS += -Wall -g
49         all :: parsergen calc
50         parsergen.c parsergen.mk libparser.c parser.h : parsergen.mdc
51                 ./md2c parsergen.mdc
52
53 ## Reading the grammar
54
55 The grammar must be stored in a markdown literate code file as parsed
56 by "[mdcode][]".  It must have three top level (i.e. unreferenced)
57 sections: `header`, `code`, and `grammar`.  The first two will be
58 literally copied into the generated `.c` and `.h`. files.  The last
59 contains the grammar.  This is tokenised with "[scanner][]".
60
61 If the `--tag` option is given, then any top level header that doesn't
62 start with the tag is ignored, and the tag is striped from the rest.  So
63 `--tag Foo`
64 means that the three needed sections must be `Foo: header`, `Foo: code`,
65 and `Foo: grammar`.  The tag `calc` is used to extract the same calculator
66 from this file.
67
68 [mdcode]: mdcode.html
69 [scanner]: scanner.html
70
71 ###### includes
72         #include "mdcode.h"
73         #include "scanner.h"
74
75 ###### parser includes
76         #include "mdcode.h"
77         #include "scanner.h"
78
79 The grammar contains production sets, precedence/associativity
80 declarations, and data type declarations.  These are all parsed with
81 _ad hoc_ parsing as we don't have a parser generator yet.
82
83 The precedence and associativity can be set for each production, but
84 can be inherited from symbols.  The data type (either structure or a
85 reference to a structure) is potentially defined for each non-terminal
86 and describes what C structure is used to store information about each
87 symbol.
88
89 ###### declarations
90         enum assoc {Left, Right, Non};
91         char *assoc_names[] = {"Left","Right","Non"};
92
93         struct symbol {
94                 struct text struct_name;
95                 int isref;
96                 enum assoc assoc;
97                 unsigned short precedence;
98                 ## symbol fields
99         };
100         struct production {
101                 unsigned short precedence;
102                 enum assoc assoc;
103                 char line_like;
104                 ## production fields
105         };
106         struct grammar {
107                 ## grammar fields
108         };
109
110 The strings reported by `mdcode` and `scanner` are `struct text` which have
111 length rather than being null terminated.  To help with printing and
112 comparing we define `text_is` and `prtxt`, which should possibly go in
113 `mdcode`.  `scanner` does provide `text_dump` which is useful for strings
114 which might contain control characters.
115
116 `strip_tag` is a bit like `strncmp`, but adds a test for a colon,
117 because that is what we need to detect tags.
118
119 ###### functions
120         static int text_is(struct text t, char *s)
121         {
122                 return (strlen(s) == t.len &&
123                         strncmp(s, t.txt, t.len) == 0);
124         }
125         static void prtxt(struct text t)
126         {
127                 printf("%.*s", t.len, t.txt);
128         }
129
130         static int strip_tag(struct text *t, char *tag)
131         {
132                 int skip = strlen(tag) + 1;
133                 if (skip >= t->len ||
134                     strncmp(t->txt, tag, skip-1) != 0 ||
135                     t->txt[skip-1] != ':')
136                         return 0;
137                 while (skip < t->len && t->txt[skip] == ' ')
138                         skip++;
139                 t->len -= skip;
140                 t->txt += skip;
141                 return 1;
142         }
143
144 ### Symbols
145
146 Productions are comprised primarily of symbols - terminal and
147 non-terminal.  We do not make a syntactic distinction between the two,
148 though non-terminals must be identifiers.  Non-terminal symbols are
149 those which appear in the head of a production, terminal symbols are
150 those which don't.  There are also "virtual" symbols used for precedence
151 marking discussed later, and sometimes we won't know what type a symbol
152 is yet.
153
154 ###### forward declarations
155         enum symtype { Unknown, Virtual, Terminal, Nonterminal };
156         char *symtypes = "UVTN";
157 ###### symbol fields
158         enum symtype type;
159
160 Symbols can be either `TK_ident` or `TK_mark`.  They are saved in a
161 table of known symbols and the resulting parser will report them as
162 `TK_reserved + N`.  A small set of identifiers are reserved for the
163 different token types that `scanner` can report.
164
165 ###### declarations
166         static char *reserved_words[] = {
167                 [TK_error]        = "ERROR",
168                 [TK_number]       = "NUMBER",
169                 [TK_ident]        = "IDENTIFIER",
170                 [TK_mark]         = "MARK",
171                 [TK_string]       = "STRING",
172                 [TK_multi_string] = "MULTI_STRING",
173                 [TK_in]           = "IN",
174                 [TK_out]          = "OUT",
175                 [TK_newline]      = "NEWLINE",
176                 [TK_eof]          = "$eof",
177         };
178 ###### symbol fields
179         short num;
180
181 Note that `TK_eof` and the two `TK_*_comment` tokens cannot be
182 recognised.  The former is automatically expected at the end of the text
183 being parsed. The latter are always ignored by the parser.
184
185 All of these symbols are stored in a simple symbol table.  We use the
186 `struct text` from `mdcode` to store the name and link them together
187 into a sorted list using an insertion sort.
188
189 We don't have separate `find` and `insert` functions as any symbol we
190 find needs to be remembered.  We simply expect `find` to always return a
191 symbol, but its type might be `Unknown`.
192
193 ###### includes
194         #include <string.h>
195
196 ###### symbol fields
197         struct text name;
198         struct symbol *next;
199
200 ###### grammar fields
201         struct symbol *syms;
202         int num_syms;
203
204 ###### functions
205         static struct symbol *sym_find(struct grammar *g, struct text s)
206         {
207                 struct symbol **l = &g->syms;
208                 struct symbol *n;
209                 int cmp = 1;
210
211                 while (*l &&
212                         (cmp = text_cmp((*l)->name, s)) < 0)
213                                 l = & (*l)->next;
214                 if (cmp == 0)
215                         return *l;
216                 n = calloc(1, sizeof(*n));
217                 n->name = s;
218                 n->type = Unknown;
219                 n->next = *l;
220                 n->num = -1;
221                 *l = n;
222                 return n;
223         }
224
225         static void symbols_init(struct grammar *g)
226         {
227                 int entries = sizeof(reserved_words)/sizeof(reserved_words[0]);
228                 int i;
229                 for (i = 0; i < entries; i++) {
230                         struct text t;
231                         struct symbol *s;
232                         t.txt = reserved_words[i];
233                         if (!t.txt)
234                                 continue;
235                         t.len = strlen(t.txt);
236                         s = sym_find(g, t);
237                         s->type = Terminal;
238                         s->num = i;
239                 }
240         }
241
242 ### Data types and precedence.
243
244 Data type specification and precedence specification are both
245 introduced by a dollar sign at the start of the line.  If the next
246 word is `LEFT`, `RIGHT` or `NON`, then the line specifies a
247 precedence, otherwise it specifies a data type.
248
249 The data type name is simply stored and applied to the head of all
250 subsequent productions.  It must be the name of a structure optionally
251 preceded by an asterisk which means a reference or "pointer".  So
252 `$expression` maps to `struct expression` and `$*statement` maps to
253 `struct statement *`.
254
255 Any productions given before the first data type declaration will have
256 no data type associated with them and can carry no information.  In
257 order to allow other non-terminals to have no type, the data type
258 `$void` can be given.  This does *not* mean that `struct void` will be
259 used, but rather than no type will be associated with future
260 non-terminals.
261
262 The precedence line must contain a list of symbols - typically
263 terminal symbols, but not necessarily.  It can only contain symbols
264 that have not been seen yet, so precedence declaration must precede
265 the productions that they affect.
266
267 A precedence line may also contain a "virtual" symbol which is an
268 identifier preceded by `$$`.  Virtual terminals carry precedence
269 information but are not included in the grammar.  A production can
270 declare that it inherits the precedence of a given virtual symbol.
271
272 This use for `$$` precludes it from being used as a symbol in the
273 described language.  Two other symbols: `${` and `}$` are also
274 unavailable.
275
276 Each new precedence line introduces a new precedence level and
277 declares how it associates.  This level is stored in each symbol
278 listed and may be inherited by any production which uses the symbol.  A
279 production inherits from the last symbol which has a precedence.
280
281 The symbols on the first precedence line have the lowest precedence.
282 Subsequent lines introduce symbols with higher precedence.
283
284 ###### grammar fields
285         struct text current_type;
286         int type_isref;
287         int prec_levels;
288
289 ###### declarations
290         enum symbols { TK_virtual = TK_reserved, TK_open, TK_close };
291         static const char *known[] = { "$$", "${", "}$" };
292
293 ###### functions
294         static char *dollar_line(struct token_state *ts, struct grammar *g, int isref)
295         {
296                 struct token t = token_next(ts);
297                 char *err;
298                 enum assoc assoc;
299                 int found;
300
301                 if (t.num != TK_ident) {
302                         err = "type or assoc expected after '$'";
303                         goto abort;
304                 }
305                 if (text_is(t.txt, "LEFT"))
306                         assoc = Left;
307                 else if (text_is(t.txt, "RIGHT"))
308                         assoc = Right;
309                 else if (text_is(t.txt, "NON"))
310                         assoc = Non;
311                 else {
312                         g->current_type = t.txt;
313                         g->type_isref = isref;
314                         if (text_is(t.txt, "void"))
315                                 g->current_type.txt = NULL;
316                         t = token_next(ts);
317                         if (t.num != TK_newline) {
318                                 err = "Extra tokens after type name";
319                                 goto abort;
320                         }
321                         return NULL;
322                 }
323
324                 if (isref) {
325                         err = "$* cannot be followed by a precedence";
326                         goto abort;
327                 }
328
329                 // This is a precedence line, need some symbols.
330                 found = 0;
331                 g->prec_levels += 1;
332                 t = token_next(ts);
333                 while (t.num != TK_newline) {
334                         enum symtype type = Terminal;
335                         struct symbol *s;
336                         if (t.num == TK_virtual) {
337                                 type = Virtual;
338                                 t = token_next(ts);
339                                 if (t.num != TK_ident) {
340                                         err = "$$ must be followed by a word";
341                                         goto abort;
342                                 }
343                         } else if (t.num != TK_ident &&
344                                    t.num != TK_mark) {
345                                 err = "Illegal token in precedence line";
346                                 goto abort;
347                         }
348                         s = sym_find(g, t.txt);
349                         if (s->type != Unknown) {
350                                 err = "Symbols in precedence line must not already be known.";
351                                 goto abort;
352                         }
353                         s->type = type;
354                         s->precedence = g->prec_levels;
355                         s->assoc = assoc;
356                         found += 1;
357                         t = token_next(ts);
358                 }
359                 if (found == 0)
360                         err = "No symbols given on precedence line";
361                         goto abort;
362                 return NULL;
363         abort:
364                 while (t.num != TK_newline && t.num != TK_eof)
365                         t = token_next(ts);
366                 return err;
367         }
368
369 ### Productions
370
371 A production either starts with an identifier which is the head
372 non-terminal, or a vertical bar (`|`) in which case this production
373 uses the same head as the previous one.  The identifier must be
374 followed by a `->` mark.  All productions for a given non-terminal must
375 be grouped together with the `nonterminal ->` given only once.
376
377 After this a (possibly empty) sequence of identifiers and marks form
378 the body of the production.  A virtual symbol may be given after the
379 body by preceding it with `$$`.  If a virtual symbol is given, the
380 precedence of the production is that for the virtual symbol.  If none
381 is given, the precedence is inherited from the last symbol in the
382 production which has a precedence specified.
383
384 After the optional precedence may come the `${` mark.  This indicates
385 the start of a code fragment.  If present, this must be on the same
386 line as the start of the production.
387
388 All of the text from the `${` through to the matching `}$` is
389 collected and forms the code-fragment for the production.  It must all
390 be in one `code_node` of the literate code.  The `}$` must be
391 at the end of a line.
392
393 Text in the code fragment will undergo substitutions where `$N` or
394 `$<N`,for some numeric `N`, will be replaced with a variable holding
395 the parse information for the particular symbol in the production.
396 `$0` is the head of the production, `$1` is the first symbol of the
397 body, etc.  The type of `$N` for a terminal symbol is `struct token`.
398 For a non-terminal, it is whatever has been declared for that symbol.
399 The `<` may be included for symbols declared as storing a reference
400 (not a structure) and means that the reference is being moved out, so
401 it will not automatically be freed.
402
403 While building productions we will need to add to an array which needs to
404 grow dynamically.
405
406 ###### functions
407         static void array_add(void *varray, int *cnt, void *new)
408         {
409                 void ***array = varray;
410                 int current = 0;
411                 const int step = 8;
412                 current = ((*cnt-1) | (step-1))+1;
413                 if (*cnt == current) {
414                         /* must grow */
415                         current += step;
416                         *array = realloc(*array, current * sizeof(void*));
417                 }
418                 (*array)[*cnt] = new;
419                 (*cnt) += 1;
420         }
421
422 Collecting the code fragment simply involves reading tokens until we
423 hit the end token `}$`, and noting the character position of the start and
424 the end.
425
426 ###### functions
427         static struct text collect_code(struct token_state *state,
428                                         struct token start)
429         {
430                 struct text code;
431                 struct token t;
432                 code.txt = start.txt.txt + start.txt.len;
433                 do
434                         t = token_next(state);
435                 while (t.node == start.node &&
436                        t.num != TK_close && t.num != TK_error &&
437                        t.num != TK_eof);
438                 if (t.num == TK_close && t.node == start.node)
439                         code.len = t.txt.txt - code.txt;
440                 else
441                         code.txt = NULL;
442                 return code;
443         }
444
445 Now we have all the bits we need to parse a full production.
446
447 ###### includes
448         #include <memory.h>
449
450 ###### grammar fields
451         struct production **productions;
452         int production_count;
453
454 ###### production fields
455         struct symbol  *head;
456         struct symbol **body;
457         int             body_size;
458         struct text     code;
459         int             code_line;
460
461 ###### symbol fields
462         int first_production;
463
464 ###### functions
465         static char *parse_production(struct grammar *g,
466                                       struct symbol *head,
467                                       struct token_state *state)
468         {
469                 /* Head has already been parsed. */
470                 struct token tk;
471                 char *err;
472                 struct production p, *pp;
473
474                 memset(&p, 0, sizeof(p));
475                 p.head = head;
476                 tk = token_next(state);
477                 while (tk.num == TK_ident || tk.num == TK_mark) {
478                         struct symbol *bs = sym_find(g, tk.txt);
479                         if (bs->type == Unknown)
480                                 bs->type = Terminal;
481                         if (bs->type == Virtual) {
482                                 err = "Virtual symbol not permitted in production";
483                                 goto abort;
484                         }
485                         if (bs->precedence) {
486                                 p.precedence = bs->precedence;
487                                 p.assoc = bs->assoc;
488                         }
489                         array_add(&p.body, &p.body_size, bs);
490                         tk = token_next(state);
491                 }
492                 if (tk.num == TK_virtual) {
493                         struct symbol *vs;
494                         tk = token_next(state);
495                         if (tk.num != TK_ident) {
496                                 err = "word required after $$";
497                                 goto abort;
498                         }
499                         vs = sym_find(g, tk.txt);
500                         if (vs->num == TK_newline)
501                                 p.line_like = 1;
502                         else if (vs->precedence == 0) {
503                                 err = "symbol after $$ must have precedence";
504                                 goto abort;
505                         } else {
506                                 p.precedence = vs->precedence;
507                                 p.assoc = vs->assoc;
508                         }
509                         tk = token_next(state);
510                 }
511                 if (tk.num == TK_open) {
512                         p.code_line = tk.line;
513                         p.code = collect_code(state, tk);
514                         if (p.code.txt == NULL) {
515                                 err = "code fragment not closed properly";
516                                 goto abort;
517                         }
518                         tk = token_next(state);
519                 }
520                 if (tk.num != TK_newline && tk.num != TK_eof) {
521                         err = "stray tokens at end of line";
522                         goto abort;
523                 }
524                 pp = malloc(sizeof(*pp));
525                 *pp = p;
526                 array_add(&g->productions, &g->production_count, pp);
527                 return NULL;
528         abort:
529                 while (tk.num != TK_newline && tk.num != TK_eof)
530                         tk = token_next(state);
531                 return err;
532         }
533
534 With the ability to parse production and dollar-lines, we have nearly all
535 that we need to parse a grammar from a `code_node`.
536
537 The head of the first production will effectively be the `start` symbol of
538 the grammar.  However it won't _actually_ be so.  Processing the grammar is
539 greatly simplified if the real start symbol only has a single production,
540 and expects `$eof` as the final terminal.  So when we find the first
541 explicit production we insert an extra production as production zero which
542 looks like
543
544 ###### Example: production 0
545         $start -> START $eof
546
547 where `START` is the first non-terminal given.
548
549 ###### create production zero
550         struct production *p = calloc(1,sizeof(*p));
551         struct text start = {"$start",6};
552         struct text eof = {"$eof",4};
553         struct text code = {"$0 = $<1;", 9};
554         p->head = sym_find(g, start);
555         p->head->type = Nonterminal;
556         p->head->struct_name = g->current_type;
557         p->head->isref = g->type_isref;
558         if (g->current_type.txt)
559                 p->code = code;
560         array_add(&p->body, &p->body_size, head);
561         array_add(&p->body, &p->body_size, sym_find(g, eof));
562         p->head->first_production = g->production_count;
563         array_add(&g->productions, &g->production_count, p);
564
565 Now we are ready to read in the grammar.  We ignore comments
566 and strings so that the marks which introduce them can be
567 used as terminals in the grammar.  We don't ignore numbers
568 even though we don't allow them as that causes the scanner
569 to produce errors that the parser is better positioned to handle.
570
571 ###### grammar_read
572         static struct grammar *grammar_read(struct code_node *code)
573         {
574                 struct token_config conf = {
575                         .word_start = "",
576                         .word_cont = "",
577                         .words_marks = known,
578                         .known_count = sizeof(known)/sizeof(known[0]),
579                         .number_chars = "",
580                         .ignored = (1 << TK_line_comment)
581                                  | (1 << TK_block_comment)
582                                  | (0 << TK_number)
583                                  | (1 << TK_string)
584                                  | (1 << TK_multi_string)
585                                  | (1 << TK_in)
586                                  | (1 << TK_out),
587                 };
588
589                 struct token_state *state = token_open(code, &conf);
590                 struct token tk;
591                 struct symbol *head = NULL;
592                 struct grammar *g;
593                 char *err = NULL;
594
595                 g = calloc(1, sizeof(*g));
596                 symbols_init(g);
597
598                 for (tk = token_next(state); tk.num != TK_eof;
599                      tk = token_next(state)) {
600                         if (tk.num == TK_newline)
601                                 continue;
602                         if (tk.num == TK_ident) {
603                                 // new non-terminal
604                                 head = sym_find(g, tk.txt);
605                                 if (head->type == Nonterminal)
606                                         err = "This non-terminal has already be used.";
607                                 else if (head->type == Virtual)
608                                         err = "Virtual symbol not permitted in head of production";
609                                 else {
610                                         head->type = Nonterminal;
611                                         head->struct_name = g->current_type;
612                                         head->isref = g->type_isref;
613                                         if (g->production_count == 0) {
614                                                 ## create production zero
615                                         }
616                                         head->first_production = g->production_count;
617                                         tk = token_next(state);
618                                         if (tk.num == TK_mark &&
619                                             text_is(tk.txt, "->"))
620                                                 err = parse_production(g, head, state);
621                                         else
622                                                 err = "'->' missing in production";
623                                 }
624                         } else if (tk.num == TK_mark
625                                    && text_is(tk.txt, "|")) {
626                                 // another production for same non-term
627                                 if (head)
628                                         err = parse_production(g, head, state);
629                                 else
630                                         err = "First production must have a head";
631                         } else if (tk.num == TK_mark
632                                    && text_is(tk.txt, "$")) {
633                                 err = dollar_line(state, g, 0);
634                         } else if (tk.num == TK_mark
635                                    && text_is(tk.txt, "$*")) {
636                                 err = dollar_line(state, g, 1);
637                         } else {
638                                 err = "Unrecognised token at start of line.";
639                         }
640                         if (err)
641                                 goto abort;
642                 }
643                 token_close(state);
644                 return g;
645         abort:
646                 fprintf(stderr, "Error at line %d: %s\n",
647                         tk.line, err);
648                 token_close(state);
649                 free(g);
650                 return NULL;
651         }
652
653 ## Analysing the grammar
654
655 The central task in analysing the grammar is to determine a set of
656 states to drive the parsing process.  This will require finding
657 various sets of symbols and of "items".  Some of these sets will need
658 to attach information to each element in the set, so they are more
659 like maps.
660
661 Each "item" may have a 'look-ahead' or `LA` set associated with
662 it.  Many of these will be the same as each other.  To avoid memory
663 wastage, and to simplify some comparisons of sets, these sets will be
664 stored in a list of unique sets, each assigned a number.
665
666 Once we have the data structures in hand to manage these sets and
667 lists, we can start setting the 'nullable' flag, build the 'FIRST'
668 sets, and then create the item sets which define the various states.
669
670 ### Symbol sets.
671
672 Though we don't only store symbols in these sets, they are the main
673 things we store, so they are called symbol sets or "symsets".
674
675 A symset has a size, an array of shorts, and an optional array of data
676 values, which are also shorts.  If the array of data is not present,
677 we store an impossible pointer, as `NULL` is used to indicate that no
678 memory has been allocated yet;
679
680 ###### declarations
681         struct symset {
682                 short cnt;
683                 unsigned short *syms, *data;
684         };
685         #define NO_DATA ((unsigned short *)1)
686         const struct symset INIT_SYMSET =  { 0, NULL, NO_DATA };
687         const struct symset INIT_DATASET = { 0, NULL, NULL };
688
689 The arrays of shorts are allocated in blocks of 8 and are kept sorted
690 by using an insertion sort.  We don't explicitly record the amount of
691 allocated space as it can be derived directly from the current `cnt` using
692 `((cnt - 1) | 7) + 1`.
693
694 ###### functions
695         static void symset_add(struct symset *s, unsigned short key, unsigned short val)
696         {
697                 int i;
698                 int current = ((s->cnt-1) | 7) + 1;
699                 if (current == s->cnt) {
700                         current += 8;
701                         s->syms = realloc(s->syms, sizeof(*s->syms) * current);
702                         if (s->data != NO_DATA)
703                                 s->data = realloc(s->data, sizeof(*s->data) * current);
704                 }
705                 i = s->cnt;
706                 while (i > 0 && s->syms[i-1] > key) {
707                         s->syms[i] = s->syms[i-1];
708                         if (s->data != NO_DATA)
709                                 s->data[i] = s->data[i-1];
710                         i--;
711                 }
712                 s->syms[i] = key;
713                 if (s->data != NO_DATA)
714                         s->data[i] = val;
715                 s->cnt += 1;
716         }
717
718 Finding a symbol (or item) in a `symset` uses a simple binary search.
719 We return the index where the value was found (so data can be accessed),
720 or `-1` to indicate failure.
721
722         static int symset_find(struct symset *ss, unsigned short key)
723         {
724                 int lo = 0;
725                 int hi = ss->cnt;
726
727                 if (hi == 0)
728                         return -1;
729                 while (lo + 1 < hi) {
730                         int mid = (lo + hi) / 2;
731                         if (ss->syms[mid] <= key)
732                                 lo = mid;
733                         else
734                                 hi = mid;
735                 }
736                 if (ss->syms[lo] == key)
737                         return lo;
738                 return -1;
739         }
740
741 We will often want to form the union of two symsets.  When we do, we
742 will often want to know if anything changed (as that might mean there
743 is more work to do).  So `symset_union` reports whether anything was
744 added to the first set.  We use a slow quadratic approach as these
745 sets don't really get very big.  If profiles shows this to be a problem it
746 can be optimised later.
747
748         static int symset_union(struct symset *a, struct symset *b)
749         {
750                 int i;
751                 int added = 0;
752                 for (i = 0; i < b->cnt; i++)
753                         if (symset_find(a, b->syms[i]) < 0) {
754                                 unsigned short data = 0;
755                                 if (b->data != NO_DATA)
756                                         data = b->data[i];
757                                 symset_add(a, b->syms[i], data);
758                                 added++;
759                         }
760                 return added;
761         }
762
763 And of course we must be able to free a symset.
764
765         static void symset_free(struct symset ss)
766         {
767                 free(ss.syms);
768                 if (ss.data != NO_DATA)
769                         free(ss.data);
770         }
771
772 ### Symset Storage
773
774 Some symsets are simply stored somewhere appropriate in the `grammar`
775 data structure, others needs a bit of indirection.  This applies
776 particularly to "LA" sets.  These will be paired with "items" in an
777 "itemset".  As itemsets will be stored in a symset, the "LA" set needs to be
778 stored in the `data` field, so we need a mapping from a small (short)
779 number to an LA `symset`.
780
781 As mentioned earlier this involves creating a list of unique symsets.
782
783 For now, we just use a linear list sorted by insertion.  A skiplist
784 would be more efficient and may be added later.
785
786 ###### declarations
787
788         struct setlist {
789                 struct symset ss;
790                 int num;
791                 struct setlist *next;
792         };
793
794 ###### grammar fields
795         struct setlist *sets;
796         int nextset;
797
798 ###### functions
799
800         static int ss_cmp(struct symset a, struct symset b)
801         {
802                 int i;
803                 int diff = a.cnt - b.cnt;
804                 if (diff)
805                         return diff;
806                 for (i = 0; i < a.cnt; i++) {
807                         diff = (int)a.syms[i] - (int)b.syms[i];
808                         if (diff)
809                                 return diff;
810                 }
811                 return 0;
812         }
813
814         static int save_set(struct grammar *g, struct symset ss)
815         {
816                 struct setlist **sl = &g->sets;
817                 int cmp = 1;
818                 struct setlist *s;
819
820                 while (*sl && (cmp = ss_cmp((*sl)->ss, ss)) < 0)
821                         sl = & (*sl)->next;
822                 if (cmp == 0) {
823                         symset_free(ss);
824                         return (*sl)->num;
825                 }
826
827                 s = malloc(sizeof(*s));
828                 s->ss = ss;
829                 s->num = g->nextset;
830                 g->nextset += 1;
831                 s->next = *sl;
832                 *sl = s;
833                 return s->num;
834         }
835
836 Finding a set by number is currently performed by a simple linear search.
837 If this turns out to hurt performance, we can store the sets in a dynamic
838 array like the productions.
839
840         static struct symset set_find(struct grammar *g, int num)
841         {
842                 struct setlist *sl = g->sets;
843                 while (sl && sl->num != num)
844                         sl = sl->next;
845                 return sl->ss;
846         }
847
848 ### Setting `nullable`
849
850 We set `nullable` on the head symbol for any production for which all
851 the body symbols (if any) are nullable.  As this is a recursive
852 definition, any change in the `nullable` setting means that we need to
853 re-evaluate where it needs to be set.
854
855 We simply loop around performing the same calculations until no more
856 changes happen.
857
858 ###### symbol fields
859         int nullable;
860
861 ###### functions
862         static void set_nullable(struct grammar *g)
863         {
864                 int check_again = 1;
865                 while (check_again) {
866                         int p;
867                         check_again = 0;
868                         for (p = 0; p < g->production_count; p++) {
869                                 struct production *pr = g->productions[p];
870                                 int s;
871
872                                 if (pr->head->nullable)
873                                         continue;
874                                 for (s = 0; s < pr->body_size; s++)
875                                         if (! pr->body[s]->nullable)
876                                                 break;
877                                 if (s == pr->body_size) {
878                                         pr->head->nullable = 1;
879                                         check_again = 1;
880                                 }
881                         }
882                 }
883         }
884
885 ### Setting `line_like`
886
887 In order to be able to ignore newline tokens when not relevant, but
888 still include them in the parse when needed, we will need to know
889 which states can start a "line-like" section of code.  We ignore
890 newlines when there is an indent since the most recent start of a
891 line-like symbol.
892
893 A "line_like" symbol is simply any symbol that can derive a NEWLINE.
894 If a symbol cannot derive a NEWLINE, then it is only part of a line -
895 so is word-like.  If it can derive a NEWLINE, then we consider it to
896 be like a line.
897
898 Clearly the `TK_newline` token can derive a NEWLINE.  Any symbol which
899 is the head of a production that contains a line_like symbol is also a
900 line-like symbol.  We use a new field `line_like` to record this
901 attribute of symbols, and compute it in a repetitive manner similar to
902 `set_nullable`.
903
904 ###### symbol fields
905         int line_like;
906
907 ###### functions
908         static void set_line_like(struct grammar *g)
909         {
910                 int check_again = 1;
911                 g->symtab[TK_newline]->line_like = 1;
912                 while (check_again) {
913                         int p;
914                         check_again = 0;
915                         for (p = 0; p < g->production_count; p++) {
916                                 struct production *pr = g->productions[p];
917                                 int s;
918
919                                 if (pr->head->line_like)
920                                         continue;
921
922                                 for (s = 0 ; s < pr->body_size; s++) {
923                                         if (pr->body[s]->line_like) {
924                                                 pr->head->line_like = 1;
925                                                 check_again = 1;
926                                                 break;
927                                         }
928                                 }
929                         }
930                 }
931         }
932
933 ### Building the `first` sets
934
935 When calculating what can follow a particular non-terminal, we will need to
936 know what the "first" terminal in any subsequent non-terminal might be.  So
937 we calculate the `first` set for every non-terminal and store them in an
938 array.  We don't bother recording the "first" set for terminals as they are
939 trivial.
940
941 As the "first" for one symbol might depend on the "first" of another,
942 we repeat the calculations until no changes happen, just like with
943 `set_nullable`.  This makes use of the fact that `symset_union`
944 reports if any change happens.
945
946 The core of this, which finds the "first" of part of a production body,
947 will be reused for computing the "follow" sets, so we split it out
948 into a separate function.
949
950 ###### grammar fields
951         struct symset *first;
952
953 ###### functions
954
955         static int add_first(struct production *pr, int start,
956                              struct symset *target, struct grammar *g,
957                              int *to_end)
958         {
959                 int s;
960                 int changed = 0;
961                 for (s = start; s < pr->body_size; s++) {
962                         struct symbol *bs = pr->body[s];
963                         if (bs->type == Terminal) {
964                                 if (symset_find(target, bs->num) < 0) {
965                                         symset_add(target, bs->num, 0);
966                                         changed = 1;
967                                 }
968                                 break;
969                         } else if (symset_union(target, &g->first[bs->num]))
970                                 changed = 1;
971                         if (!bs->nullable)
972                                 break;
973                 }
974                 if (to_end)
975                         *to_end = (s == pr->body_size);
976                 return changed;
977         }
978
979         static void build_first(struct grammar *g)
980         {
981                 int check_again = 1;
982                 int s;
983                 g->first = calloc(g->num_syms, sizeof(g->first[0]));
984                 for (s = 0; s < g->num_syms; s++)
985                         g->first[s] = INIT_SYMSET;
986
987                 while (check_again) {
988                         int p;
989                         check_again = 0;
990                         for (p = 0; p < g->production_count; p++) {
991                                 struct production *pr = g->productions[p];
992                                 struct symset *head = &g->first[pr->head->num];
993
994                                 if (add_first(pr, 0, head, g, NULL))
995                                         check_again = 1;
996                         }
997                 }
998         }
999
1000 ### Building the `follow` sets.
1001
1002 There are two different situations when we will want to generate "follow"
1003 sets.  If we are doing an SLR analysis, we want to generate a single
1004 "follow" set for each non-terminal in the grammar.  That is what is
1005 happening here.  If we are doing an LALR or LR analysis we will want
1006 to generate a separate "LA" set for each item.  We do that later
1007 in state generation.
1008
1009 There are two parts to generating a "follow" set.  Firstly we look at
1010 every place that any non-terminal appears in the body of any
1011 production, and we find the set of possible "first" symbols after
1012 there.  This is done using `add_first` above and only needs to be done
1013 once as the "first" sets are now stable and will not change.
1014
1015 ###### follow code
1016
1017         for (p = 0; p < g->production_count; p++) {
1018                 struct production *pr = g->productions[p];
1019                 int b;
1020
1021                 for (b = 0; b < pr->body_size - 1; b++) {
1022                         struct symbol *bs = pr->body[b];
1023                         if (bs->type == Terminal)
1024                                 continue;
1025                         add_first(pr, b+1, &g->follow[bs->num], g, NULL);
1026                 }
1027         }
1028
1029 The second part is to add the "follow" set of the head of a production
1030 to the "follow" sets of the final symbol in the production, and any
1031 other symbol which is followed only by `nullable` symbols.  As this
1032 depends on "follow" itself we need to repeatedly perform the process
1033 until no further changes happen.
1034
1035 ###### follow code
1036
1037         for (again = 0, p = 0;
1038              p < g->production_count;
1039              p < g->production_count-1
1040                 ? p++ : again ? (again = 0, p = 0)
1041                               : p++) {
1042                 struct production *pr = g->productions[p];
1043                 int b;
1044
1045                 for (b = pr->body_size - 1; b >= 0; b--) {
1046                         struct symbol *bs = pr->body[b];
1047                         if (bs->type == Terminal)
1048                                 break;
1049                         if (symset_union(&g->follow[bs->num],
1050                                          &g->follow[pr->head->num]))
1051                                 again = 1;
1052                         if (!bs->nullable)
1053                                 break;
1054                 }
1055         }
1056
1057 We now just need to create and initialise the `follow` list to get a
1058 complete function.
1059
1060 ###### grammar fields
1061         struct symset *follow;
1062
1063 ###### functions
1064         static void build_follow(struct grammar *g)
1065         {
1066                 int s, again, p;
1067                 g->follow = calloc(g->num_syms, sizeof(g->follow[0]));
1068                 for (s = 0; s < g->num_syms; s++)
1069                         g->follow[s] = INIT_SYMSET;
1070                 ## follow code
1071         }
1072
1073 ### Building itemsets and states
1074
1075 There are three different levels of detail that can be chosen for
1076 building the itemsets and states for the LR grammar.  They are:
1077
1078 1. LR(0) or SLR(1), where no look-ahead is considered.
1079 2. LALR(1) where we build look-ahead sets with each item and merge
1080    the LA sets when we find two paths to the same "kernel" set of items.
1081 3. LR(1) where different look-ahead for any item in the set means
1082    a different state must be created.
1083
1084 ###### forward declarations
1085         enum grammar_type { LR0, LR05, SLR, LALR, LR1 };
1086
1087 We need to be able to look through existing states to see if a newly
1088 generated state already exists.  For now we use a simple sorted linked
1089 list.
1090
1091 An item is a pair of numbers: the production number and the position of
1092 "DOT", which is an index into the body of the production.
1093 As the numbers are not enormous we can combine them into a single "short"
1094 and store them in a `symset` - 4 bits for "DOT" and 12 bits for the
1095 production number (so 4000 productions with maximum of 15 symbols in the
1096 body).
1097
1098 Comparing the itemsets will be a little different to comparing symsets
1099 as we want to do the lookup after generating the "kernel" of an
1100 itemset, so we need to ignore the offset=zero items which are added during
1101 completion.
1102
1103 To facilitate this, we modify the "DOT" number so that "0" sorts to
1104 the end of the list in the symset, and then only compare items before
1105 the first "0".
1106
1107 ###### declarations
1108         static inline unsigned short item_num(int production, int index)
1109         {
1110                 return production | ((31-index) << 11);
1111         }
1112         static inline int item_prod(unsigned short item)
1113         {
1114                 return item & 0x7ff;
1115         }
1116         static inline int item_index(unsigned short item)
1117         {
1118                 return (31-(item >> 11)) & 0x1f;
1119         }
1120
1121 For LR(1) analysis we need to compare not just the itemset in a state
1122 but also the LA sets.  As we assign each unique LA set a number, we
1123 can just compare the symset and the data values together.
1124
1125 ###### functions
1126         static int itemset_cmp(struct symset a, struct symset b,
1127                                enum grammar_type type)
1128         {
1129                 int i;
1130                 int av, bv;
1131
1132                 for (i = 0;
1133                      i < a.cnt && i < b.cnt &&
1134                      item_index(a.syms[i]) > 0 &&
1135                      item_index(b.syms[i]) > 0;
1136                      i++) {
1137                         int diff = a.syms[i] - b.syms[i];
1138                         if (diff)
1139                                 return diff;
1140                         if (type == LR1) {
1141                                 diff = a.data[i] - b.data[i];
1142                                 if (diff)
1143                                         return diff;
1144                         }
1145                 }
1146                 if (i == a.cnt || item_index(a.syms[i]) == 0)
1147                         av = -1;
1148                 else
1149                         av = a.syms[i];
1150                 if (i == b.cnt || item_index(b.syms[i]) == 0)
1151                         bv = -1;
1152                 else
1153                         bv = b.syms[i];
1154                 if (av - bv)
1155                         return av - bv;
1156                 if (type < LR1 || av == -1)
1157                         return 0;
1158                 return
1159                         a.data[i] - b.data[i];
1160         }
1161
1162 It will be helpful to know if an itemset has been "completed" or not,
1163 particularly for LALR where itemsets get merged, at which point they
1164 need to be consider for completion again.  So  a `completed` flag is needed.
1165
1166 For correct handling of `TK_newline` when parsing, we will need to
1167 know which states (itemsets) can occur at the start of a line, so we
1168 will record a `starts_line` flag too whenever DOT is at the start of a
1169 `line_like` symbol.
1170
1171 Finally, for handling `TK_out` we need to know whether productions in the
1172 current state started *before* the most recent indent.  A state
1173 doesn't usually keep details of individual productions, so we need to
1174 add one extra detail. `min_prefix` is the smallest non-zero number of
1175 symbols *before* DOT in any production in an itemset.  This will allow
1176 us to determine if the the most recent indent is sufficiently recent
1177 to cancel it against a `TK_out`.  If it was seen longer ago than the
1178 `min_prefix`, and if the current state cannot be reduced, then the
1179 indented section must have ended in the middle of a syntactic unit, so
1180 an error must be signaled.
1181
1182 And now we can build the list of itemsets.  The lookup routine returns
1183 both a success flag and a pointer to where in the list an insert
1184 should happen, so we don't need to search a second time.
1185
1186 ###### declarations
1187         struct itemset {
1188                 struct itemset *next;
1189                 short state;
1190                 struct symset items;
1191                 struct symset go_to;
1192                 enum assoc assoc;
1193                 unsigned short precedence;
1194                 char completed;
1195                 char starts_line;
1196                 int min_prefix;
1197         };
1198
1199 ###### grammar fields
1200         struct itemset *items;
1201         int states;
1202
1203 ###### functions
1204         static int itemset_find(struct grammar *g, struct itemset ***where,
1205                                 struct symset kernel, enum grammar_type type)
1206         {
1207                 struct itemset **ip;
1208
1209                 for (ip = &g->items; *ip ; ip = & (*ip)->next) {
1210                         struct itemset *i = *ip;
1211                         int diff;
1212                         diff = itemset_cmp(i->items, kernel, type);
1213                         if (diff < 0)
1214                                 continue;
1215                         if (diff > 0)
1216                                 break;
1217                         /* found */
1218                         *where = ip;
1219                         return 1;
1220                 }
1221                 *where = ip;
1222                 return 0;
1223         }
1224
1225 Adding an itemset may require merging the LA sets if LALR analysis is
1226 happening. If any new LA set adds any symbols that weren't in the old LA set, we
1227 clear the `completed` flag so that the dependants of this itemset will be
1228 recalculated and their LA sets updated.
1229
1230 `add_itemset` must consume the symsets it is passed, either by adding
1231 them to a data structure, of freeing them.
1232
1233         static int add_itemset(struct grammar *g, struct symset ss,
1234                                enum assoc assoc, unsigned short precedence,
1235                                enum grammar_type type)
1236         {
1237                 struct itemset **where, *is;
1238                 int i;
1239                 int found = itemset_find(g, &where, ss, type);
1240                 if (!found) {
1241                         is = calloc(1, sizeof(*is));
1242                         is->state = g->states;
1243                         g->states += 1;
1244                         is->items = ss;
1245                         is->assoc = assoc;
1246                         is->precedence = precedence;
1247                         is->next = *where;
1248                         is->go_to = INIT_DATASET;
1249                         *where = is;
1250                         return is->state;
1251                 }
1252                 is = *where;
1253                 if (type != LALR) {
1254                         symset_free(ss);
1255                         return is->state;
1256                 }
1257                 for (i = 0; i < ss.cnt; i++) {
1258                         struct symset temp = INIT_SYMSET, s;
1259                         if (ss.data[i] == is->items.data[i])
1260                                 continue;
1261                         s = set_find(g, is->items.data[i]);
1262                         symset_union(&temp, &s);
1263                         s = set_find(g, ss.data[i]);
1264                         if (symset_union(&temp, &s)) {
1265                                 is->items.data[i] = save_set(g, temp);
1266                                 is->completed = 0;
1267                         } else
1268                                 symset_free(temp);
1269                 }
1270                 symset_free(ss);
1271                 return is->state;
1272         }
1273
1274 #### The build
1275
1276 To build all the itemsets, we first insert the initial itemset made
1277 from production zero, complete each itemset, and then generate new
1278 itemsets from old until no new ones can be made.
1279
1280 Completing an itemset means finding all the items where "DOT" is followed by
1281 a nonterminal and adding "DOT=0" items for every production from that
1282 non-terminal - providing each item hasn't already been added.
1283
1284 If LA sets are needed, the LA set for each new item is found using
1285 `add_first` which was developed earlier for `FIRST` and `FOLLOW`.  This may
1286 be supplemented by the LA set for the item which produce the new item.
1287
1288 We also collect a set of all symbols which follow "DOT" (in `done`) as this
1289 is used in the next stage.
1290 If any of these symbols are flagged as `line_like`, then this
1291 state must be a `starts_line` state so now is a good time to record that.
1292
1293 When itemsets are created we assign a precedence to the itemset from
1294 the complete item, if there is one.  We ignore the possibility of
1295 there being two and don't (currently) handle precedence in such
1296 grammars.  When completing a grammar we ignore any item where DOT is
1297 followed by a terminal with a precedence lower than that for the
1298 itemset.  Unless the terminal has right associativity, we also ignore
1299 items where the terminal has the same precedence.  The result is that
1300 unwanted items are still in the itemset, but the terminal doesn't get
1301 into the go to set, so the item is ineffective.
1302
1303 ###### complete itemset
1304         for (i = 0; i < is->items.cnt; i++) {
1305                 int p = item_prod(is->items.syms[i]);
1306                 int bs = item_index(is->items.syms[i]);
1307                 struct production *pr = g->productions[p];
1308                 int p2;
1309                 struct symbol *s;
1310                 struct symset LA = INIT_SYMSET;
1311                 unsigned short sn = 0;
1312                 struct symset LAnl = INIT_SYMSET;
1313                 unsigned short snnl = 0;
1314
1315                 if (is->min_prefix == 0 ||
1316                     (bs > 0 && bs < is->min_prefix))
1317                         is->min_prefix = bs;
1318                 if (bs == pr->body_size)
1319                         continue;
1320                 s = pr->body[bs];
1321                 if (s->precedence && is->precedence &&
1322                     is->precedence > s->precedence)
1323                         /* This terminal has a low precedence and
1324                          * shouldn't be shifted
1325                          */
1326                         continue;
1327                 if (s->precedence && is->precedence &&
1328                     is->precedence == s->precedence && s->assoc != Right)
1329                         /* This terminal has a matching precedence and is
1330                          * not Right-associative, so we mustn't shift it.
1331                          */
1332                         continue;
1333                 if (symset_find(&done, s->num) < 0) {
1334                         symset_add(&done, s->num, 0);
1335                         if (s->line_like)
1336                                 is->starts_line = 1;
1337                 }
1338                 if (s->type != Nonterminal)
1339                         continue;
1340                 again = 1;
1341                 if (type >= LALR) {
1342                         // Need the LA set.
1343                         int to_end;
1344                         add_first(pr, bs+1, &LA, g, &to_end);
1345                         if (to_end) {
1346                                 struct symset ss = set_find(g, is->items.data[i]);
1347                                 symset_union(&LA, &ss);
1348                         }
1349                         sn = save_set(g, LA);
1350                         LA = set_find(g, sn);
1351                         if (symset_find(&LA, TK_newline))
1352                                 symset_add(&LAnl, TK_newline, 0);
1353                         snnl = save_set(g, LAnl);
1354                         LAnl = set_find(g, snnl);
1355                 }
1356
1357                 /* Add productions for this symbol */
1358                 for (p2 = s->first_production;
1359                      p2 < g->production_count &&
1360                       g->productions[p2]->head == s;
1361                      p2++) {
1362                         int itm = item_num(p2, 0);
1363                         int pos = symset_find(&is->items, itm);
1364                         if (pos < 0) {
1365                                 if (g->productions[p2]->line_like)
1366                                         symset_add(&is->items, itm, snnl);
1367                                 else
1368                                         symset_add(&is->items, itm, sn);
1369                                 /* Will have re-ordered, so start
1370                                  * from beginning again */
1371                                 i = -1;
1372                         } else if (type >= LALR) {
1373                                 struct symset ss = set_find(g, is->items.data[pos]);
1374                                 struct symset tmp = INIT_SYMSET;
1375                                 struct symset *la = &LA;
1376
1377                                 if (g->productions[p2]->line_like)
1378                                         la = &LAnl;
1379                                 symset_union(&tmp, &ss);
1380                                 if (symset_union(&tmp, la)) {
1381                                         is->items.data[pos] = save_set(g, tmp);
1382                                         i = -1;
1383                                 } else
1384                                         symset_free(tmp);
1385                         }
1386                 }
1387         }
1388
1389 For each symbol we found (and placed in `done`) we collect all the items for
1390 which this symbol is next, and create a new itemset with "DOT" advanced over
1391 the symbol.  This is then added to the collection of itemsets (or merged
1392 with a pre-existing itemset).
1393
1394 ###### derive itemsets
1395         // Now we have a completed itemset, so we need to
1396         // compute all the 'next' itemsets and create them
1397         // if they don't exist.
1398         for (i = 0; i < done.cnt; i++) {
1399                 int j;
1400                 unsigned short state;
1401                 struct symbol *sym = g->symtab[done.syms[i]];
1402                 enum assoc assoc = Non;
1403                 unsigned short precedence = 0;
1404                 struct symset newitemset = INIT_SYMSET;
1405                 if (type >= LALR)
1406                         newitemset = INIT_DATASET;
1407
1408                 for (j = 0; j < is->items.cnt; j++) {
1409                         int itm = is->items.syms[j];
1410                         int p = item_prod(itm);
1411                         int bp = item_index(itm);
1412                         struct production *pr = g->productions[p];
1413                         unsigned short la = 0;
1414                         int pos;
1415
1416                         if (bp == pr->body_size)
1417                                 continue;
1418                         if (pr->body[bp] != sym)
1419                                 continue;
1420                         if (type >= LALR)
1421                                 la = is->items.data[j];
1422                         pos = symset_find(&newitemset, pr->head->num);
1423                         if (bp + 1 == pr->body_size &&
1424                             pr->precedence > 0 &&
1425                             pr->precedence > precedence) {
1426                                 // new itemset is reducible and has a precedence.
1427                                 precedence = pr->precedence;
1428                                 assoc = pr->assoc;
1429                         }
1430                         if (pos < 0)
1431                                 symset_add(&newitemset, item_num(p, bp+1), la);
1432                         else if (type >= LALR) {
1433                                 // Need to merge la set.
1434                                 int la2 = newitemset.data[pos];
1435                                 if (la != la2) {
1436                                         struct symset ss = set_find(g, la2);
1437                                         struct symset LA = INIT_SYMSET;
1438                                         symset_union(&LA, &ss);
1439                                         ss = set_find(g, la);
1440                                         if (symset_union(&LA, &ss))
1441                                                 newitemset.data[pos] = save_set(g, LA);
1442                                         else
1443                                                 symset_free(LA);
1444                                 }
1445                         }
1446                 }
1447                 state = add_itemset(g, newitemset, assoc, precedence, type);
1448                 if (symset_find(&is->go_to, done.syms[i]) < 0)
1449                         symset_add(&is->go_to, done.syms[i], state);
1450         }
1451
1452 All that is left is to create the initial itemset from production zero, and
1453 with `TK_eof` as the LA set.
1454
1455 ###### functions
1456         static void build_itemsets(struct grammar *g, enum grammar_type type)
1457         {
1458                 struct symset first = INIT_SYMSET;
1459                 struct itemset *is;
1460                 int again;
1461                 unsigned short la = 0;
1462                 if (type >= LALR) {
1463                         // LA set just has eof
1464                         struct symset eof = INIT_SYMSET;
1465                         symset_add(&eof, TK_eof, 0);
1466                         la = save_set(g, eof);
1467                         first = INIT_DATASET;
1468                 }
1469                 // production 0, offset 0 (with no data)
1470                 symset_add(&first, item_num(0, 0), la);
1471                 add_itemset(g, first, Non, 0, type);
1472                 for (again = 0, is = g->items;
1473                      is;
1474                      is = is->next ?: again ? (again = 0, g->items) : NULL) {
1475                         int i;
1476                         struct symset done = INIT_SYMSET;
1477                         if (is->completed)
1478                                 continue;
1479                         is->completed = 1;
1480                         again = 1;
1481                         ## complete itemset
1482                         ## derive itemsets
1483                         symset_free(done);
1484                 }
1485         }
1486
1487 ### Completing the analysis.
1488
1489 The exact process of analysis depends on which level was requested.  For
1490 `LR0` and `LR05` we don't need first and follow sets at all.  For `LALR` and
1491 `LR1` we need first, but not follow.  For `SLR` we need both.
1492
1493 We don't build the "action" tables that you might expect as the parser
1494 doesn't use them.  They will be calculated to some extent if needed for
1495 a report.
1496
1497 Once we have built everything we allocate arrays for the two lists:
1498 symbols and itemsets.  This allows more efficient access during reporting.
1499 The symbols are grouped as terminals and non-terminals and we record the
1500 changeover point in `first_nonterm`.
1501
1502 ###### grammar fields
1503         struct symbol **symtab;
1504         struct itemset **statetab;
1505         int first_nonterm;
1506
1507 ###### grammar_analyse
1508
1509         static void grammar_analyse(struct grammar *g, enum grammar_type type)
1510         {
1511                 struct symbol *s;
1512                 struct itemset *is;
1513                 int snum = TK_reserved;
1514                 for (s = g->syms; s; s = s->next)
1515                         if (s->num < 0 && s->type == Terminal) {
1516                                 s->num = snum;
1517                                 snum++;
1518                         }
1519                 g->first_nonterm = snum;
1520                 for (s = g->syms; s; s = s->next)
1521                         if (s->num < 0) {
1522                                 s->num = snum;
1523                                 snum++;
1524                         }
1525                 g->num_syms = snum;
1526                 g->symtab = calloc(g->num_syms, sizeof(g->symtab[0]));
1527                 for (s = g->syms; s; s = s->next)
1528                         g->symtab[s->num] = s;
1529
1530                 set_nullable(g);
1531                 set_line_like(g);
1532                 if (type >= SLR)
1533                         build_first(g);
1534
1535                 if (type == SLR)
1536                         build_follow(g);
1537
1538                 build_itemsets(g, type);
1539
1540                 g->statetab = calloc(g->states, sizeof(g->statetab[0]));
1541                 for (is = g->items; is ; is = is->next)
1542                         g->statetab[is->state] = is;
1543         }
1544
1545 ## Reporting on the Grammar
1546
1547 The purpose of the report is to give the grammar developer insight into
1548 how the grammar parser will work.  It is basically a structured dump of
1549 all the tables that have been generated, plus a description of any conflicts.
1550
1551 ###### grammar_report
1552         static int grammar_report(struct grammar *g, enum grammar_type type)
1553         {
1554                 report_symbols(g);
1555                 if (g->follow)
1556                         report_follow(g);
1557                 report_itemsets(g);
1558                 return report_conflicts(g, type);
1559         }
1560
1561 Firstly we have the complete list of symbols, together with the
1562 "FIRST" set if that was generated.  We add a mark to each symbol to
1563 show if it can end in a newline (`>`), if it is considered to be
1564 "line-like" (`<`), or if it is nullable (`.`).
1565
1566 ###### functions
1567
1568         static void report_symbols(struct grammar *g)
1569         {
1570                 int n;
1571                 if (g->first)
1572                         printf("SYMBOLS + FIRST:\n");
1573                 else
1574                         printf("SYMBOLS:\n");
1575
1576                 for (n = 0; n < g->num_syms; n++) {
1577                         struct symbol *s = g->symtab[n];
1578                         if (!s)
1579                                 continue;
1580
1581                         printf(" %c%c%3d%c: ",
1582                                s->nullable ? '.':' ',
1583                                s->line_like ? '<':' ',
1584                                s->num, symtypes[s->type]);
1585                         prtxt(s->name);
1586                         if (s->precedence)
1587                                 printf(" (%d%s)", s->precedence,
1588                                        assoc_names[s->assoc]);
1589
1590                         if (g->first && s->type == Nonterminal) {
1591                                 int j;
1592                                 char c = ':';
1593                                 for (j = 0; j < g->first[n].cnt; j++) {
1594                                         printf("%c ", c);
1595                                         c = ',';
1596                                         prtxt(g->symtab[g->first[n].syms[j]]->name);
1597                                 }
1598                         }
1599                         printf("\n");
1600                 }
1601         }
1602
1603 Then we have the follow sets if they were computed.
1604
1605         static void report_follow(struct grammar *g)
1606         {
1607                 int n;
1608                 printf("FOLLOW:\n");
1609                 for (n = 0; n < g->num_syms; n++)
1610                         if (g->follow[n].cnt) {
1611                                 int j;
1612                                 char c = ':';
1613                                 printf("  ");
1614                                 prtxt(g->symtab[n]->name);
1615                                 for (j = 0; j < g->follow[n].cnt; j++) {
1616                                         printf("%c ", c);
1617                                         c = ',';
1618                                         prtxt(g->symtab[g->follow[n].syms[j]]->name);
1619                                 }
1620                                 printf("\n");
1621                         }
1622         }
1623
1624 And finally the item sets.  These include the GO TO tables and, for
1625 LALR and LR1, the LA set for each item.  Lots of stuff, so we break
1626 it up a bit.  First the items, with production number and associativity.
1627
1628         static void report_item(struct grammar *g, int itm)
1629         {
1630                 int p = item_prod(itm);
1631                 int dot = item_index(itm);
1632                 struct production *pr = g->productions[p];
1633                 int i;
1634
1635                 printf("    ");
1636                 prtxt(pr->head->name);
1637                 printf(" ->");
1638                 for (i = 0; i < pr->body_size; i++) {
1639                         printf(" %s", (dot == i ? ". ": ""));
1640                         prtxt(pr->body[i]->name);
1641                 }
1642                 if (dot == pr->body_size)
1643                         printf(" .");
1644                 printf(" [%d]", p);
1645                 if (pr->precedence && dot == pr->body_size)
1646                         printf(" (%d%s)", pr->precedence,
1647                                assoc_names[pr->assoc]);
1648                 if (dot < pr->body_size &&
1649                     pr->body[dot]->precedence) {
1650                         struct symbol *s = pr->body[dot];
1651                         printf(" [%d%s]", s->precedence,
1652                                assoc_names[s->assoc]);
1653                 }
1654                 if (pr->line_like)
1655                         printf(" $$NEWLINE");
1656                 printf("\n");
1657         }
1658
1659 The LA sets which are (possibly) reported with each item:
1660
1661         static void report_la(struct grammar *g, int lanum)
1662         {
1663                 struct symset la = set_find(g, lanum);
1664                 int i;
1665                 char c = ':';
1666
1667                 printf("        LOOK AHEAD(%d)", lanum);
1668                 for (i = 0; i < la.cnt; i++) {
1669                         printf("%c ", c);
1670                         c = ',';
1671                         prtxt(g->symtab[la.syms[i]]->name);
1672                 }
1673                 printf("\n");
1674         }
1675
1676 Then the go to sets:
1677
1678         static void report_goto(struct grammar *g, struct symset gt)
1679         {
1680                 int i;
1681                 printf("    GOTO:\n");
1682
1683                 for (i = 0; i < gt.cnt; i++) {
1684                         printf("      ");
1685                         prtxt(g->symtab[gt.syms[i]]->name);
1686                         printf(" -> %d\n", gt.data[i]);
1687                 }
1688         }
1689
1690 Now we can report all the item sets complete with items, LA sets, and GO TO.
1691
1692         static void report_itemsets(struct grammar *g)
1693         {
1694                 int s;
1695                 printf("ITEM SETS(%d)\n", g->states);
1696                 for (s = 0; s < g->states; s++) {
1697                         int j;
1698                         struct itemset *is = g->statetab[s];
1699                         printf("  Itemset %d:%s min prefix=%d",
1700                                s, is->starts_line?" (startsline)":"", is->min_prefix);
1701                         if (is->precedence)
1702                                 printf(" %d%s", is->precedence, assoc_names[is->assoc]);
1703                         printf("\n");
1704                         for (j = 0; j < is->items.cnt; j++) {
1705                                 report_item(g, is->items.syms[j]);
1706                                 if (is->items.data != NO_DATA)
1707                                         report_la(g, is->items.data[j]);
1708                         }
1709                         report_goto(g, is->go_to);
1710                 }
1711         }
1712
1713 ### Reporting conflicts
1714
1715 Conflict detection varies a lot among different analysis levels.  However
1716 LR0 and LR0.5 are quite similar - having no follow sets, and SLR, LALR and
1717 LR1 are also similar as they have FOLLOW or LA sets.
1718
1719 ###### functions
1720
1721         ## conflict functions
1722
1723         static int report_conflicts(struct grammar *g, enum grammar_type type)
1724         {
1725                 int cnt = 0;
1726                 printf("Conflicts:\n");
1727                 if (type < SLR)
1728                         cnt = conflicts_lr0(g, type);
1729                 else
1730                         cnt = conflicts_slr(g, type);
1731                 if (cnt == 0)
1732                         printf(" - no conflicts\n");
1733                 return cnt;
1734         }
1735
1736 LR0 conflicts are any state which have both a reducible item and
1737 a shiftable item, or two reducible items.
1738
1739 LR05 conflicts only occur if two possible reductions exist,
1740 as shifts always over-ride reductions.
1741
1742 ###### conflict functions
1743         static int conflicts_lr0(struct grammar *g, enum grammar_type type)
1744         {
1745                 int i;
1746                 int cnt = 0;
1747                 for (i = 0; i < g->states; i++) {
1748                         struct itemset *is = g->statetab[i];
1749                         int last_reduce = -1;
1750                         int prev_reduce = -1;
1751                         int last_shift = -1;
1752                         int j;
1753                         if (!is)
1754                                 continue;
1755                         for (j = 0; j < is->items.cnt; j++) {
1756                                 int itm = is->items.syms[j];
1757                                 int p = item_prod(itm);
1758                                 int bp = item_index(itm);
1759                                 struct production *pr = g->productions[p];
1760
1761                                 if (bp == pr->body_size) {
1762                                         prev_reduce = last_reduce;
1763                                         last_reduce = j;
1764                                         continue;
1765                                 }
1766                                 if (pr->body[bp]->type == Terminal)
1767                                         last_shift = j;
1768                         }
1769                         if (type == LR0 && last_reduce >= 0 && last_shift >= 0) {
1770                                 printf("  State %d has both SHIFT and REDUCE:\n", i);
1771                                 report_item(g, is->items.syms[last_shift]);
1772                                 report_item(g, is->items.syms[last_reduce]);
1773                                 cnt++;
1774                         }
1775                         if (prev_reduce >= 0) {
1776                                 printf("  State %d has 2 (or more) reducible items\n", i);
1777                                 report_item(g, is->items.syms[prev_reduce]);
1778                                 report_item(g, is->items.syms[last_reduce]);
1779                                 cnt++;
1780                         }
1781                 }
1782                 return cnt;
1783         }
1784
1785 SLR, LALR, and LR1 conflicts happen if two reducible items have over-lapping
1786 look ahead, or if a symbol in a look-ahead can be shifted.  They differ only
1787 in the source of the look ahead set.
1788
1789 We build two datasets to reflect the "action" table: one which maps
1790 terminals to items where that terminal could be shifted and another
1791 which maps terminals to items that could be reduced when the terminal
1792 is in look-ahead.  We report when we get conflicts between the two.
1793
1794 As a special case, if we find a SHIFT/REDUCE conflict, on the NEWLINE
1795 terminal, we ignore it.  NEWLINES are handled specially with its own
1796 rules for when to shift and when to reduce.  Conflicts are expected,
1797 but handled internally.
1798
1799         static int conflicts_slr(struct grammar *g, enum grammar_type type)
1800         {
1801                 int i;
1802                 int cnt = 0;
1803
1804                 for (i = 0; i < g->states; i++) {
1805                         struct itemset *is = g->statetab[i];
1806                         struct symset shifts = INIT_DATASET;
1807                         struct symset reduce = INIT_DATASET;
1808                         int j;
1809                         if (!is)
1810                                 continue;
1811                         /* First collect the shifts */
1812                         for (j = 0; j < is->items.cnt; j++) {
1813                                 unsigned short itm = is->items.syms[j];
1814                                 int p = item_prod(itm);
1815                                 int bp = item_index(itm);
1816                                 struct production *pr = g->productions[p];
1817                                 struct symbol *s;
1818
1819                                 if (bp >= pr->body_size ||
1820                                     pr->body[bp]->type != Terminal)
1821                                         /* not shiftable */
1822                                         continue;
1823
1824                                 s = pr->body[bp];
1825                                 if (s->precedence && is->precedence)
1826                                         /* Precedence resolves this, so no conflict */
1827                                         continue;
1828
1829                                 if (symset_find(&shifts, s->num) < 0)
1830                                         symset_add(&shifts, s->num, itm);
1831                         }
1832                         /* Now look for reductions and conflicts */
1833                         for (j = 0; j < is->items.cnt; j++) {
1834                                 unsigned short itm = is->items.syms[j];
1835                                 int p = item_prod(itm);
1836                                 int bp = item_index(itm);
1837                                 struct production *pr = g->productions[p];
1838
1839                                 if (bp < pr->body_size)
1840                                         continue;
1841                                 /* reducible */
1842                                 struct symset la;
1843                                 if (type == SLR)
1844                                         la = g->follow[pr->head->num];
1845                                 else
1846                                         la = set_find(g, is->items.data[j]);
1847                                 int k;
1848                                 for (k = 0; k < la.cnt; k++) {
1849                                         int pos = symset_find(&shifts, la.syms[k]);
1850                                         if (pos >= 0 && la.syms[k] != TK_newline) {
1851                                                 printf("  State %d has SHIFT/REDUCE conflict on ", i);
1852                                                 cnt++;
1853                                                         prtxt(g->symtab[la.syms[k]]->name);
1854                                                 printf(":\n");
1855                                                 report_item(g, shifts.data[pos]);
1856                                                 report_item(g, itm);
1857                                         }
1858                                         pos = symset_find(&reduce, la.syms[k]);
1859                                         if (pos < 0) {
1860                                                 symset_add(&reduce, la.syms[k], itm);
1861                                                 continue;
1862                                         }
1863                                         printf("  State %d has REDUCE/REDUCE conflict on ", i);
1864                                         prtxt(g->symtab[la.syms[k]]->name);
1865                                         printf(":\n");
1866                                         report_item(g, itm);
1867                                         report_item(g, reduce.data[pos]);
1868                                         cnt++;
1869                                 }
1870                         }
1871                         symset_free(shifts);
1872                         symset_free(reduce);
1873                 }
1874                 return cnt;
1875         }
1876
1877 ## Generating the parser
1878
1879 The exported part of the parser is the `parse_XX` function, where the name
1880 `XX` is based on the name of the parser files.
1881
1882 This takes a `code_node`, a partially initialized `token_config`, and an
1883 optional `FILE` to send tracing to.  The `token_config` gets the list of
1884 known words added and then is used with the `code_node` to initialize the
1885 scanner.
1886
1887 `parse_XX` then calls the library function `parser_run` to actually complete
1888 the parse.  This needs the `states` table and function to call the various
1889 pieces of code provided in the grammar file, so they are generated first.
1890
1891 ###### parser_generate
1892
1893         static void gen_parser(FILE *f, struct grammar *g, char *file, char *name,
1894                                struct code_node *pre_reduce)
1895         {
1896                 gen_known(f, g);
1897                 gen_non_term(f, g);
1898                 gen_goto(f, g);
1899                 gen_states(f, g);
1900                 gen_reduce(f, g, file, pre_reduce);
1901                 gen_free(f, g);
1902
1903                 fprintf(f, "#line 0 \"gen_parser\"\n");
1904                 fprintf(f, "void *parse_%s(struct code_node *code, struct token_config *config, FILE *trace)\n",
1905                         name);
1906                 fprintf(f, "{\n");
1907                 fprintf(f, "\tstruct token_state *tokens;\n");
1908                 fprintf(f, "\tconfig->words_marks = known;\n");
1909                 fprintf(f, "\tconfig->known_count = sizeof(known)/sizeof(known[0]);\n");
1910                 fprintf(f, "\tconfig->ignored |= (1 << TK_line_comment) | (1 << TK_block_comment);\n");
1911                 fprintf(f, "\ttokens = token_open(code, config);\n");
1912                 fprintf(f, "\tvoid *rv = parser_run(tokens, states, do_reduce, do_free, trace, non_term, config);\n");
1913                 fprintf(f, "\ttoken_close(tokens);\n");
1914                 fprintf(f, "\treturn rv;\n");
1915                 fprintf(f, "}\n\n");
1916         }
1917
1918 ### Known words table
1919
1920 The known words table is simply an array of terminal symbols.
1921 The table of nonterminals used for tracing is a similar array.  We
1922 include virtual symbols in the table of non_terminals to keep the
1923 numbers right.
1924
1925 ###### functions
1926
1927         static void gen_known(FILE *f, struct grammar *g)
1928         {
1929                 int i;
1930                 fprintf(f, "#line 0 \"gen_known\"\n");
1931                 fprintf(f, "static const char *known[] = {\n");
1932                 for (i = TK_reserved;
1933                      i < g->num_syms && g->symtab[i]->type == Terminal;
1934                      i++)
1935                         fprintf(f, "\t\"%.*s\",\n", g->symtab[i]->name.len,
1936                                 g->symtab[i]->name.txt);
1937                 fprintf(f, "};\n\n");
1938         }
1939
1940         static void gen_non_term(FILE *f, struct grammar *g)
1941         {
1942                 int i;
1943                 fprintf(f, "#line 0 \"gen_non_term\"\n");
1944                 fprintf(f, "static const char *non_term[] = {\n");
1945                 for (i = TK_reserved;
1946                      i < g->num_syms;
1947                      i++)
1948                         if (g->symtab[i]->type != Terminal)
1949                                 fprintf(f, "\t\"%.*s\",\n", g->symtab[i]->name.len,
1950                                         g->symtab[i]->name.txt);
1951                 fprintf(f, "};\n\n");
1952         }
1953
1954 ### States and the goto tables.
1955
1956 For each state we record the goto table, the reducible production if
1957 there is one, or a symbol to shift for error recovery.
1958 Some of the details of the reducible production are stored in the
1959 `do_reduce` function to come later.  Here we store the production number,
1960 the body size (useful for stack management) and the resulting symbol (useful
1961 for knowing how to free data later).
1962
1963 The go to table is stored in a simple array of `sym` and corresponding
1964 `state`.
1965
1966 ###### exported types
1967
1968         struct lookup {
1969                 short sym;
1970                 short state;
1971         };
1972         struct state {
1973                 short go_to_cnt;
1974                 const struct lookup * go_to;
1975                 short reduce_prod;
1976                 short reduce_size;
1977                 short reduce_sym;
1978                 char starts_line;
1979                 char newline_only;
1980                 short min_prefix;
1981         };
1982
1983 ###### functions
1984
1985         static void gen_goto(FILE *f, struct grammar *g)
1986         {
1987                 int i;
1988                 fprintf(f, "#line 0 \"gen_goto\"\n");
1989                 for (i = 0; i < g->states; i++) {
1990                         int j;
1991                         fprintf(f, "static const struct lookup goto_%d[] = {\n",
1992                                 i);
1993                         struct symset gt = g->statetab[i]->go_to;
1994                         for (j = 0; j < gt.cnt; j++)
1995                                 fprintf(f, "\t{ %d, %d },\n",
1996                                         gt.syms[j], gt.data[j]);
1997                         fprintf(f, "};\n");
1998                 }
1999         }
2000
2001 ###### functions
2002
2003         static void gen_states(FILE *f, struct grammar *g)
2004         {
2005                 int i;
2006                 fprintf(f, "#line 0 \"gen_states\"\n");
2007                 fprintf(f, "static const struct state states[] = {\n");
2008                 for (i = 0; i < g->states; i++) {
2009                         struct itemset *is = g->statetab[i];
2010                         int j, prod = -1, prod_len;
2011
2012                         for (j = 0; j < is->items.cnt; j++) {
2013                                 int itm = is->items.syms[j];
2014                                 int p = item_prod(itm);
2015                                 int bp = item_index(itm);
2016                                 struct production *pr = g->productions[p];
2017
2018                                 if (bp < pr->body_size)
2019                                         continue;
2020                                 /* This is what we reduce */
2021                                 if (prod < 0 || prod_len < pr->body_size) {
2022                                         prod = p;
2023                                         prod_len = pr->body_size;
2024                                 }
2025                         }
2026
2027                         if (prod >= 0)
2028                                 fprintf(f, "\t[%d] = { %d, goto_%d, %d, %d, %d, %d, %d, %d },\n",
2029                                         i, is->go_to.cnt, i, prod,
2030                                         g->productions[prod]->body_size,
2031                                         g->productions[prod]->head->num,
2032                                         is->starts_line,
2033                                         g->productions[prod]->line_like,
2034                                         is->min_prefix);
2035                         else
2036                                 fprintf(f, "\t[%d] = { %d, goto_%d, -1, -1, -1, %d, 0, %d },\n",
2037                                         i, is->go_to.cnt, i,
2038                                         is->starts_line, is->min_prefix);
2039                 }
2040                 fprintf(f, "};\n\n");
2041         }
2042
2043 ### The `do_reduce` function and the code
2044
2045 When the parser engine decides to reduce a production, it calls `do_reduce`.
2046 This has two functions.
2047
2048 Firstly, if a non-NULL `trace` file is passed, it prints out details of the
2049 production being reduced.  Secondly it runs the code that was included with
2050 the production if any.
2051
2052 This code needs to be able to store data somewhere.  Rather than requiring
2053 `do_reduce` to `malloc` that "somewhere", we pass in a large buffer and have
2054 `do_reduce` return the size to be saved.
2055
2056 In order for the code to access "global" context, we pass in the
2057 "config" pointer that was passed to parser function.  If the `struct
2058 token_config` is embedded in some larger structure, the reducing code
2059 can access the larger structure using pointer manipulation.
2060
2061 The code fragment requires translation when written out.  Any `$N` needs to
2062 be converted to a reference either to that buffer (if `$0`) or to the
2063 structure returned by a previous reduction.  These pointers need to be cast
2064 to the appropriate type for each access.  All this is handled in
2065 `gen_code`.
2066
2067 `gen_code` also allows symbol references to contain a '`<`' as in '`$<2`'.
2068 This applied only to symbols with references (or pointers), not those with structures.
2069 The `<` implies that the reference it being moved out, so the object will not be
2070 automatically freed.  This is equivalent to assigning `NULL` to the pointer.
2071
2072 ###### functions
2073
2074         static void gen_code(struct production *p, FILE *f, struct grammar *g)
2075         {
2076                 char *c;
2077                 char *used = calloc(1, p->body_size);
2078                 int i;
2079
2080                 fprintf(f, "\t\t\t");
2081                 for (c = p->code.txt; c < p->code.txt + p->code.len; c++) {
2082                         int n;
2083                         int use = 0;
2084                         if (*c != '$') {
2085                                 fputc(*c, f);
2086                                 if (*c == '\n')
2087                                         fputs("\t\t\t", f);
2088                                 continue;
2089                         }
2090                         c++;
2091                         if (*c == '<') {
2092                                 use = 1;
2093                                 c++;
2094                         }
2095                         if (*c < '0' || *c > '9') {
2096                                 if (use)
2097                                         fputc('<', f);
2098                                 fputc(*c, f);
2099                                 continue;
2100                         }
2101                         n = *c - '0';
2102                         while (c[1] >= '0' && c[1] <= '9') {
2103                                 c += 1;
2104                                 n = n * 10 + *c - '0';
2105                         }
2106                         if (n == 0)
2107                                 fprintf(f, "(*(struct %.*s*%s)ret)",
2108                                         p->head->struct_name.len,
2109                                         p->head->struct_name.txt,
2110                                         p->head->isref ? "*":"");
2111                         else if (n > p->body_size)
2112                                 fprintf(f, "$%d", n);
2113                         else if (p->body[n-1]->type == Terminal)
2114                                 fprintf(f, "(*(struct token *)body[%d])",
2115                                         n-1);
2116                         else if (p->body[n-1]->struct_name.txt == NULL)
2117                                 fprintf(f, "$%d", n);
2118                         else {
2119                                 fprintf(f, "(*(struct %.*s*%s)body[%d])",
2120                                         p->body[n-1]->struct_name.len,
2121                                         p->body[n-1]->struct_name.txt,
2122                                         p->body[n-1]->isref ? "*":"", n-1);
2123                                 used[n-1] = use;
2124                         }
2125                 }
2126                 fputs("\n", f);
2127                 for (i = 0; i < p->body_size; i++) {
2128                         if (p->body[i]->struct_name.txt &&
2129                             used[i]) {
2130                                 // assume this has been copied out
2131                                 if (p->body[i]->isref)
2132                                         fprintf(f, "\t\t*(void**)body[%d] = NULL;\n", i);
2133                                 else
2134                                         fprintf(f, "\t\tmemset(body[%d], 0, sizeof(struct %.*s));\n", i, p->body[i]->struct_name.len, p->body[i]->struct_name.txt);
2135                         }
2136                 }
2137                 free(used);
2138         }
2139
2140 ###### functions
2141
2142         static void gen_reduce(FILE *f, struct grammar *g, char *file,
2143                                struct code_node *code)
2144         {
2145                 int i;
2146                 fprintf(f, "#line 1 \"gen_reduce\"\n");
2147                 fprintf(f, "static int do_reduce(int prod, void **body, struct token_config *config, void *ret)\n");
2148                 fprintf(f, "{\n");
2149                 fprintf(f, "\tint ret_size = 0;\n");
2150                 if (code)
2151                         code_node_print(f, code, file);
2152
2153                 fprintf(f, "#line 4 \"gen_reduce\"\n");
2154                 fprintf(f, "\tswitch(prod) {\n");
2155                 for (i = 0; i < g->production_count; i++) {
2156                         struct production *p = g->productions[i];
2157                         fprintf(f, "\tcase %d:\n", i);
2158
2159                         if (p->code.txt) {
2160                                 fprintf(f, "#line %d \"%s\"\n", p->code_line, file);
2161                                 gen_code(p, f, g);
2162                         }
2163
2164                         if (p->head->struct_name.txt)
2165                                 fprintf(f, "\t\tret_size = sizeof(struct %.*s%s);\n",
2166                                         p->head->struct_name.len,
2167                                         p->head->struct_name.txt,
2168                                         p->head->isref ? "*":"");
2169
2170                         fprintf(f, "\t\tbreak;\n");
2171                 }
2172                 fprintf(f, "\t}\n\treturn ret_size;\n}\n\n");
2173         }
2174
2175 ### `do_free`
2176
2177 As each non-terminal can potentially cause a different type of data
2178 structure to be allocated and filled in, we need to be able to free it when
2179 done.
2180
2181 It is particularly important to have fine control over freeing during error
2182 recovery where individual stack frames might need to be freed.
2183
2184 For this, the grammar author is required to defined a `free_XX` function for
2185 each structure that is used by a non-terminal.  `do_free` will call whichever
2186 is appropriate given a symbol number, and will call `free` (as is
2187 appropriate for tokens) on any terminal symbol.
2188
2189 ###### functions
2190
2191         static void gen_free(FILE *f, struct grammar *g)
2192         {
2193                 int i;
2194
2195                 fprintf(f, "#line 0 \"gen_free\"\n");
2196                 fprintf(f, "static void do_free(short sym, void *asn)\n");
2197                 fprintf(f, "{\n");
2198                 fprintf(f, "\tif (!asn) return;\n");
2199                 fprintf(f, "\tif (sym < %d) {\n", g->first_nonterm);
2200                 fprintf(f, "\t\tfree(asn);\n\t\treturn;\n\t}\n");
2201                 fprintf(f, "\tswitch(sym) {\n");
2202
2203                 for (i = 0; i < g->num_syms; i++) {
2204                         struct symbol *s = g->symtab[i];
2205                         if (!s ||
2206                             s->type != Nonterminal ||
2207                             s->struct_name.txt == NULL)
2208                                 continue;
2209
2210                         fprintf(f, "\tcase %d:\n", s->num);
2211                         if (s->isref) {
2212                                 fprintf(f, "\t\tfree_%.*s(*(void**)asn);\n",
2213                                         s->struct_name.len,
2214                                         s->struct_name.txt);
2215                                 fprintf(f, "\t\tfree(asn);\n");
2216                         } else
2217                                 fprintf(f, "\t\tfree_%.*s(asn);\n",
2218                                         s->struct_name.len,
2219                                         s->struct_name.txt);
2220                         fprintf(f, "\t\tbreak;\n");
2221                 }
2222                 fprintf(f, "\t}\n}\n\n");
2223         }
2224
2225 ## The main routine.
2226
2227 There are three key parts to the "main" function of parsergen: processing
2228 the arguments, loading the grammar file, and dealing with the grammar.
2229
2230 ### Argument processing.
2231
2232 Command line options allow the selection of analysis mode, name of output
2233 file, and whether or not a report should be generated.  By default we create
2234 a report only if no code output was requested.
2235
2236 The `parse_XX` function name uses the basename of the output file which
2237 should not have a suffix (`.c`).  `.c` is added to the given name for the
2238 code, and `.h` is added for the header (if header text is specifed in the
2239 grammar file).
2240
2241 ###### includes
2242         #include <getopt.h>
2243
2244 ###### declarations
2245         static const struct option long_options[] = {
2246                 { "LR0",        0, NULL, '0' },
2247                 { "LR05",       0, NULL, '5' },
2248                 { "SLR",        0, NULL, 'S' },
2249                 { "LALR",       0, NULL, 'L' },
2250                 { "LR1",        0, NULL, '1' },
2251                 { "tag",        1, NULL, 't' },
2252                 { "report",     0, NULL, 'R' },
2253                 { "output",     1, NULL, 'o' },
2254                 { NULL,         0, NULL, 0   }
2255         };
2256         const char *options = "05SL1t:Ro:";
2257
2258 ###### process arguments
2259         int opt;
2260         char *outfile = NULL;
2261         char *infile;
2262         char *name;
2263         char *tag = NULL;
2264         int report = 1;
2265         enum grammar_type type = LR05;
2266         while ((opt = getopt_long(argc, argv, options,
2267                                   long_options, NULL)) != -1) {
2268                 switch(opt) {
2269                 case '0':
2270                         type = LR0; break;
2271                 case '5':
2272                         type = LR05; break;
2273                 case 'S':
2274                         type = SLR; break;
2275                 case 'L':
2276                         type = LALR; break;
2277                 case '1':
2278                         type = LR1; break;
2279                 case 'R':
2280                         report = 2; break;
2281                 case 'o':
2282                         outfile = optarg; break;
2283                 case 't':
2284                         tag = optarg; break;
2285                 default:
2286                         fprintf(stderr, "Usage: parsergen ...\n");
2287                         exit(1);
2288                 }
2289         }
2290         if (optind < argc)
2291                 infile = argv[optind++];
2292         else {
2293                 fprintf(stderr, "No input file given\n");
2294                 exit(1);
2295         }
2296         if (outfile && report == 1)
2297                 report = 0;
2298         name = outfile;
2299         if (name && strchr(name, '/'))
2300                 name = strrchr(name, '/')+1;
2301
2302         if (optind < argc) {
2303                 fprintf(stderr, "Excess command line arguments\n");
2304                 exit(1);
2305         }
2306
2307 ### Loading the grammar file
2308
2309 To be able to run `mdcode` and `scanner` on the grammar we need to memory
2310 map it.
2311
2312 Once we have extracted the code (with `mdcode`) we expect to find three
2313 sections: header, code, and grammar.  Anything else that is not
2314 excluded by the `--tag` option is an error.
2315
2316 "header" and "code" are optional, though it is hard to build a working
2317 parser with neither. "grammar" must be provided.
2318
2319 ###### includes
2320         #include <fcntl.h>
2321         #include <sys/mman.h>
2322         #include <errno.h>
2323
2324 ###### functions
2325         static int errs;
2326         static void pr_err(char *msg)
2327         {
2328                 errs++;
2329                 fprintf(stderr, "%s\n", msg);
2330         }
2331
2332 ###### load file
2333         struct section *table;
2334         int fd;
2335         int len;
2336         char *file;
2337         fd = open(infile, O_RDONLY);
2338         if (fd < 0) {
2339                 fprintf(stderr, "parsergen: cannot open %s: %s\n",
2340                         infile, strerror(errno));
2341                 exit(1);
2342         }
2343         len = lseek(fd, 0, 2);
2344         file = mmap(NULL, len, PROT_READ, MAP_SHARED, fd, 0);
2345         table = code_extract(file, file+len, pr_err);
2346
2347         struct code_node *hdr = NULL;
2348         struct code_node *code = NULL;
2349         struct code_node *gram = NULL;
2350         struct code_node *pre_reduce = NULL;
2351         for (s = table; s; s = s->next) {
2352                 struct text sec = s->section;
2353                 if (tag && !strip_tag(&sec, tag))
2354                         continue;
2355                 if (text_is(sec, "header"))
2356                         hdr = s->code;
2357                 else if (text_is(sec, "code"))
2358                         code = s->code;
2359                 else if (text_is(sec, "grammar"))
2360                         gram = s->code;
2361                 else if (text_is(sec, "reduce"))
2362                         pre_reduce = s->code;
2363                 else {
2364                         fprintf(stderr, "Unknown content section: %.*s\n",
2365                                 s->section.len, s->section.txt);
2366                         rv |= 2;
2367                 }
2368         }
2369
2370 ### Processing the input
2371
2372 As we need to append an extention to a filename and then open it for
2373 writing, and we need to do this twice, it helps to have a separate function.
2374
2375 ###### functions
2376
2377         static FILE *open_ext(char *base, char *ext)
2378         {
2379                 char *fn = malloc(strlen(base) + strlen(ext) + 1);
2380                 FILE *f;
2381                 strcat(strcpy(fn, base), ext);
2382                 f = fopen(fn, "w");
2383                 free(fn);
2384                 return f;
2385         }
2386
2387 If we can read the grammar, then we analyse and optionally report on it.  If
2388 the report finds conflicts we will exit with an error status.
2389
2390 ###### process input
2391         struct grammar *g = NULL;
2392         if (gram == NULL) {
2393                 fprintf(stderr, "No grammar section provided\n");
2394                 rv |= 2;
2395         } else {
2396                 g = grammar_read(gram);
2397                 if (!g) {
2398                         fprintf(stderr, "Failure to parse grammar\n");
2399                         rv |= 2;
2400                 }
2401         }
2402         if (g) {
2403                 grammar_analyse(g, type);
2404                 if (report)
2405                         if (grammar_report(g, type))
2406                                 rv |= 1;
2407         }
2408
2409 If a "headers" section is defined, we write it out and include a declaration
2410 for the `parse_XX` function so it can be used from separate code.
2411
2412         if (rv == 0 && hdr && outfile) {
2413                 FILE *f = open_ext(outfile, ".h");
2414                 if (f) {
2415                         code_node_print(f, hdr, infile);
2416                         fprintf(f, "void *parse_%s(struct code_node *code, struct token_config *config, FILE *trace);\n",
2417                                 name);
2418                         fclose(f);
2419                 } else {
2420                         fprintf(stderr, "Cannot create %s.h\n",
2421                                 outfile);
2422                         rv |= 4;
2423                 }
2424         }
2425
2426 And if all goes well and an output file was provided, we create the `.c`
2427 file with the code section (if any) and the parser tables and function.
2428
2429         if (rv == 0 && outfile) {
2430                 FILE *f = open_ext(outfile, ".c");
2431                 if (f) {
2432                         if (code)
2433                                 code_node_print(f, code, infile);
2434                         gen_parser(f, g, infile, name, pre_reduce);
2435                         fclose(f);
2436                 } else {
2437                         fprintf(stderr, "Cannot create %s.c\n",
2438                                 outfile);
2439                         rv |= 4;
2440                 }
2441         }
2442
2443 And that about wraps it up.  We need to set the locale so that UTF-8 is
2444 recognised properly, and link with `libicuuc` as `libmdcode` requires that.
2445
2446 ###### File: parsergen.mk
2447         parsergen : parsergen.o libscanner.o libmdcode.o
2448                 $(CC) $(CFLAGS) -o parsergen parsergen.o libscanner.o libmdcode.o -licuuc
2449
2450 ###### includes
2451         #include <locale.h>
2452
2453 ###### main
2454
2455         int main(int argc, char *argv[])
2456         {
2457                 struct section *s;
2458                 int rv = 0;
2459
2460                 setlocale(LC_ALL,"");
2461
2462                 ## process arguments
2463                 ## load file
2464                 ## process input
2465
2466                 return rv;
2467         }
2468
2469 ## The SHIFT/REDUCE parser
2470
2471 Having analysed the grammar and generated all the tables, we only need the
2472 shift/reduce engine to bring it all together.
2473
2474 ### Goto table lookup
2475
2476 The parser generator has nicely provided us with goto tables sorted by
2477 symbol number.  We need a binary search function to find a symbol in the
2478 table.
2479
2480 ###### parser functions
2481
2482         static int search(const struct state *l, int sym)
2483         {
2484                 int lo = 0;
2485                 int hi = l->go_to_cnt;
2486
2487                 if (hi == 0)
2488                         return -1;
2489                 while (lo + 1 < hi) {
2490                         int mid = (lo + hi) / 2;
2491                         if (l->go_to[mid].sym <= sym)
2492                                 lo = mid;
2493                         else
2494                                 hi = mid;
2495                 }
2496                 if (l->go_to[lo].sym == sym)
2497                         return l->go_to[lo].state;
2498                 else
2499                         return -1;
2500         }
2501
2502 ### The state stack.
2503
2504 The core data structure for the parser is the stack.  This tracks all the
2505 symbols that have been recognised or partially recognised.
2506
2507 The stack usually won't grow very large - maybe a few tens of entries.  So
2508 we dynamically resize and array as required but never bother to shrink it
2509 down again.
2510
2511 We keep the stack as two separate allocations.  One, `asn_stack` stores the
2512 "abstract syntax nodes" which are created by each reduction.  When we call
2513 `do_reduce` we need to pass an array of the `asn`s of the body of the
2514 production, and by keeping a separate `asn` stack, we can just pass a
2515 pointer into this stack.
2516
2517 The other allocation stores all other stack fields of which there are six.
2518 The `state` is the most important one and guides the parsing process.  The
2519 `sym` is nearly unnecessary.  However when we want to free entries from the
2520 `asn_stack`, it helps to know what type they are so we can call the right
2521 freeing function.  The symbol leads us to the right free function through
2522 `do_free`.
2523
2524 The `indents` count tracks the line indents with-in the symbol or
2525 immediately follow it.  These are used to allow indent information to
2526 guide parsing and error recovery.
2527
2528 `since_newline` tracks how many stack frames since the last
2529 start-of-line (whether indented or not).  So if `since_newline` is
2530 zero, then this symbol is at the start of a line.  Similarly
2531 `since_indent` counts the number of states since an indent, it is zero
2532 precisely when `indents` is not zero.
2533
2534 `newline_permitted` keeps track of whether newlines should be ignored
2535 or not.
2536
2537 The stack is most properly seen as alternating states and symbols -
2538 states, like the 'DOT' in items, are between symbols.  Each frame in
2539 our stack holds a state and the symbol that was before it.  The
2540 bottom of stack holds the start state but no symbol, as nothing came
2541 before the beginning.
2542
2543 ###### parser functions
2544
2545         struct parser {
2546                 struct frame {
2547                         short state;
2548                         short newline_permitted;
2549
2550                         short sym;
2551                         short indents;
2552                         short since_newline;
2553                         short since_indent;
2554                 } *stack;
2555                 void **asn_stack;
2556                 int stack_size;
2557                 int tos;
2558         };
2559
2560 #### Shift and pop
2561
2562 Two operations are needed on the stack - shift (which is like push) and pop.
2563
2564 Shift applies not only to terminals but also to non-terminals.  When
2565 we reduce a production we will pop off entries corresponding to the
2566 body symbols, then push on an item for the head of the production.
2567 This last is exactly the same process as shifting in a terminal so we
2568 use the same function for both.  In both cases we provide the symbol,
2569 the number of indents the symbol contains (which will be zero for a
2570 terminal symbol) and a flag indicating the the symbol was at (or was
2571 reduced from a symbol which was at) the start of a line.  The state is
2572 deduced from the current top-of-stack state and the new symbol.
2573
2574 To simplify other code we arrange for `shift` to fail if there is no `goto`
2575 state for the symbol.  This is useful in basic parsing due to our design
2576 that we shift when we can, and reduce when we cannot.  So the `shift`
2577 function reports if it could.
2578
2579 `shift` is also used to push state zero onto the stack, so if the
2580 stack is empty, it always chooses zero as the next state.
2581
2582 So `shift` finds the next state.  If that succeeds it extends the
2583 allocations if needed and pushes all the information onto the stacks.
2584
2585 Newlines are permitted after a `starts_line` state until an internal
2586 indent.  If the new frame has neither a `starts_line` state nor an
2587 indent, newlines are permitted if the previous stack frame permitted
2588 them.
2589
2590 ###### parser functions
2591
2592         static int shift(struct parser *p,
2593                          short sym, short indents, short start_of_line,
2594                          void *asn,
2595                          const struct state states[])
2596         {
2597                 // Push an entry onto the stack
2598                 struct frame next = {0};
2599                 int newstate = p->tos
2600                         ? search(&states[p->stack[p->tos-1].state],
2601                                  sym)
2602                         : 0;
2603                 if (newstate < 0)
2604                         return 0;
2605                 if (p->tos >= p->stack_size) {
2606                         p->stack_size += 10;
2607                         p->stack = realloc(p->stack, p->stack_size
2608                                            * sizeof(p->stack[0]));
2609                         p->asn_stack = realloc(p->asn_stack, p->stack_size
2610                                            * sizeof(p->asn_stack[0]));
2611                 }
2612                 next.sym = sym;
2613                 next.indents = indents;
2614                 next.state = newstate;
2615                 if (states[newstate].starts_line)
2616                         next.newline_permitted = 1;
2617                 else if (indents)
2618                         next.newline_permitted = 0;
2619                 else if (p->tos)
2620                         next.newline_permitted =
2621                                 p->stack[p->tos-1].newline_permitted;
2622                 else
2623                         next.newline_permitted = 0;
2624
2625                 if (!start_of_line) {
2626                         if (p->tos)
2627                                 next.since_newline = p->stack[p->tos-1].since_newline + 1;
2628                         else
2629                                 next.since_newline = 1;
2630                 }
2631                 if (indents)
2632                         next.since_indent = 0;
2633                 else if (p->tos)
2634                         next.since_indent = p->stack[p->tos-1].since_indent + 1;
2635                 else
2636                         next.since_indent = 1;
2637
2638                 p->stack[p->tos] = next;
2639                 p->asn_stack[p->tos] = asn;
2640                 p->tos++;
2641                 return 1;
2642         }
2643
2644 `pop` primarily moves the top of stack (`tos`) back down the required
2645 amount and frees any `asn` entries that need to be freed.  It also
2646 collects a summary of the indents and line starts in the symbols that
2647 are being removed. It is called _after_ we reduce a production, just
2648 before we `shift` the nonterminal in.
2649
2650 ###### parser functions
2651
2652         static int pop(struct parser *p, int num,
2653                        short *start_of_line,
2654                        void(*do_free)(short sym, void *asn))
2655         {
2656                 int i;
2657                 short indents = 0;
2658                 int sol = 0;
2659
2660                 p->tos -= num;
2661                 for (i = 0; i < num; i++) {
2662                         sol |= !p->stack[p->tos+i].since_newline;
2663                         indents += p->stack[p->tos+i].indents;
2664                         do_free(p->stack[p->tos+i].sym,
2665                                 p->asn_stack[p->tos+i]);
2666                 }
2667                 if (start_of_line)
2668                         *start_of_line = sol;
2669                 return indents;
2670         }
2671
2672 ### Memory allocation
2673
2674 The `scanner` returns tokens in a local variable - we want them in allocated
2675 memory so they can live in the `asn_stack`.  Similarly the `asn` produced by
2676 a reduce is in a large buffer.  Both of these require some allocation and
2677 copying, hence `memdup` and `tokcopy`.
2678
2679 ###### parser includes
2680         #include <memory.h>
2681
2682 ###### parser functions
2683
2684         void *memdup(void *m, int len)
2685         {
2686                 void *ret;
2687                 if (len == 0)
2688                         return NULL;
2689                 ret = malloc(len);
2690                 memcpy(ret, m, len);
2691                 return ret;
2692         }
2693
2694         static struct token *tok_copy(struct token tk)
2695         {
2696                 struct token *new = malloc(sizeof(*new));
2697                 *new = tk;
2698                 return new;
2699         }
2700
2701 ### The heart of the parser.
2702
2703 Now we have the parser.  If we can shift we do, though newlines and
2704 reducing indenting may block that.  If not and we can reduce we do
2705 that.  If the production we reduced was production zero, then we have
2706 accepted the input and can finish.
2707
2708 We return whatever `asn` was returned by reducing production zero.
2709
2710 If we can neither shift nor reduce we have an error to handle.  We pop
2711 single entries off the stack until we can shift the `TK_error` symbol, then
2712 drop input tokens until we find one we can shift into the new error state.
2713
2714 When we find `TK_in` and `TK_out` tokens which report indents we need
2715 to handle them directly as the grammar cannot express what we want to
2716 do with them.
2717
2718 `TK_in` tokens are easy: we simply update indent count in the top stack frame to
2719 record how many indents there are following the previous token.
2720
2721 `TK_out` tokens must be canceled against an indent count
2722 within the stack.  If we can reduce some symbols that are all since
2723 the most recent indent, then we do that first.  If the minimum prefix
2724 of the current state then extends back before the most recent indent,
2725 that indent can be cancelled.  If the minimum prefix is shorter then
2726 the indent had ended prematurely and we must start error handling, which
2727 is still a work-in-progress.
2728
2729 `TK_newline` tokens are ignored unless the top stack frame records
2730 that they are permitted.  In that case they will not be considered for
2731 shifting if it is possible to reduce some symbols that are all since
2732 the most recent start of line.  This is how a newline forcibly
2733 terminates any line-like structure - we try to reduce down to at most
2734 one symbol for each line where newlines are allowed.
2735 A consequence of this is that a rule like
2736
2737 ###### Example: newlines - broken
2738
2739         Newlines ->
2740                 | NEWLINE Newlines
2741         IfStatement -> Newlines if ....
2742
2743 cannot work, as the NEWLINE will never be shifted as the empty string
2744 will be reduced first.  Optional sets of newlines need to be include
2745 in the thing that preceed:
2746
2747 ###### Example: newlines - works
2748
2749         If -> if
2750                 | NEWLINE If
2751         IfStatement -> If ....
2752
2753 Here the NEWLINE will be shifted because nothing can be reduced until
2754 the `if` is seen.
2755
2756 When, during error handling, we discard token read in, we want to keep
2757 discarding until we see one that is recognised.  If we had a full set
2758 of LR(1) grammar states, this will mean looking in the look-ahead set,
2759 but we don't keep a full look-ahead set.  We only record the subset
2760 that leads to SHIFT.  We can, however, deduce the look-ahead set but
2761 looking at the SHIFT subsets for all states that we can get to by
2762 reducing zero or more times.  So we need a little function which
2763 checks if a given token is in any of these look-ahead sets.
2764
2765 ###### parser includes
2766         #include "parser.h"
2767
2768 ###### parser_run
2769
2770         static int in_lookahead(struct token *tk, const struct state *states, int state)
2771         {
2772                 while (state >= 0) {
2773                         if (search(&states[state], tk->num) >= 0)
2774                                 return 1;
2775                         if (states[state].reduce_prod < 0)
2776                                 return 0;
2777                         state = search(&states[state], states[state].reduce_sym);
2778                 }
2779                 return 0;
2780         }
2781
2782         void *parser_run(struct token_state *tokens,
2783                          const struct state states[],
2784                          int (*do_reduce)(int, void**, struct token_config*, void*),
2785                          void (*do_free)(short, void*),
2786                          FILE *trace, const char *non_term[],
2787                          struct token_config *config)
2788         {
2789                 struct parser p = { 0 };
2790                 struct token *tk = NULL;
2791                 int accepted = 0;
2792                 void *ret = NULL;
2793
2794                 shift(&p, TK_eof, 0, 1, NULL, states);
2795                 while (!accepted) {
2796                         struct token *err_tk;
2797                         struct frame *tos = &p.stack[p.tos-1];
2798                         if (!tk)
2799                                 tk = tok_copy(token_next(tokens));
2800                         parser_trace(trace, &p,
2801                                      tk, states, non_term, config->known_count);
2802
2803                         if (tk->num == TK_in) {
2804                                 tos->indents += 1;
2805                                 tos->since_newline = 0;
2806                                 tos->since_indent = 0;
2807                                 if (!states[tos->state].starts_line)
2808                                         tos->newline_permitted = 0;
2809                                 free(tk);
2810                                 tk = NULL;
2811                                 parser_trace_action(trace, "Record");
2812                                 continue;
2813                         }
2814                         if (tk->num == TK_out) {
2815                                 if (states[tos->state].reduce_size >= 0 &&
2816                                     states[tos->state].reduce_size <= tos->since_indent)
2817                                         goto force_reduce;
2818                                 if (states[tos->state].min_prefix >= tos->since_indent) {
2819                                         // OK to cancel
2820                                         struct frame *in = tos - tos->since_indent;
2821                                         in->indents -= 1;
2822                                         if (in->indents == 0) {
2823                                                 /* Reassess since_indent and newline_permitted */
2824                                                 if (in > p.stack) {
2825                                                         in->since_indent = in[-1].since_indent + 1;
2826                                                         in->newline_permitted = in[-1].newline_permitted;
2827                                                 } else {
2828                                                         in->since_indent = 0;
2829                                                         in->newline_permitted = 0;
2830                                                 }
2831                                                 if (states[in->state].starts_line)
2832                                                         in->newline_permitted = 1;
2833                                                 while (in < tos) {
2834                                                         in += 1;
2835                                                         in->since_indent = in[-1].since_indent + 1;
2836                                                         if (states[in->state].starts_line)
2837                                                                 in->newline_permitted = 1;
2838                                                         else
2839                                                                 in->newline_permitted = in[-1].newline_permitted;
2840                                                 }
2841                                         }
2842                                         free(tk);
2843                                         tk = NULL;
2844                                         parser_trace_action(trace, "Cancel");
2845                                         continue;
2846                                 }
2847                                 // fall through to error handling as both SHIFT and REDUCE
2848                                 // will fail.
2849                         }
2850                         if (tk->num == TK_newline) {
2851                                 if (!tos->newline_permitted) {
2852                                         free(tk);
2853                                         tk = NULL;
2854                                         parser_trace_action(trace, "Discard");
2855                                         continue;
2856                                 }
2857                                 if (tos->since_newline > 1 &&
2858                                     states[tos->state].reduce_size >= 0 &&
2859                                     states[tos->state].reduce_size <= tos->since_newline)
2860                                         goto force_reduce;
2861                         }
2862                         if (shift(&p, tk->num, 0, tk->num == TK_newline, tk, states)) {
2863                                 tk = NULL;
2864                                 parser_trace_action(trace, "Shift");
2865                                 continue;
2866                         }
2867                 force_reduce:
2868                         if (states[tos->state].reduce_prod >= 0 &&
2869                             states[tos->state].newline_only &&
2870                             tk->num != TK_newline && tk->num != TK_eof && tk->num != TK_out) {
2871                                 /* Anything other than newline in an error as this
2872                                  * production must end at EOL
2873                                  */
2874                         } else if (states[tos->state].reduce_prod >= 0) {
2875                                 void **body;
2876                                 void *res;
2877                                 const struct state *nextstate = &states[tos->state];
2878                                 int prod = nextstate->reduce_prod;
2879                                 int size = nextstate->reduce_size;
2880                                 int bufsize;
2881                                 static char buf[16*1024];
2882                                 short indents, start_of_line;
2883
2884                                 body = p.asn_stack + (p.tos - size);
2885
2886                                 bufsize = do_reduce(prod, body, config, buf);
2887
2888                                 indents = pop(&p, size, &start_of_line,
2889                                               do_free);
2890                                 res = memdup(buf, bufsize);
2891                                 memset(buf, 0, bufsize);
2892                                 if (!shift(&p, nextstate->reduce_sym,
2893                                            indents, start_of_line,
2894                                            res, states)) {
2895                                         if (prod != 0) abort();
2896                                         accepted = 1;
2897                                         ret = res;
2898                                 }
2899                                 parser_trace_action(trace, "Reduce");
2900                                 continue;
2901                         }
2902                         /* Error. We walk up the stack until we
2903                          * find a state which will accept TK_error.
2904                          * We then shift in TK_error and see what state
2905                          * that takes us too.
2906                          * Then we discard input tokens until
2907                          * we find one that is acceptable.
2908                          */
2909                         parser_trace_action(trace, "ERROR");
2910                         short indents = 0, start_of_line;
2911
2912                         err_tk = tok_copy(*tk);
2913                         while (p.tos > 0 &&
2914                                shift(&p, TK_error, 0, 0,
2915                                      err_tk, states) == 0)
2916                                 // discard this state
2917                                 indents += pop(&p, 1, &start_of_line, do_free);
2918                         if (p.tos == 0) {
2919                                 free(err_tk);
2920                                 // no state accepted TK_error
2921                                 break;
2922                         }
2923                         tos = &p.stack[p.tos-1];
2924                         while (!in_lookahead(tk, states, tos->state) &&
2925                                tk->num != TK_eof) {
2926                                 free(tk);
2927                                 tk = tok_copy(token_next(tokens));
2928                                 if (tk->num == TK_in)
2929                                         indents += 1;
2930                                 if (tk->num == TK_out) {
2931                                         if (indents == 0)
2932                                                 break;
2933                                         indents -= 1;
2934                                         // FIXME update since_indent here
2935                                 }
2936                         }
2937                         tos->indents += indents;
2938                 }
2939                 free(tk);
2940                 pop(&p, p.tos, NULL, do_free);
2941                 free(p.asn_stack);
2942                 free(p.stack);
2943                 return ret;
2944         }
2945
2946 ###### exported functions
2947         void *parser_run(struct token_state *tokens,
2948                          const struct state states[],
2949                          int (*do_reduce)(int, void**, struct token_config*, void*),
2950                          void (*do_free)(short, void*),
2951                          FILE *trace, const char *non_term[],
2952                          struct token_config *config);
2953
2954 ### Tracing
2955
2956 Being able to visualize the parser in action can be invaluable when
2957 debugging the parser code, or trying to understand how the parse of a
2958 particular grammar progresses.  The stack contains all the important
2959 state, so just printing out the stack every time around the parse loop
2960 can make it possible to see exactly what is happening.
2961
2962 This doesn't explicitly show each SHIFT and REDUCE action.  However they
2963 are easily deduced from the change between consecutive lines, and the
2964 details of each state can be found by cross referencing the states list
2965 in the stack with the "report" that parsergen can generate.
2966
2967 For terminal symbols, we just dump the token.  For non-terminals we
2968 print the name of the symbol.  The look ahead token is reported at the
2969 end inside square brackets.
2970
2971 ###### parser functions
2972
2973         static char *reserved_words[] = {
2974                 [TK_error]        = "ERROR",
2975                 [TK_in]           = "IN",
2976                 [TK_out]          = "OUT",
2977                 [TK_newline]      = "NEWLINE",
2978                 [TK_eof]          = "$eof",
2979         };
2980         static void parser_trace_state(FILE *trace, struct frame *f, const struct state states[])
2981         {
2982                 fprintf(trace, "(%d", f->state);
2983                 if (states[f->state].starts_line)
2984                         fprintf(trace, "s");
2985                 if (f->newline_permitted)
2986                         fprintf(trace, "n%d", f->since_newline);
2987                 fprintf(trace, ") ");
2988         }
2989
2990         void parser_trace(FILE *trace, struct parser *p,
2991                           struct token *tk, const struct state states[],
2992                           const char *non_term[], int knowns)
2993         {
2994                 int i;
2995                 if (!trace)
2996                         return;
2997                 for (i = 0; i < p->tos; i++) {
2998                         struct frame *f = &p->stack[i];
2999                         if (i) {
3000                                 int sym = f->sym;
3001                                 if (sym < TK_reserved &&
3002                                     reserved_words[sym] != NULL)
3003                                         fputs(reserved_words[sym], trace);
3004                                 else if (sym < TK_reserved + knowns) {
3005                                         struct token *t = p->asn_stack[i];
3006                                         text_dump(trace, t->txt, 20);
3007                                 } else
3008                                         fputs(non_term[sym - TK_reserved - knowns],
3009                                               trace);
3010                                 if (f->indents)
3011                                         fprintf(trace, ".%d", f->indents);
3012                                 if (f->since_newline == 0)
3013                                         fputs("/", trace);
3014                                 fputs(" ", trace);
3015                         }
3016                         parser_trace_state(trace, f, states);
3017                 }
3018                 fprintf(trace, "[");
3019                 if (tk->num < TK_reserved &&
3020                     reserved_words[tk->num] != NULL)
3021                         fputs(reserved_words[tk->num], trace);
3022                 else
3023                         text_dump(trace, tk->txt, 20);
3024                 fputs("]", trace);
3025         }
3026
3027         void parser_trace_action(FILE *trace, char *action)
3028         {
3029                 if (trace)
3030                         fprintf(trace, " - %s\n", action);
3031         }
3032
3033 # A Worked Example
3034
3035 The obvious example for a parser is a calculator.
3036
3037 As `scanner` provides number parsing function using `libgmp` is it not much
3038 work to perform arbitrary rational number calculations.
3039
3040 This calculator takes one expression, or an equality test, per line.  The
3041 results are printed and if any equality test fails, the program exits with
3042 an error.
3043
3044 ###### File: parsergen.mk
3045         calc.c calc.h : parsergen parsergen.mdc
3046                 ./parsergen --tag calc -o calc parsergen.mdc
3047         calc : calc.o libparser.o libscanner.o libmdcode.o libnumber.o
3048                 $(CC) $(CFLAGS) -o calc calc.o libparser.o libscanner.o libmdcode.o libnumber.o -licuuc -lgmp
3049         calctest : calc
3050                 ./calc parsergen.mdc
3051         demos :: calctest
3052
3053 # calc: header
3054
3055         #include "number.h"
3056         // what do we use for a demo-grammar?  A calculator of course.
3057         struct number {
3058                 mpq_t val;
3059                 char tail[2];
3060                 int err;
3061         };
3062
3063 # calc: code
3064
3065         #include <stdlib.h>
3066         #include <unistd.h>
3067         #include <fcntl.h>
3068         #include <sys/mman.h>
3069         #include <stdio.h>
3070         #include <malloc.h>
3071         #include <gmp.h>
3072         #include <string.h>
3073         #include "mdcode.h"
3074         #include "scanner.h"
3075         #include "number.h"
3076         #include "parser.h"
3077
3078         #include "calc.h"
3079
3080         static void free_number(struct number *n)
3081         {
3082                 mpq_clear(n->val);
3083                 free(n);
3084         }
3085
3086         static int text_is(struct text t, char *s)
3087         {
3088                 return (strlen(s) == t.len &&
3089                         strncmp(s, t.txt, t.len) == 0);
3090         }
3091
3092         int main(int argc, char *argv[])
3093         {
3094                 int fd = open(argv[1], O_RDONLY);
3095                 int len = lseek(fd, 0, 2);
3096                 char *file = mmap(NULL, len, PROT_READ, MAP_SHARED, fd, 0);
3097                 struct section *table = code_extract(file, file+len, NULL);
3098                 struct section *s;
3099                 struct token_config config = {
3100                         .ignored = (1 << TK_line_comment)
3101                                  | (1 << TK_block_comment)
3102                                  | (1 << TK_in)
3103                                  | (1 << TK_out),
3104                         .number_chars = ".,_+-",
3105                         .word_start = "",
3106                         .word_cont = "",
3107                 };
3108                 for (s = table; s; s = s->next)
3109                         if (text_is(s->section, "example: input"))
3110                                 parse_calc(s->code, &config, argc > 2 ? stderr : NULL);
3111                 while (table) {
3112                         struct section *t = table->next;
3113                         code_free(table->code);
3114                         free(table);
3115                         table = t;
3116                 }
3117                 exit(0);
3118         }
3119
3120 # calc: grammar
3121
3122         $LEFT + -
3123         $LEFT * /
3124
3125         Session -> Session Line
3126                 | Line
3127
3128         Line -> Expression NEWLINE ${ gmp_printf("Answer = %Qd\n", $1.val);
3129                                         { mpf_t fl; mpf_init2(fl, 20); mpf_set_q(fl, $1.val);
3130                                         gmp_printf("  or as a decimal: %Fg\n", fl);
3131                                         mpf_clear(fl);
3132                                         }
3133                                      }$
3134                 | Expression = Expression NEWLINE ${
3135                         if (mpq_equal($1.val, $3.val))
3136                                 gmp_printf("Both equal %Qd\n", $1.val);
3137                         else {
3138                                 gmp_printf("NOT EQUAL: %Qd\n      != : %Qd\n",
3139                                         $1.val, $3.val);
3140                                 exit(1);
3141                         }
3142                 }$
3143                 | NEWLINE ${ printf("Blank line\n"); }$
3144                 | ERROR NEWLINE ${ printf("Skipped a bad line\n"); }$
3145
3146         $number
3147         Expression -> Expression + Expression ${ mpq_init($0.val); mpq_add($0.val, $1.val, $3.val); }$
3148                 | Expression - Expression ${ mpq_init($0.val); mpq_sub($0.val, $1.val, $3.val); }$
3149                 | Expression * Expression ${ mpq_init($0.val); mpq_mul($0.val, $1.val, $3.val); }$
3150                 | Expression / Expression ${ mpq_init($0.val); mpq_div($0.val, $1.val, $3.val); }$
3151                 | NUMBER ${ if (number_parse($0.val, $0.tail, $1.txt) == 0) mpq_init($0.val); }$
3152                 | ( Expression ) ${ mpq_init($0.val); mpq_set($0.val, $2.val); }$
3153
3154 # example: input
3155
3156         355/113
3157         3.1415926535 - 355/113
3158         2 + 4 * 5
3159         1 + 2 + 3 + 4 + 5 + 6 + 7 + 8 + 9
3160         10 * 9 / 2
3161         1 * 1000 + 2 * 100 + 3 * 10 + 4 * 1
3162
3163         error