]> ocean-lang.org Git - ocean/blob - csrc/parsergen.mdc
fc95688efff4332384acd7034472d9b78a287d41
[ocean] / csrc / parsergen.mdc
1 # LR(1) Parser Generator with 2D support #
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 "2D support" means that indentation and line breaks can be significant.
8
9 There are several distinct sections.
10
11 1. `grammar_read` will read a grammar from a literate-code file and
12    store the productions, symbols, and code fragments.
13 2. `grammar_analyse` will take that grammar and build LR parsing
14    states and look-ahead tables.
15 3. `grammar_report` will present the details of the analysis
16    in a readable format and will report any conflicts.
17 4. `parser_generate` will write out C code files with various
18    tables and with the code fragments arranged in useful places.
19 5. `parser_run` is a library function intended to be linked together
20    with the generated parser tables to complete the implementation of
21    a parser.
22 6. Finally `calc` is a test grammar for a simple calculator.  The
23    `parsergen` program built from the C code in this file can extract
24    that grammar directly from this file and process it.
25
26 ###### File: parsergen.c
27         #include <unistd.h>
28         #include <stdlib.h>
29         #include <stdio.h>
30         ## includes
31         ## forward declarations
32         ## declarations
33         ## functions
34         ## grammar_read
35         ## grammar_analyse
36         ## grammar_report
37         ## parser_generate
38         ## main
39 ###### File: parser.h
40         ## exported types
41         ## exported functions
42 ###### File: libparser.c
43         #include <unistd.h>
44         #include <stdlib.h>
45         #include <stdio.h>
46         ## parser includes
47         ## parser functions
48         ## parser_run
49 ###### File: parsergen.mk
50         CFLAGS += -Wall -g
51         all :: parsergen calc
52         parsergen.c parsergen.mk libparser.c parser.h : parsergen.mdc
53                 ./md2c parsergen.mdc
54
55 ## Reading the grammar
56
57 The grammar must be stored in a markdown literate code file as parsed by
58 "[mdcode][]".  It may have up to four top level (i.e.  unreferenced)
59 sections: `header`, `code`, `grammar` and `reduce`.  The first two, if
60 present, will be literally copied into the generated `.c` and `.h`
61 files.  The third is required and contains the grammar which is
62 tokenised with "[scanner][]".  `reduce` can provide variable
63 declarations and common intialization code for all the reduction code
64 fragments in the grammar.
65
66 If the `--tag` option is given, then any top level header that doesn't
67 start with the tag is ignored, and the tag is striped from the rest.  So
68 `--tag Foo` means that the four sections expected are `Foo: header`,
69 `Foo: code`, `Foo: grammar` and `Foo: reduce`.  The tag `calc` is used
70 to extract the sample calculator from this file.
71
72 [mdcode]: mdcode.html
73 [scanner]: scanner.html
74
75 ###### includes
76         #include "mdcode.h"
77         #include "scanner.h"
78
79 ###### parser includes
80         #include "mdcode.h"
81         #include "scanner.h"
82
83 The grammar contains production sets, precedence/associativity
84 declarations, general terminal declarations, and data type declarations.
85 These are all parsed with _ad hoc_ parsing as we don't have a parser
86 generator yet.
87
88 The precedence and associativity can be set for each production, and
89 can be inherited from symbols.  The data type (either structure or a
90 reference to a structure) is potentially defined for each non-terminal
91 and describes what C structure is used to store information about each
92 symbol.
93
94 ###### declarations
95         enum assoc {Left, Right, Non};
96         char *assoc_names[] = {"Left","Right","Non"};
97
98         struct symbol {
99                 struct text struct_name;
100                 int isref;
101                 enum assoc assoc;
102                 unsigned short precedence;
103                 ## symbol fields
104         };
105         struct production {
106                 unsigned short precedence;
107                 enum assoc assoc;
108                 char line_like;
109                 ## production fields
110         };
111         struct grammar {
112                 ## grammar fields
113         };
114
115 The strings reported by `mdcode` and `scanner` are `struct text` which
116 have length rather than being nul terminated.  To help with printing and
117 comparing we define `text_is` and `prtxt`, which should possibly go in
118 `mdcode`.  `scanner` does provide `text_dump` which is useful for
119 strings which might contain control characters.
120
121 `strip_tag` is a bit like `strncmp`, but adds a test for a colon,
122 because that is what we need to detect tags.
123
124 ###### functions
125         static int text_is(struct text t, char *s)
126         {
127                 return (strlen(s) == t.len &&
128                         strncmp(s, t.txt, t.len) == 0);
129         }
130         static void prtxt(struct text t)
131         {
132                 printf("%.*s", t.len, t.txt);
133         }
134
135         static int strip_tag(struct text *t, char *tag)
136         {
137                 int skip = strlen(tag) + 1;
138                 if (skip >= t->len ||
139                     strncmp(t->txt, tag, skip-1) != 0 ||
140                     t->txt[skip-1] != ':')
141                         return 0;
142                 while (skip < t->len && t->txt[skip] == ' ')
143                         skip++;
144                 t->len -= skip;
145                 t->txt += skip;
146                 return 1;
147         }
148
149 ### Symbols
150
151 Productions are comprised primarily of symbols - terminal and
152 non-terminal.  We do not make a syntactic distinction between the two,
153 though non-terminals must be identifiers.  Non-terminal symbols are
154 those which appear in the head of a production, terminal symbols are
155 those which don't.  There are also "virtual" symbols used for precedence
156 marking discussed later, and sometimes we won't know what type a symbol
157 is yet.
158
159 To help with code safety it is possible to declare the terminal symbols.
160 If this is done, then any symbol used in a production that does not
161 appear in the head of any production and is not declared as a terminal
162 is treated as an error.
163
164 ###### forward declarations
165         enum symtype { Unknown, Virtual, Terminal, Nonterminal };
166         char *symtypes = "UVTN";
167 ###### symbol fields
168         enum symtype type;
169 ###### grammar fields
170         int terminals_declared;
171
172 Symbols can be either `TK_ident` or `TK_mark`.  They are saved in a
173 table of known symbols and the resulting parser will report them as
174 `TK_reserved + N`.  A small set of identifiers are reserved for the
175 different token types that `scanner` can report.
176
177 ###### declarations
178
179         static struct { int num; char *name; } reserved_words[] = {
180                 { TK_error,        "ERROR" },
181                 { TK_number,       "NUMBER" },
182                 { TK_ident,        "IDENTIFIER" },
183                 { TK_mark,         "MARK" },
184                 { TK_string,       "STRING" },
185                 { TK_multi_string, "MULTI_STRING" },
186                 { TK_in,           "IN" },
187                 { TK_out,          "OUT" },
188                 { TK_newline,      "NEWLINE" },
189                 { TK_eof,          "$eof" },
190         };
191 ###### symbol fields
192         short num;
193
194 Note that `TK_eof` and the two `TK_*_comment` tokens cannot be
195 recognised.  The former is automatically expected at the end of the text
196 being parsed. The latter are always ignored by the parser.
197
198 All of these symbols are stored in a simple symbol table.  We use the
199 `struct text` from `mdcode` to store the name and link them together
200 into a sorted list using an insertion sort.
201
202 We don't have separate `find` and `insert` functions as any symbol we
203 find needs to be remembered.  We simply expect `find` to always return a
204 symbol, but its type might be `Unknown`.
205
206 ###### includes
207         #include <string.h>
208
209 ###### symbol fields
210         struct text name;
211         struct symbol *next;
212
213 ###### grammar fields
214         struct symbol *syms;
215         int num_syms;
216
217 ###### functions
218         static struct symbol *sym_find(struct grammar *g, struct text s)
219         {
220                 struct symbol **l = &g->syms;
221                 struct symbol *n;
222                 int cmp = 1;
223
224                 while (*l &&
225                         (cmp = text_cmp((*l)->name, s)) < 0)
226                                 l = & (*l)->next;
227                 if (cmp == 0)
228                         return *l;
229                 n = calloc(1, sizeof(*n));
230                 n->name = s;
231                 n->type = Unknown;
232                 n->next = *l;
233                 n->num = -1;
234                 *l = n;
235                 return n;
236         }
237
238         static void symbols_init(struct grammar *g)
239         {
240                 int entries = sizeof(reserved_words)/sizeof(reserved_words[0]);
241                 int i;
242                 for (i = 0; i < entries; i++) {
243                         struct text t;
244                         struct symbol *s;
245                         t.txt = reserved_words[i].name;
246                         t.len = strlen(t.txt);
247                         s = sym_find(g, t);
248                         s->type = Terminal;
249                         s->num = reserved_words[i].num;
250                 }
251         }
252
253 ### Data types and precedence.
254
255 Data type specification, precedence specification, and declaration of
256 terminals are all introduced by a dollar sign at the start of the line.
257 If the next word is `LEFT`, `RIGHT` or `NON`, then the line specifies a
258 precedence, if it is `TERM` then the line declares terminals without
259 precedence, otherwise it specifies a data type.
260
261 The data type name is simply stored and applied to the head of all
262 subsequent productions.  It must be the name of a structure optionally
263 preceded by an asterisk which means a reference or "pointer".  So
264 `$expression` maps to `struct expression` and `$*statement` maps to
265 `struct statement *`.
266
267 Any productions given before the first data type declaration will have
268 no data type associated with them and can carry no information.  In
269 order to allow other non-terminals to have no type, the data type
270 `$void` can be given.  This does *not* mean that `struct void` will be
271 used, but rather than no type will be associated with subsequent
272 non-terminals.
273
274 The precedence line must contain a list of symbols, either terminal
275 symbols or virtual symbols.  It can only contain symbols that have not
276 been seen yet, so precedence declaration must precede the productions
277 that they affect.
278
279 A "virtual" symbol is an identifier preceded by `$$`.  Virtual symbols
280 carry precedence information but are not included in the grammar.  A
281 production can declare that it inherits the precedence of a given
282 virtual symbol.
283
284 This use for `$$` precludes it from being used as a symbol in the
285 described language.  Two other symbols: `${` and `}$` are also
286 unavailable.
287
288 Each new precedence line introduces a new precedence level and
289 declares how it associates.  This level is stored in each symbol
290 listed and may be inherited by any production which uses the symbol.  A
291 production inherits from the last symbol which has a precedence.
292
293 The symbols on the first precedence line have the lowest precedence.
294 Subsequent lines introduce symbols with higher precedence and so bind
295 more tightly.
296
297 Note that a declaration line (or "dollar line") can start with either of
298 two different marks: "$" or "$*".  The `dollar_line()` function defined
299 here is told which was found in the `isref` argument.
300
301 ###### grammar fields
302         struct text current_type;
303         int type_isref;
304         int prec_levels;
305
306 ###### declarations
307         enum symbols { TK_virtual = TK_reserved, TK_open, TK_close };
308         static const char *known[] = { "$$", "${", "}$" };
309
310 ###### functions
311         static char *dollar_line(struct token_state *ts, struct grammar *g, int isref)
312         {
313                 struct token t = token_next(ts);
314                 char *err;
315                 enum assoc assoc;
316                 int term = 0;
317                 int found;
318
319                 if (t.num != TK_ident) {
320                         err = "type or assoc expected after '$'";
321                         goto abort;
322                 }
323                 if (text_is(t.txt, "LEFT"))
324                         assoc = Left;
325                 else if (text_is(t.txt, "RIGHT"))
326                         assoc = Right;
327                 else if (text_is(t.txt, "NON"))
328                         assoc = Non;
329                 else if (text_is(t.txt, "TERM")) {
330                         term = 1;
331                         g->terminals_declared = 1;
332                 } else {
333                         g->current_type = t.txt;
334                         g->type_isref = isref;
335                         if (text_is(t.txt, "void"))
336                                 g->current_type.txt = NULL;
337                         t = token_next(ts);
338                         if (t.num != TK_newline) {
339                                 err = "Extra tokens after type name";
340                                 goto abort;
341                         }
342                         return NULL;
343                 }
344
345                 if (isref) {
346                         err = "$* cannot be followed by a precedence";
347                         goto abort;
348                 }
349
350                 // This is a precedence or TERM line, need some symbols.
351                 found = 0;
352                 g->prec_levels += 1;
353                 t = token_next(ts);
354                 while (t.num != TK_newline) {
355                         enum symtype type = Terminal;
356                         struct symbol *s;
357                         if (t.num == TK_virtual) {
358                                 type = Virtual;
359                                 t = token_next(ts);
360                                 if (t.num != TK_ident) {
361                                         err = "$$ must be followed by a word";
362                                         goto abort;
363                                 }
364                                 if (term) {
365                                         err = "Virtual symbols not permitted on $TERM line";
366                                         goto abort;
367                                 }
368                         } else if (t.num != TK_ident &&
369                                    t.num != TK_mark) {
370                                 err = "Illegal token in precedence line";
371                                 goto abort;
372                         }
373                         s = sym_find(g, t.txt);
374                         if (s->type != Unknown) {
375                                 err = "Symbols in precedence/TERM line must not already be known.";
376                                 goto abort;
377                         }
378                         s->type = type;
379                         if (!term) {
380                                 s->precedence = g->prec_levels;
381                                 s->assoc = assoc;
382                         }
383                         found += 1;
384                         t = token_next(ts);
385                 }
386                 if (found == 0)
387                         err = "No symbols given on precedence/TERM line";
388                         goto abort;
389                 return NULL;
390         abort:
391                 while (t.num != TK_newline && t.num != TK_eof)
392                         t = token_next(ts);
393                 return err;
394         }
395
396 ### Productions
397
398 A production either starts with an identifier which is the head
399 non-terminal, or a vertical bar (`|`) in which case this production
400 uses the same head as the previous one.  The identifier must be
401 followed by a `->` mark.  All productions for a given non-terminal must
402 be grouped together with the `nonterminal ->` given only once.
403
404 After this a (possibly empty) sequence of identifiers and marks form
405 the body of the production.  A virtual symbol may be given after the
406 body by preceding it with `$$`.  If a virtual symbol is given, the
407 precedence of the production is that for the virtual symbol.  If none
408 is given, the precedence is inherited from the last symbol in the
409 production which has a precedence specified.
410
411 After the optional precedence may come the `${` mark.  This indicates
412 the start of a code fragment.  If present, this must be on the same
413 line as the start of the production.
414
415 All of the text from the `${` through to the matching `}$` is
416 collected and forms the code-fragment for the production.  It must all
417 be in one `code_node` of the literate code.  The `}$` must be
418 at the end of a line.
419
420 Text in the code fragment will undergo substitutions where `$N` or
421 `$<N`,for some numeric `N` (or non-numeric indicator as described
422 later), will be replaced with a variable holding the parse information
423 for the particular symbol in the production.  `$0` is the head of the
424 production, `$1` is the first symbol of the body, etc.  The type of `$N`
425 for a terminal symbol is `struct token`.  For a non-terminal, it is
426 whatever has been declared for that symbol.  The `<` may be included and
427 means that the value (usually a reference) is being moved out, so it
428 will not automatically be freed.  The effect of using '<' is that the
429 variable is cleared to all-zeros.
430
431 While building productions we will need to add to an array which needs to
432 grow dynamically.
433
434 ###### functions
435         static void array_add(void *varray, int *cnt, void *new)
436         {
437                 void ***array = varray;
438                 int current = 0;
439                 const int step = 8;
440                 current = ((*cnt-1) | (step-1))+1;
441                 if (*cnt == current) {
442                         /* must grow */
443                         current += step;
444                         *array = realloc(*array, current * sizeof(void*));
445                 }
446                 (*array)[*cnt] = new;
447                 (*cnt) += 1;
448         }
449
450 Collecting the code fragment simply involves reading tokens until we
451 hit the end token `}$`, and noting the character position of the start and
452 the end.
453
454 ###### functions
455         static struct text collect_code(struct token_state *state,
456                                         struct token start)
457         {
458                 struct text code;
459                 struct token t;
460                 code.txt = start.txt.txt + start.txt.len;
461                 do
462                         t = token_next(state);
463                 while (t.node == start.node &&
464                        t.num != TK_close && t.num != TK_error &&
465                        t.num != TK_eof);
466                 if (t.num == TK_close && t.node == start.node)
467                         code.len = t.txt.txt - code.txt;
468                 else
469                         code.txt = NULL;
470                 return code;
471         }
472
473 Now we have all the bits we need to parse a full production.
474
475 ###### includes
476         #include <memory.h>
477
478 ###### grammar fields
479         struct production **productions;
480         int production_count;
481
482 ###### production fields
483         struct symbol  *head;
484         struct symbol **body;
485         int             body_size;
486         struct text     code;
487         int             code_line;
488
489 ###### symbol fields
490         int first_production;
491
492 ###### functions
493         static char *parse_production(struct grammar *g,
494                                       struct symbol *head,
495                                       struct token_state *state)
496         {
497                 /* Head has already been parsed. */
498                 struct token tk;
499                 char *err;
500                 struct production p, *pp;
501
502                 memset(&p, 0, sizeof(p));
503                 p.head = head;
504                 tk = token_next(state);
505                 while (tk.num == TK_ident || tk.num == TK_mark) {
506                         struct symbol *bs = sym_find(g, tk.txt);
507                         if (bs->type == Unknown) {
508                                 if (!g->terminals_declared)
509                                         bs->type = Terminal;
510                         }
511                         if (bs->type == Virtual) {
512                                 err = "Virtual symbol not permitted in production";
513                                 goto abort;
514                         }
515                         if (bs->precedence) {
516                                 p.precedence = bs->precedence;
517                                 p.assoc = bs->assoc;
518                         }
519                         array_add(&p.body, &p.body_size, bs);
520                         tk = token_next(state);
521                 }
522                 if (tk.num == TK_virtual) {
523                         struct symbol *vs;
524                         tk = token_next(state);
525                         if (tk.num != TK_ident) {
526                                 err = "word required after $$";
527                                 goto abort;
528                         }
529                         vs = sym_find(g, tk.txt);
530                         if (vs->num == TK_newline)
531                                 p.line_like = 1;
532                         else if (vs->num == TK_out)
533                                 p.line_like = 2;
534                         else if (vs->precedence == 0) {
535                                 err = "symbol after $$ must have precedence";
536                                 goto abort;
537                         } else {
538                                 p.precedence = vs->precedence;
539                                 p.assoc = vs->assoc;
540                         }
541                         tk = token_next(state);
542                 }
543                 if (tk.num == TK_open) {
544                         p.code_line = tk.line;
545                         p.code = collect_code(state, tk);
546                         if (p.code.txt == NULL) {
547                                 err = "code fragment not closed properly";
548                                 goto abort;
549                         }
550                         tk = token_next(state);
551                 }
552
553                 if (tk.num != TK_newline && tk.num != TK_eof) {
554                         err = "stray tokens at end of line";
555                         goto abort;
556                 }
557                 pp = malloc(sizeof(*pp));
558                 *pp = p;
559                 array_add(&g->productions, &g->production_count, pp);
560                 return NULL;
561         abort:
562                 while (tk.num != TK_newline && tk.num != TK_eof)
563                         tk = token_next(state);
564                 free(p.body);
565                 return err;
566         }
567
568 With the ability to parse productions and dollar-lines, we have nearly all
569 that we need to parse a grammar from a `code_node`.
570
571 The head of the first production will effectively be the `start` symbol
572 of the grammar.  However it won't _actually_ be so.  Processing the
573 grammar is greatly simplified if the real start symbol only has a single
574 production, and expects `$eof` as the final terminal.  So when we find
575 the first explicit production we insert an extra implicit production as
576 production zero which looks like
577
578 ###### Example: production 0
579         $start -> START $eof
580
581 where `START` is the first non-terminal given.
582
583 ###### create production zero
584         struct production *p = calloc(1,sizeof(*p));
585         struct text start = {"$start",6};
586         struct text eof = {"$eof",4};
587         struct text code = {"$0 = $<1;", 9};
588         p->head = sym_find(g, start);
589         p->head->type = Nonterminal;
590         p->head->struct_name = g->current_type;
591         p->head->isref = g->type_isref;
592         if (g->current_type.txt)
593                 p->code = code;
594         array_add(&p->body, &p->body_size, head);
595         array_add(&p->body, &p->body_size, sym_find(g, eof));
596         p->head->first_production = g->production_count;
597         array_add(&g->productions, &g->production_count, p);
598
599 Now we are ready to read in the grammar.  We ignore comments
600 and strings so that the marks which introduce them can be
601 used as terminals in the grammar.  We don't ignore numbers
602 even though we don't allow them as that causes the scanner
603 to produce errors that the parser is better positioned to handle.
604 We also ignore indentation, but we expect and use newlines.
605
606 To allow comments in the grammar, we explicitly check for "//" as the
607 first token on the line and those lines are skipped.  "//" can still be
608 used as a terminal anywhere that a terminal is expected.
609
610 ###### grammar_read
611         static struct grammar *grammar_read(struct code_node *code)
612         {
613                 struct token_config conf = {
614                         .word_start = "",
615                         .word_cont = "",
616                         .words_marks = known,
617                         .known_count = sizeof(known)/sizeof(known[0]),
618                         .number_chars = "",
619                         .ignored = (1 << TK_line_comment)
620                                  | (1 << TK_block_comment)
621                                  | (0 << TK_number)
622                                  | (1 << TK_string)
623                                  | (1 << TK_multi_string)
624                                  | (1 << TK_in)
625                                  | (1 << TK_out),
626                 };
627
628                 struct token_state *state = token_open(code, &conf);
629                 struct token tk;
630                 struct symbol *head = NULL;
631                 struct grammar *g;
632                 char *err = NULL;
633
634                 g = calloc(1, sizeof(*g));
635                 symbols_init(g);
636
637                 for (tk = token_next(state); tk.num != TK_eof;
638                      tk = token_next(state)) {
639                         if (tk.num == TK_newline)
640                                 continue;
641                         if (tk.num == TK_ident) {
642                                 // new non-terminal
643                                 head = sym_find(g, tk.txt);
644                                 if (head->type == Nonterminal)
645                                         err = "This non-terminal has already be used.";
646                                 else if (head->type == Virtual)
647                                         err = "Virtual symbol not permitted in head of production";
648                                 else {
649                                         head->type = Nonterminal;
650                                         head->struct_name = g->current_type;
651                                         head->isref = g->type_isref;
652                                         if (g->production_count == 0) {
653                                                 ## create production zero
654                                         }
655                                         head->first_production = g->production_count;
656                                         tk = token_next(state);
657                                         if (tk.num == TK_mark &&
658                                             text_is(tk.txt, "->"))
659                                                 err = parse_production(g, head, state);
660                                         else
661                                                 err = "'->' missing in production";
662                                 }
663                         } else if (tk.num == TK_mark
664                                    && text_is(tk.txt, "|")) {
665                                 // another production for same non-term
666                                 if (head)
667                                         err = parse_production(g, head, state);
668                                 else
669                                         err = "First production must have a head";
670                         } else if (tk.num == TK_mark
671                                    && text_is(tk.txt, "$")) {
672                                 err = dollar_line(state, g, 0);
673                         } else if (tk.num == TK_mark
674                                    && text_is(tk.txt, "$*")) {
675                                 err = dollar_line(state, g, 1);
676                         } else if (tk.num == TK_mark
677                                    && text_is(tk.txt, "//")) {
678                                 while (tk.num != TK_newline &&
679                                        tk.num != TK_eof)
680                                         tk = token_next(state);
681                         } else {
682                                 err = "Unrecognised token at start of line.";
683                         }
684                         if (err)
685                                 goto abort;
686                 }
687                 token_close(state);
688                 if (g->terminals_declared) {
689                         struct symbol *s;
690                         int errs = 0;
691                         for (s = g->syms; s; s = s->next) {
692                                 if (s->type != Unknown)
693                                         continue;
694                                 errs += 1;
695                                 fprintf(stderr, "Token %.*s not declared\n",
696                                         s->name.len, s->name.txt);
697                         }
698                         if (errs) {
699                                 free(g); // FIXME free content
700                                 g = NULL;
701                         }
702                 }
703                 return g;
704         abort:
705                 fprintf(stderr, "Error at line %d: %s\n",
706                         tk.line, err);
707                 token_close(state);
708                 free(g); // FIXME free content
709                 return NULL;
710         }
711
712 ## Analysing the grammar
713
714 The central task in analysing the grammar is to determine a set of
715 states to drive the parsing process.  This will require finding various
716 sets of symbols and of "items".  Some of these sets will need to attach
717 information to each element in the set, so they are more like maps.
718
719 Each "item" may have a 'look-ahead' or `LA` set associated with it.
720 Many of these will be the same as each other.  To avoid memory wastage,
721 and to simplify some comparisons of sets, these sets will be stored in a
722 list of unique sets, each assigned a number.
723
724 Once we have the data structures in hand to manage these sets and lists,
725 we can start setting the 'nullable' flag, build the 'FIRST' sets, and
726 then create the item sets which define the various states.
727
728 ### Symbol sets.
729
730 Though we don't only store symbols in these sets, they are the main
731 things we store, so they are called symbol sets or "symsets".
732
733 A symset has a size, an array of shorts, and an optional array of data
734 values, which are also shorts.  If the array of data is not present, we
735 store an impossible pointer, as `NULL` is used to indicate that no
736 memory has been allocated yet;
737
738 ###### declarations
739         struct symset {
740                 short cnt;
741                 unsigned short *syms, *data;
742         };
743         #define NO_DATA ((unsigned short *)1)
744         const struct symset INIT_SYMSET =  { 0, NULL, NO_DATA };
745         const struct symset INIT_DATASET = { 0, NULL, NULL };
746
747 The arrays of shorts are allocated in blocks of 8 and are kept sorted by
748 using an insertion sort.  We don't explicitly record the amount of
749 allocated space as it can be derived directly from the current `cnt`
750 using `((cnt - 1) | 7) + 1`.
751
752 ###### functions
753         static void symset_add(struct symset *s, unsigned short key, unsigned short val)
754         {
755                 int i;
756                 int current = ((s->cnt-1) | 7) + 1;
757                 if (current == s->cnt) {
758                         current += 8;
759                         s->syms = realloc(s->syms, sizeof(*s->syms) * current);
760                         if (s->data != NO_DATA)
761                                 s->data = realloc(s->data, sizeof(*s->data) * current);
762                 }
763                 i = s->cnt;
764                 while (i > 0 && s->syms[i-1] > key) {
765                         s->syms[i] = s->syms[i-1];
766                         if (s->data != NO_DATA)
767                                 s->data[i] = s->data[i-1];
768                         i--;
769                 }
770                 s->syms[i] = key;
771                 if (s->data != NO_DATA)
772                         s->data[i] = val;
773                 s->cnt += 1;
774         }
775
776 Finding a symbol (or item) in a `symset` uses a simple binary search.
777 We return the index where the value was found (so data can be accessed),
778 or `-1` to indicate failure.
779
780         static int symset_find(struct symset *ss, unsigned short key)
781         {
782                 int lo = 0;
783                 int hi = ss->cnt;
784
785                 if (hi == 0)
786                         return -1;
787                 while (lo + 1 < hi) {
788                         int mid = (lo + hi) / 2;
789                         if (ss->syms[mid] <= key)
790                                 lo = mid;
791                         else
792                                 hi = mid;
793                 }
794                 if (ss->syms[lo] == key)
795                         return lo;
796                 return -1;
797         }
798
799 We will often want to form the union of two symsets.  When we do, we
800 will often want to know if anything changed (as that might mean there is
801 more work to do).  So `symset_union` reports whether anything was added
802 to the first set.  We use a slow quadratic approach as these sets are
803 rarely large.  If profiling shows this to be a problem it can be
804 optimised later.
805
806         static int symset_union(struct symset *a, struct symset *b)
807         {
808                 int i;
809                 int added = 0;
810                 for (i = 0; i < b->cnt; i++)
811                         if (symset_find(a, b->syms[i]) < 0) {
812                                 unsigned short data = 0;
813                                 if (b->data != NO_DATA)
814                                         data = b->data[i];
815                                 symset_add(a, b->syms[i], data);
816                                 added++;
817                         }
818                 return added;
819         }
820
821 And of course we must be able to free a symset.
822
823         static void symset_free(struct symset ss)
824         {
825                 free(ss.syms);
826                 if (ss.data != NO_DATA)
827                         free(ss.data);
828         }
829
830 ### Symset Storage
831
832 Some symsets are simply stored somewhere appropriate in the `grammar`
833 data structure, others needs a bit of indirection.  This applies
834 particularly to "LA" sets.  These will be paired with "items" in an
835 "itemset".  As itemsets will be stored in a symset, the "LA" set needs
836 to be stored in the `data` field, so we need a mapping from a small
837 (short) number to an LA `symset`.
838
839 As mentioned earlier this involves creating a list of unique symsets.
840
841 For now, we just use a linear list sorted by insertion.  A skiplist
842 would be more efficient and may be added later.
843
844 ###### declarations
845
846         struct setlist {
847                 struct symset ss;
848                 int num;
849                 struct setlist *next;
850         };
851
852 ###### grammar fields
853         struct setlist *sets;
854         int nextset;
855
856 ###### functions
857
858         static int ss_cmp(struct symset a, struct symset b)
859         {
860                 int i;
861                 int diff = a.cnt - b.cnt;
862                 if (diff)
863                         return diff;
864                 for (i = 0; i < a.cnt; i++) {
865                         diff = (int)a.syms[i] - (int)b.syms[i];
866                         if (diff)
867                                 return diff;
868                 }
869                 return 0;
870         }
871
872         static int save_set(struct grammar *g, struct symset ss)
873         {
874                 struct setlist **sl = &g->sets;
875                 int cmp = 1;
876                 struct setlist *s;
877
878                 while (*sl && (cmp = ss_cmp((*sl)->ss, ss)) < 0)
879                         sl = & (*sl)->next;
880                 if (cmp == 0) {
881                         symset_free(ss);
882                         return (*sl)->num;
883                 }
884
885                 s = malloc(sizeof(*s));
886                 s->ss = ss;
887                 s->num = g->nextset;
888                 g->nextset += 1;
889                 s->next = *sl;
890                 *sl = s;
891                 return s->num;
892         }
893
894 Finding a set by number is currently performed by a simple linear
895 search.  If this turns out to hurt performance, we can store the sets in
896 a dynamic array like the productions.
897
898         static struct symset set_find(struct grammar *g, int num)
899         {
900                 struct setlist *sl = g->sets;
901                 while (sl && sl->num != num)
902                         sl = sl->next;
903                 return sl->ss;
904         }
905
906 ### Setting `nullable`
907
908 We set `nullable` on the head symbol for any production for which all
909 the body symbols (if any) are nullable.  As this is a recursive
910 definition, any change in the `nullable` setting means that we need to
911 re-evaluate where it needs to be set.
912
913 We simply loop around performing the same calculations until no more
914 changes happen.
915
916 ###### symbol fields
917         int nullable;
918
919 ###### functions
920         static void set_nullable(struct grammar *g)
921         {
922                 int check_again = 1;
923                 while (check_again) {
924                         int p;
925                         check_again = 0;
926                         for (p = 0; p < g->production_count; p++) {
927                                 struct production *pr = g->productions[p];
928                                 int s;
929
930                                 if (pr->head->nullable)
931                                         continue;
932                                 for (s = 0; s < pr->body_size; s++)
933                                         if (! pr->body[s]->nullable)
934                                                 break;
935                                 if (s == pr->body_size) {
936                                         pr->head->nullable = 1;
937                                         check_again = 1;
938                                 }
939                         }
940                 }
941         }
942
943 ### Setting `line_like`
944
945 In order to be able to ignore newline tokens when not relevant, but
946 still include them in the parse when needed, we will need to know
947 which states can start a "line-like" section of code.  We ignore
948 newlines when there is an indent since the most recent start of a
949 line-like symbol.
950
951 A "line_like" symbol is simply any symbol that can derive a NEWLINE.
952 If a symbol cannot derive a NEWLINE, then it is only part of a line -
953 so is word-like.  If it can derive a NEWLINE, then we consider it to
954 be like a line.
955
956 Clearly the `TK_newline` token can derive a NEWLINE.  Any symbol which
957 is the head of a production that contains a line_like symbol is also a
958 line-like symbol.  We use a new field `line_like` to record this
959 attribute of symbols, and compute it in a repetitive manner similar to
960 `set_nullable`.
961
962 ###### symbol fields
963         int line_like;
964
965 ###### functions
966         static void set_line_like(struct grammar *g)
967         {
968                 int check_again = 1;
969                 g->symtab[TK_newline]->line_like = 1;
970                 while (check_again) {
971                         int p;
972                         check_again = 0;
973                         for (p = 0; p < g->production_count; p++) {
974                                 struct production *pr = g->productions[p];
975                                 int s;
976
977                                 if (pr->head->line_like)
978                                         continue;
979
980                                 for (s = 0 ; s < pr->body_size; s++) {
981                                         if (pr->body[s]->line_like) {
982                                                 pr->head->line_like = 1;
983                                                 check_again = 1;
984                                                 break;
985                                         }
986                                 }
987                         }
988                 }
989         }
990
991 ### Building the `first` sets
992
993 When calculating what can follow a particular non-terminal, we will need
994 to know what the "first" terminal in any subsequent non-terminal might
995 be.  So we calculate the `first` set for every non-terminal and store
996 them in an array.  We don't bother recording the "first" set for
997 terminals as they are trivial.
998
999 As the "first" for one symbol might depend on the "first" of another, we
1000 repeat the calculations until no changes happen, just like with
1001 `set_nullable`.  This makes use of the fact that `symset_union` reports
1002 if any change happens.
1003
1004 The core of this, which finds the "first" of part of a production body,
1005 will be reused for computing the "follow" sets, so we split that out
1006 into a separate function, `add_first`, which also reports if it got all
1007 the way to the end of the production without finding a non-nullable
1008 symbol.
1009
1010 ###### grammar fields
1011         struct symset *first;
1012
1013 ###### functions
1014
1015         static int add_first(struct production *pr, int start,
1016                              struct symset *target, struct grammar *g,
1017                              int *to_end)
1018         {
1019                 int s;
1020                 int changed = 0;
1021                 for (s = start; s < pr->body_size; s++) {
1022                         struct symbol *bs = pr->body[s];
1023                         if (bs->type == Terminal) {
1024                                 if (symset_find(target, bs->num) < 0) {
1025                                         symset_add(target, bs->num, 0);
1026                                         changed = 1;
1027                                 }
1028                                 break;
1029                         } else if (symset_union(target, &g->first[bs->num]))
1030                                 changed = 1;
1031                         if (!bs->nullable)
1032                                 break;
1033                 }
1034                 if (to_end)
1035                         *to_end = (s == pr->body_size);
1036                 return changed;
1037         }
1038
1039         static void build_first(struct grammar *g)
1040         {
1041                 int check_again = 1;
1042                 int s;
1043                 g->first = calloc(g->num_syms, sizeof(g->first[0]));
1044                 for (s = 0; s < g->num_syms; s++)
1045                         g->first[s] = INIT_SYMSET;
1046
1047                 while (check_again) {
1048                         int p;
1049                         check_again = 0;
1050                         for (p = 0; p < g->production_count; p++) {
1051                                 struct production *pr = g->productions[p];
1052                                 struct symset *head = &g->first[pr->head->num];
1053
1054                                 if (add_first(pr, 0, head, g, NULL))
1055                                         check_again = 1;
1056                         }
1057                 }
1058         }
1059
1060 ### Building the `follow` sets.
1061
1062 There are two different situations when we will want to generate
1063 "follow" sets.  If we are doing an SLR analysis, we want to generate a
1064 single "follow" set for each non-terminal in the grammar.  That is what
1065 is happening here.  If we are doing an LALR or LR analysis we will want
1066 to generate a separate "LA" set for each item.  We do that later in
1067 state generation.
1068
1069 There are two parts to generating a "follow" set.  Firstly we look at
1070 every place that any non-terminal appears in the body of any production,
1071 and we find the set of possible "first" symbols after there.  This is
1072 done using `add_first` above and only needs to be done once as the
1073 "first" sets are now stable and will not change.
1074
1075 ###### grammar fields
1076         struct symset *follow;
1077
1078 ###### follow code
1079
1080         for (p = 0; p < g->production_count; p++) {
1081                 struct production *pr = g->productions[p];
1082                 int b;
1083
1084                 for (b = 0; b < pr->body_size - 1; b++) {
1085                         struct symbol *bs = pr->body[b];
1086                         if (bs->type == Terminal)
1087                                 continue;
1088                         add_first(pr, b+1, &g->follow[bs->num], g, NULL);
1089                 }
1090         }
1091
1092 The second part is to add the "follow" set of the head of a production
1093 to the "follow" sets of the final symbol in the production, and any
1094 other symbol which is followed only by `nullable` symbols.  As this
1095 depends on "follow" itself we need to repeatedly perform the process
1096 until no further changes happen.
1097
1098 Rather than 2 nested loops, one that repeats the whole process until
1099 there is no change, and one that iterates of the set of productions, we
1100 combine these two functions into a single loop.
1101
1102 ###### follow code
1103
1104         for (check_again = 0, p = 0;
1105              p < g->production_count;
1106              p < g->production_count-1
1107                 ? p++ : check_again ? (check_again = 0, p = 0)
1108                               : p++) {
1109                 struct production *pr = g->productions[p];
1110                 int b;
1111
1112                 for (b = pr->body_size - 1; b >= 0; b--) {
1113                         struct symbol *bs = pr->body[b];
1114                         if (bs->type == Terminal)
1115                                 break;
1116                         if (symset_union(&g->follow[bs->num],
1117                                          &g->follow[pr->head->num]))
1118                                 check_again = 1;
1119                         if (!bs->nullable)
1120                                 break;
1121                 }
1122         }
1123
1124 We now just need to create and initialise the `follow` list to get a
1125 complete function.
1126
1127 ###### functions
1128         static void build_follow(struct grammar *g)
1129         {
1130                 int s, check_again, p;
1131                 g->follow = calloc(g->num_syms, sizeof(g->follow[0]));
1132                 for (s = 0; s < g->num_syms; s++)
1133                         g->follow[s] = INIT_SYMSET;
1134                 ## follow code
1135         }
1136
1137 ### Building itemsets and states
1138
1139 There are three different levels of detail that can be chosen for
1140 building the itemsets and states for the LR grammar.  They are:
1141
1142 1. LR(0), LR(0.5), or SLR(1), where no look-ahead is included in the
1143    itemsets - look-ahead, if used at all, is simply the 'follow' sets
1144    already computed,
1145 2. LALR(1) where we build look-ahead sets with each item and merge
1146    the LA sets when we find two paths to the same "kernel" set of items.
1147 3. LR(1) where different look-ahead for any item in the set means
1148    a different item set must be created.
1149
1150 ###### forward declarations
1151         enum grammar_type { LR0, LR05, SLR, LALR, LR1 };
1152
1153 We need to be able to look through existing states to see if a newly
1154 generated state already exists.  For now we use a simple sorted linked
1155 list.
1156
1157 An item is a pair of numbers: the production number and the position of
1158 "DOT", which is an index into the body of the production.  As the
1159 numbers are not enormous we can combine them into a single "short" and
1160 store them in a `symset` - 5 bits for "DOT" and 11 bits for the
1161 production number (so 2000 productions with maximum of 31 symbols in the
1162 body).
1163
1164 Comparing the itemsets will be a little different to comparing symsets
1165 as we want to do the lookup after generating the "kernel" of an
1166 itemset, so we need to ignore the offset=zero items which are added during
1167 completion.
1168
1169 To facilitate this, we modify the "DOT" number so that "0" sorts to
1170 the end of the list in the symset, and then only compare items before
1171 the first "0".
1172
1173 ###### declarations
1174         static inline unsigned short item_num(int production, int dot)
1175         {
1176                 return production | ((31-dot) << 11);
1177         }
1178         static inline int item_prod(unsigned short item)
1179         {
1180                 return item & 0x7ff;
1181         }
1182         static inline int item_dot(unsigned short item)
1183         {
1184                 return (31-(item >> 11)) & 0x1f;
1185         }
1186
1187 For LR(1) analysis we need to compare not just the itemset in a state
1188 but also the LA sets.  As we assign each unique LA set a number, we
1189 can just compare the symset and the data values together.
1190
1191 ###### functions
1192         static int itemset_cmp(struct symset a, struct symset b,
1193                                enum grammar_type type)
1194         {
1195                 int i;
1196                 int av, bv;
1197
1198                 for (i = 0;
1199                      i < a.cnt && i < b.cnt &&
1200                      item_dot(a.syms[i]) > 0 &&
1201                      item_dot(b.syms[i]) > 0;
1202                      i++) {
1203                         int diff = a.syms[i] - b.syms[i];
1204                         if (diff)
1205                                 return diff;
1206                         if (type == LR1) {
1207                                 diff = a.data[i] - b.data[i];
1208                                 if (diff)
1209                                         return diff;
1210                         }
1211                 }
1212                 if (i == a.cnt || item_dot(a.syms[i]) == 0)
1213                         av = -1;
1214                 else
1215                         av = a.syms[i];
1216                 if (i == b.cnt || item_dot(b.syms[i]) == 0)
1217                         bv = -1;
1218                 else
1219                         bv = b.syms[i];
1220                 if (av - bv)
1221                         return av - bv;
1222                 if (type < LR1 || av == -1)
1223                         return 0;
1224                 return
1225                         a.data[i] - b.data[i];
1226         }
1227
1228 It will be helpful to know if an itemset has been "completed" or not,
1229 particularly for LALR where itemsets get merged, at which point they
1230 need to be consider for completion again.  So a `completed` flag is
1231 needed.
1232
1233 For correct handling of `TK_newline` when parsing, we will need to
1234 know which states (itemsets) can occur at the start of a line, so we
1235 will record a `starts_line` flag too whenever DOT is at the start of a
1236 `line_like` symbol.
1237
1238 Finally, for handling `TK_out` we need to know whether productions in the
1239 current state started *before* the most recent indent.  A state
1240 doesn't usually keep details of individual productions, so we need to
1241 add one extra detail. `min_prefix` is the smallest non-zero number of
1242 symbols *before* DOT in any production in an itemset.  This will allow
1243 us to determine if the the most recent indent is sufficiently recent
1244 to cancel it against a `TK_out`.  If it was seen longer ago than the
1245 `min_prefix`, and if the current state cannot be reduced, then the
1246 indented section must have ended in the middle of a syntactic unit, so
1247 an error must be signaled.
1248
1249 And now we can build the list of itemsets.  The lookup routine returns
1250 both a success flag and a pointer to where in the list an insert should
1251 happen, so we don't need to search a second time.
1252
1253 ###### declarations
1254         struct itemset {
1255                 struct itemset *next;
1256                 short state;
1257                 struct symset items;
1258                 struct symset go_to;
1259                 enum assoc assoc;
1260                 unsigned short precedence;
1261                 char completed;
1262                 char starts_line;
1263                 int min_prefix;
1264         };
1265
1266 ###### grammar fields
1267         struct itemset *items;
1268         int states;
1269
1270 ###### functions
1271         static int itemset_find(struct grammar *g, struct itemset ***where,
1272                                 struct symset kernel, enum grammar_type type)
1273         {
1274                 struct itemset **ip;
1275
1276                 for (ip = &g->items; *ip ; ip = & (*ip)->next) {
1277                         struct itemset *i = *ip;
1278                         int diff;
1279                         diff = itemset_cmp(i->items, kernel, type);
1280                         if (diff < 0)
1281                                 continue;
1282                         if (diff > 0)
1283                                 break;
1284                         /* found */
1285                         *where = ip;
1286                         return 1;
1287                 }
1288                 *where = ip;
1289                 return 0;
1290         }
1291
1292 Adding an itemset may require merging the LA sets if LALR analysis is
1293 happening.  If any new LA set adds any symbols that weren't in the old
1294 LA set, we clear the `completed` flag so that the dependants of this
1295 itemset will be recalculated and their LA sets updated.
1296
1297 `add_itemset` must consume the symsets it is passed, either by adding
1298 them to a data structure, of freeing them.
1299
1300         static int add_itemset(struct grammar *g, struct symset ss,
1301                                enum assoc assoc, unsigned short precedence,
1302                                enum grammar_type type)
1303         {
1304                 struct itemset **where, *is;
1305                 int i;
1306                 int found = itemset_find(g, &where, ss, type);
1307                 if (!found) {
1308                         is = calloc(1, sizeof(*is));
1309                         is->state = g->states;
1310                         g->states += 1;
1311                         is->items = ss;
1312                         is->assoc = assoc;
1313                         is->precedence = precedence;
1314                         is->next = *where;
1315                         is->go_to = INIT_DATASET;
1316                         *where = is;
1317                         return is->state;
1318                 }
1319                 is = *where;
1320                 if (type != LALR) {
1321                         symset_free(ss);
1322                         return is->state;
1323                 }
1324                 for (i = 0; i < ss.cnt; i++) {
1325                         struct symset temp = INIT_SYMSET, s;
1326                         if (ss.data[i] == is->items.data[i])
1327                                 continue;
1328                         s = set_find(g, is->items.data[i]);
1329                         symset_union(&temp, &s);
1330                         s = set_find(g, ss.data[i]);
1331                         if (symset_union(&temp, &s)) {
1332                                 is->items.data[i] = save_set(g, temp);
1333                                 is->completed = 0;
1334                         } else
1335                                 symset_free(temp);
1336                 }
1337                 symset_free(ss);
1338                 return is->state;
1339         }
1340
1341 #### The build
1342
1343 To build all the itemsets, we first insert the initial itemset made from
1344 production zero, complete each itemset, and then generate new itemsets
1345 from old until no new ones can be made.
1346
1347 Completing an itemset means finding all the items where "DOT" is
1348 followed by a nonterminal and adding "DOT=0" items for every production
1349 from that non-terminal - providing each item hasn't already been added.
1350 When we add such an item it might get inserted before the current
1351 one, so to make sure we process it we reset the loop counter to the
1352 start.
1353
1354 If LA sets are needed, the LA set for each new item is found using
1355 `add_first` which was developed earlier for `FIRST` and `FOLLOW`.  This
1356 may be supplemented by the LA set for the item which produced the new
1357 item.
1358
1359 We also collect a set of all symbols which follow "DOT" (in `done`) as
1360 this is used in the next stage.  If any of these symbols are flagged as
1361 `line_like`, then this state must be a `starts_line` state so now is a
1362 good time to record that.
1363
1364 When itemsets are created we assign a precedence to the itemset from the
1365 complete item, if there is one.  We ignore the possibility of there
1366 being two and don't (currently) handle precedence in such grammars.
1367 When completing a grammar we ignore any item where DOT is followed by a
1368 terminal with a precedence lower than that for the itemset.  Unless the
1369 terminal has right associativity, we also ignore items where the
1370 terminal has the same precedence.  The result is that unwanted items are
1371 still in the itemset, but the terminal doesn't get into the go to set,
1372 so the item is ineffective.
1373
1374 ###### complete itemset
1375         for (i = 0; i < is->items.cnt; i++) {
1376                 int p = item_prod(is->items.syms[i]);
1377                 int bs = item_dot(is->items.syms[i]);
1378                 struct production *pr = g->productions[p];
1379                 int p2;
1380                 struct symbol *s;
1381                 struct symset LA = INIT_SYMSET;
1382                 unsigned short sn = 0;
1383                 struct symset LAnl = INIT_SYMSET;
1384                 unsigned short snnl = 0;
1385
1386                 if (is->min_prefix == 0 ||
1387                     (bs > 0 && bs < is->min_prefix))
1388                         is->min_prefix = bs;
1389                 if (bs == pr->body_size)
1390                         continue;
1391                 s = pr->body[bs];
1392                 if (s->precedence && is->precedence &&
1393                     is->precedence > s->precedence)
1394                         /* This terminal has a low precedence and
1395                          * shouldn't be shifted
1396                          */
1397                         continue;
1398                 if (s->precedence && is->precedence &&
1399                     is->precedence == s->precedence && s->assoc != Right)
1400                         /* This terminal has a matching precedence and is
1401                          * not Right-associative, so we mustn't shift it.
1402                          */
1403                         continue;
1404                 if (symset_find(&done, s->num) < 0) {
1405                         symset_add(&done, s->num, 0);
1406                 }
1407                 if (s->type != Nonterminal)
1408                         continue;
1409                 if (s->line_like)
1410                         is->starts_line = 1;
1411                 check_again = 1;
1412                 if (type >= LALR) {
1413                         // Need the LA set.
1414                         int to_end;
1415                         add_first(pr, bs+1, &LA, g, &to_end);
1416                         if (to_end) {
1417                                 struct symset ss = set_find(g, is->items.data[i]);
1418                                 symset_union(&LA, &ss);
1419                         }
1420                         sn = save_set(g, LA);
1421                         LA = set_find(g, sn);
1422                         if (symset_find(&LA, TK_newline))
1423                                 symset_add(&LAnl, TK_newline, 0);
1424                         snnl = save_set(g, LAnl);
1425                         LAnl = set_find(g, snnl);
1426                 }
1427
1428                 /* Add productions for this symbol */
1429                 for (p2 = s->first_production;
1430                      p2 < g->production_count &&
1431                       g->productions[p2]->head == s;
1432                      p2++) {
1433                         int itm = item_num(p2, 0);
1434                         int pos = symset_find(&is->items, itm);
1435                         if (pos < 0) {
1436                                 if (g->productions[p2]->line_like)
1437                                         symset_add(&is->items, itm, snnl);
1438                                 else
1439                                         symset_add(&is->items, itm, sn);
1440                                 /* Will have re-ordered, so start
1441                                  * from beginning again */
1442                                 i = -1;
1443                         } else if (type >= LALR) {
1444                                 struct symset ss = set_find(g, is->items.data[pos]);
1445                                 struct symset tmp = INIT_SYMSET;
1446                                 struct symset *la = &LA;
1447
1448                                 if (g->productions[p2]->line_like)
1449                                         la = &LAnl;
1450                                 symset_union(&tmp, &ss);
1451                                 if (symset_union(&tmp, la)) {
1452                                         is->items.data[pos] = save_set(g, tmp);
1453                                         i = -1;
1454                                 } else
1455                                         symset_free(tmp);
1456                         }
1457                 }
1458         }
1459
1460 For each symbol we found (and placed in `done`) we collect all the items
1461 for which this symbol is next, and create a new itemset with "DOT"
1462 advanced over the symbol.  This is then added to the collection of
1463 itemsets (or merged with a pre-existing itemset).
1464
1465 ###### derive itemsets
1466         // Now we have a completed itemset, so we need to
1467         // compute all the 'next' itemsets and create them
1468         // if they don't exist.
1469         for (i = 0; i < done.cnt; i++) {
1470                 int j;
1471                 unsigned short state;
1472                 struct symbol *sym = g->symtab[done.syms[i]];
1473                 enum assoc assoc = Non;
1474                 unsigned short precedence = 0;
1475                 struct symset newitemset = INIT_SYMSET;
1476                 if (type >= LALR)
1477                         newitemset = INIT_DATASET;
1478
1479                 for (j = 0; j < is->items.cnt; j++) {
1480                         int itm = is->items.syms[j];
1481                         int p = item_prod(itm);
1482                         int bp = item_dot(itm);
1483                         struct production *pr = g->productions[p];
1484                         unsigned short la = 0;
1485                         int pos;
1486
1487                         if (bp == pr->body_size)
1488                                 continue;
1489                         if (pr->body[bp] != sym)
1490                                 continue;
1491                         if (type >= LALR)
1492                                 la = is->items.data[j];
1493                         pos = symset_find(&newitemset, pr->head->num);
1494                         if (bp + 1 == pr->body_size &&
1495                             pr->precedence > 0 &&
1496                             pr->precedence > precedence) {
1497                                 // new itemset is reducible and has a precedence.
1498                                 precedence = pr->precedence;
1499                                 assoc = pr->assoc;
1500                         }
1501                         if (pos < 0)
1502                                 symset_add(&newitemset, item_num(p, bp+1), la);
1503                         else if (type >= LALR) {
1504                                 // Need to merge la set.
1505                                 int la2 = newitemset.data[pos];
1506                                 if (la != la2) {
1507                                         struct symset ss = set_find(g, la2);
1508                                         struct symset LA = INIT_SYMSET;
1509                                         symset_union(&LA, &ss);
1510                                         ss = set_find(g, la);
1511                                         if (symset_union(&LA, &ss))
1512                                                 newitemset.data[pos] = save_set(g, LA);
1513                                         else
1514                                                 symset_free(LA);
1515                                 }
1516                         }
1517                 }
1518                 state = add_itemset(g, newitemset, assoc, precedence, type);
1519                 if (symset_find(&is->go_to, done.syms[i]) < 0)
1520                         symset_add(&is->go_to, done.syms[i], state);
1521         }
1522
1523 All that is left is to create the initial itemset from production zero, and
1524 with `TK_eof` as the LA set.
1525
1526 ###### functions
1527         static void build_itemsets(struct grammar *g, enum grammar_type type)
1528         {
1529                 struct symset first = INIT_SYMSET;
1530                 struct itemset *is;
1531                 int check_again;
1532                 unsigned short la = 0;
1533                 if (type >= LALR) {
1534                         // LA set just has eof
1535                         struct symset eof = INIT_SYMSET;
1536                         symset_add(&eof, TK_eof, 0);
1537                         la = save_set(g, eof);
1538                         first = INIT_DATASET;
1539                 }
1540                 // production 0, offset 0 (with no data)
1541                 symset_add(&first, item_num(0, 0), la);
1542                 add_itemset(g, first, Non, 0, type);
1543                 for (check_again = 0, is = g->items;
1544                      is;
1545                      is = is->next ?: check_again ? (check_again = 0, g->items) : NULL) {
1546                         int i;
1547                         struct symset done = INIT_SYMSET;
1548                         if (is->completed)
1549                                 continue;
1550                         is->completed = 1;
1551                         check_again = 1;
1552                         ## complete itemset
1553                         ## derive itemsets
1554                         symset_free(done);
1555                 }
1556         }
1557
1558 ### Completing the analysis.
1559
1560 The exact process of analysis depends on which level was requested.  For
1561 `LR0` and `LR05` we don't need first and follow sets at all.  For `LALR` and
1562 `LR1` we need first, but not follow.  For `SLR` we need both.
1563
1564 We don't build the "action" tables that you might expect as the parser
1565 doesn't use them.  They will be calculated to some extent if needed for
1566 a report.
1567
1568 Once we have built everything we allocate arrays for the two lists:
1569 symbols and itemsets.  This allows more efficient access during
1570 reporting.  The symbols are grouped as terminals and then non-terminals,
1571 and we record the changeover point in `first_nonterm`.
1572
1573 ###### grammar fields
1574         struct symbol **symtab;
1575         struct itemset **statetab;
1576         int first_nonterm;
1577
1578 ###### grammar_analyse
1579
1580         static void grammar_analyse(struct grammar *g, enum grammar_type type)
1581         {
1582                 struct symbol *s;
1583                 struct itemset *is;
1584                 int snum = TK_reserved;
1585                 for (s = g->syms; s; s = s->next)
1586                         if (s->num < 0 && s->type == Terminal) {
1587                                 s->num = snum;
1588                                 snum++;
1589                         }
1590                 g->first_nonterm = snum;
1591                 for (s = g->syms; s; s = s->next)
1592                         if (s->num < 0 && s->type != Virtual) {
1593                                 s->num = snum;
1594                                 snum++;
1595                         }
1596                 for (s = g->syms; s; s = s->next)
1597                         if (s->num < 0) {
1598                                 s->num = snum;
1599                                 snum++;
1600                         }
1601                 g->num_syms = snum;
1602                 g->symtab = calloc(g->num_syms, sizeof(g->symtab[0]));
1603                 for (s = g->syms; s; s = s->next)
1604                         g->symtab[s->num] = s;
1605
1606                 set_nullable(g);
1607                 set_line_like(g);
1608                 if (type >= SLR)
1609                         build_first(g);
1610
1611                 if (type == SLR)
1612                         build_follow(g);
1613
1614                 build_itemsets(g, type);
1615
1616                 g->statetab = calloc(g->states, sizeof(g->statetab[0]));
1617                 for (is = g->items; is ; is = is->next)
1618                         g->statetab[is->state] = is;
1619         }
1620
1621 ## Reporting on the Grammar
1622
1623 The purpose of the report is to give the grammar developer insight into
1624 how the grammar parser will work.  It is basically a structured dump of
1625 all the tables that have been generated, plus a description of any conflicts.
1626
1627 ###### grammar_report
1628         static int grammar_report(struct grammar *g, enum grammar_type type)
1629         {
1630                 report_symbols(g);
1631                 if (g->follow)
1632                         report_follow(g);
1633                 report_itemsets(g);
1634                 return report_conflicts(g, type);
1635         }
1636
1637 Firstly we have the complete list of symbols, together with the
1638 "FIRST" set if that was generated.  We add a mark to each symbol to
1639 show if it is considered to be "line-like" (`<`), or if it is nullable (`.`).
1640
1641 ###### functions
1642
1643         static void report_symbols(struct grammar *g)
1644         {
1645                 int n;
1646                 if (g->first)
1647                         printf("SYMBOLS + FIRST:\n");
1648                 else
1649                         printf("SYMBOLS:\n");
1650
1651                 for (n = 0; n < g->num_syms; n++) {
1652                         struct symbol *s = g->symtab[n];
1653                         if (!s)
1654                                 continue;
1655
1656                         printf(" %c%c%3d%c: ",
1657                                s->nullable ? '.':' ',
1658                                s->line_like ? '<':' ',
1659                                s->num, symtypes[s->type]);
1660                         prtxt(s->name);
1661                         if (s->precedence)
1662                                 printf(" (%d%s)", s->precedence,
1663                                        assoc_names[s->assoc]);
1664
1665                         if (g->first && s->type == Nonterminal) {
1666                                 int j;
1667                                 char c = ':';
1668                                 for (j = 0; j < g->first[n].cnt; j++) {
1669                                         printf("%c ", c);
1670                                         c = ',';
1671                                         prtxt(g->symtab[g->first[n].syms[j]]->name);
1672                                 }
1673                         }
1674                         printf("\n");
1675                 }
1676         }
1677
1678 Then we have the follow sets if they were computed.
1679
1680         static void report_follow(struct grammar *g)
1681         {
1682                 int n;
1683                 printf("FOLLOW:\n");
1684                 for (n = 0; n < g->num_syms; n++)
1685                         if (g->follow[n].cnt) {
1686                                 int j;
1687                                 char c = ':';
1688                                 printf("  ");
1689                                 prtxt(g->symtab[n]->name);
1690                                 for (j = 0; j < g->follow[n].cnt; j++) {
1691                                         printf("%c ", c);
1692                                         c = ',';
1693                                         prtxt(g->symtab[g->follow[n].syms[j]]->name);
1694                                 }
1695                                 printf("\n");
1696                         }
1697         }
1698
1699 And finally the item sets.  These include the GO TO tables and, for
1700 LALR and LR1, the LA set for each item.  Lots of stuff, so we break
1701 it up a bit.  First the items, with production number and associativity.
1702
1703         static void report_item(struct grammar *g, int itm)
1704         {
1705                 int p = item_prod(itm);
1706                 int dot = item_dot(itm);
1707                 struct production *pr = g->productions[p];
1708                 int i;
1709
1710                 printf("    ");
1711                 prtxt(pr->head->name);
1712                 printf(" ->");
1713                 for (i = 0; i < pr->body_size; i++) {
1714                         printf(" %s", (dot == i ? ". ": ""));
1715                         prtxt(pr->body[i]->name);
1716                 }
1717                 if (dot == pr->body_size)
1718                         printf(" .");
1719                 printf(" [%d]", p);
1720                 if (pr->precedence && dot == pr->body_size)
1721                         printf(" (%d%s)", pr->precedence,
1722                                assoc_names[pr->assoc]);
1723                 if (dot < pr->body_size &&
1724                     pr->body[dot]->precedence) {
1725                         struct symbol *s = pr->body[dot];
1726                         printf(" [%d%s]", s->precedence,
1727                                assoc_names[s->assoc]);
1728                 }
1729                 if (pr->line_like == 1)
1730                         printf(" $$NEWLINE");
1731                 else if (pr->line_like)
1732                         printf(" $$OUT");
1733                 printf("\n");
1734         }
1735
1736 The LA sets which are (possibly) reported with each item:
1737
1738         static void report_la(struct grammar *g, int lanum)
1739         {
1740                 struct symset la = set_find(g, lanum);
1741                 int i;
1742                 char c = ':';
1743
1744                 printf("        LOOK AHEAD(%d)", lanum);
1745                 for (i = 0; i < la.cnt; i++) {
1746                         printf("%c ", c);
1747                         c = ',';
1748                         prtxt(g->symtab[la.syms[i]]->name);
1749                 }
1750                 printf("\n");
1751         }
1752
1753 Then the go to sets:
1754
1755         static void report_goto(struct grammar *g, struct symset gt)
1756         {
1757                 int i;
1758                 printf("    GOTO:\n");
1759
1760                 for (i = 0; i < gt.cnt; i++) {
1761                         printf("      ");
1762                         prtxt(g->symtab[gt.syms[i]]->name);
1763                         printf(" -> %d\n", gt.data[i]);
1764                 }
1765         }
1766
1767 Now we can report all the item sets complete with items, LA sets, and GO TO.
1768
1769         static void report_itemsets(struct grammar *g)
1770         {
1771                 int s;
1772                 printf("ITEM SETS(%d)\n", g->states);
1773                 for (s = 0; s < g->states; s++) {
1774                         int j;
1775                         struct itemset *is = g->statetab[s];
1776                         printf("  Itemset %d:%s min prefix=%d",
1777                                s, is->starts_line?" (startsline)":"", is->min_prefix);
1778                         if (is->precedence)
1779                                 printf(" %d%s", is->precedence, assoc_names[is->assoc]);
1780                         printf("\n");
1781                         for (j = 0; j < is->items.cnt; j++) {
1782                                 report_item(g, is->items.syms[j]);
1783                                 if (is->items.data != NO_DATA)
1784                                         report_la(g, is->items.data[j]);
1785                         }
1786                         report_goto(g, is->go_to);
1787                 }
1788         }
1789
1790 ### Reporting conflicts
1791
1792 Conflict detection varies a lot among different analysis levels.  However
1793 LR0 and LR0.5 are quite similar - having no follow sets - and SLR, LALR and
1794 LR1 are also similar as they have FOLLOW or LA sets.
1795
1796 ###### functions
1797
1798         ## conflict functions
1799
1800         static int report_conflicts(struct grammar *g, enum grammar_type type)
1801         {
1802                 int cnt = 0;
1803                 printf("Conflicts:\n");
1804                 if (type < SLR)
1805                         cnt = conflicts_lr0(g, type);
1806                 else
1807                         cnt = conflicts_slr(g, type);
1808                 if (cnt == 0)
1809                         printf(" - no conflicts\n");
1810                 return cnt;
1811         }
1812
1813 LR0 conflicts are any state which have both a reducible item and
1814 a shiftable item, or two reducible items.
1815
1816 LR05 conflicts only occur if two possible reductions exist,
1817 as shifts always over-ride reductions.
1818
1819 ###### conflict functions
1820         static int conflicts_lr0(struct grammar *g, enum grammar_type type)
1821         {
1822                 int i;
1823                 int cnt = 0;
1824                 for (i = 0; i < g->states; i++) {
1825                         struct itemset *is = g->statetab[i];
1826                         int last_reduce = -1;
1827                         int prev_reduce = -1;
1828                         int last_shift = -1;
1829                         int j;
1830                         if (!is)
1831                                 continue;
1832                         for (j = 0; j < is->items.cnt; j++) {
1833                                 int itm = is->items.syms[j];
1834                                 int p = item_prod(itm);
1835                                 int bp = item_dot(itm);
1836                                 struct production *pr = g->productions[p];
1837
1838                                 if (bp == pr->body_size) {
1839                                         prev_reduce = last_reduce;
1840                                         last_reduce = j;
1841                                         continue;
1842                                 }
1843                                 if (pr->body[bp]->type == Terminal)
1844                                         last_shift = j;
1845                         }
1846                         if (type == LR0 && last_reduce >= 0 && last_shift >= 0) {
1847                                 printf("  State %d has both SHIFT and REDUCE:\n", i);
1848                                 report_item(g, is->items.syms[last_shift]);
1849                                 report_item(g, is->items.syms[last_reduce]);
1850                                 cnt++;
1851                         }
1852                         if (prev_reduce >= 0) {
1853                                 printf("  State %d has 2 (or more) reducible items\n", i);
1854                                 report_item(g, is->items.syms[prev_reduce]);
1855                                 report_item(g, is->items.syms[last_reduce]);
1856                                 cnt++;
1857                         }
1858                 }
1859                 return cnt;
1860         }
1861
1862 SLR, LALR, and LR1 conflicts happen if two reducible items have over-lapping
1863 look ahead, or if a symbol in a look-ahead can be shifted.  They differ only
1864 in the source of the look ahead set.
1865
1866 We build two datasets to reflect the "action" table: one which maps
1867 terminals to items where that terminal could be shifted and another
1868 which maps terminals to items that could be reduced when the terminal
1869 is in look-ahead.  We report when we get conflicts between the two.
1870
1871 As a special case, if we find a SHIFT/REDUCE conflict, on the NEWLINE
1872 terminal, we ignore it.  NEWLINES are handled specially with its own
1873 rules for when to shift and when to reduce.  Conflicts are expected,
1874 but handled internally.
1875
1876         static int conflicts_slr(struct grammar *g, enum grammar_type type)
1877         {
1878                 int i;
1879                 int cnt = 0;
1880
1881                 for (i = 0; i < g->states; i++) {
1882                         struct itemset *is = g->statetab[i];
1883                         struct symset shifts = INIT_DATASET;
1884                         struct symset reduce = INIT_DATASET;
1885                         int j;
1886                         if (!is)
1887                                 continue;
1888                         /* First collect the shifts */
1889                         for (j = 0; j < is->items.cnt; j++) {
1890                                 unsigned short itm = is->items.syms[j];
1891                                 int p = item_prod(itm);
1892                                 int bp = item_dot(itm);
1893                                 struct production *pr = g->productions[p];
1894                                 struct symbol *s;
1895
1896                                 if (bp >= pr->body_size ||
1897                                     pr->body[bp]->type != Terminal)
1898                                         /* not shiftable */
1899                                         continue;
1900
1901                                 s = pr->body[bp];
1902                                 if (s->precedence && is->precedence)
1903                                         /* Precedence resolves this, so no conflict */
1904                                         continue;
1905
1906                                 if (symset_find(&shifts, s->num) < 0)
1907                                         symset_add(&shifts, s->num, itm);
1908                         }
1909                         /* Now look for reductions and conflicts */
1910                         for (j = 0; j < is->items.cnt; j++) {
1911                                 unsigned short itm = is->items.syms[j];
1912                                 int p = item_prod(itm);
1913                                 int bp = item_dot(itm);
1914                                 struct production *pr = g->productions[p];
1915
1916                                 if (bp < pr->body_size)
1917                                         continue;
1918                                 /* reducible */
1919                                 struct symset la;
1920                                 if (type == SLR)
1921                                         la = g->follow[pr->head->num];
1922                                 else
1923                                         la = set_find(g, is->items.data[j]);
1924                                 int k;
1925                                 for (k = 0; k < la.cnt; k++) {
1926                                         int pos = symset_find(&shifts, la.syms[k]);
1927                                         if (pos >= 0 && la.syms[k] != TK_newline) {
1928                                                 printf("  State %d has SHIFT/REDUCE conflict on ", i);
1929                                                 cnt++;
1930                                                         prtxt(g->symtab[la.syms[k]]->name);
1931                                                 printf(":\n");
1932                                                 report_item(g, shifts.data[pos]);
1933                                                 report_item(g, itm);
1934                                         }
1935                                         pos = symset_find(&reduce, la.syms[k]);
1936                                         if (pos < 0) {
1937                                                 symset_add(&reduce, la.syms[k], itm);
1938                                                 continue;
1939                                         }
1940                                         printf("  State %d has REDUCE/REDUCE conflict on ", i);
1941                                         prtxt(g->symtab[la.syms[k]]->name);
1942                                         printf(":\n");
1943                                         report_item(g, itm);
1944                                         report_item(g, reduce.data[pos]);
1945                                         cnt++;
1946                                 }
1947                         }
1948                         symset_free(shifts);
1949                         symset_free(reduce);
1950                 }
1951                 return cnt;
1952         }
1953
1954
1955 ## Generating the parser
1956
1957 The exported part of the parser is the `parse_XX` function, where the name
1958 `XX` is based on the name of the parser files.
1959
1960 This takes a `code_node`, a partially initialized `token_config`, and an
1961 optional `FILE` to send tracing to.  The `token_config` gets the list of
1962 known words added and then is used with the `code_node` to initialize the
1963 scanner.
1964
1965 `parse_XX` then calls the library function `parser_run` to actually complete
1966 the parse.  This needs the `states` table and functions to call the various
1967 pieces of code provided in the grammar file, so they are generated first.
1968
1969 ###### parser_generate
1970
1971         static void gen_parser(FILE *f, struct grammar *g, char *file, char *name,
1972                                struct code_node *pre_reduce)
1973         {
1974                 gen_known(f, g);
1975                 gen_non_term(f, g);
1976                 gen_goto(f, g);
1977                 gen_states(f, g);
1978                 gen_reduce(f, g, file, pre_reduce);
1979                 gen_free(f, g);
1980
1981                 fprintf(f, "#line 0 \"gen_parser\"\n");
1982                 fprintf(f, "void *parse_%s(struct code_node *code, struct token_config *config, FILE *trace)\n",
1983                         name);
1984                 fprintf(f, "{\n");
1985                 fprintf(f, "\tstruct token_state *tokens;\n");
1986                 fprintf(f, "\tconfig->words_marks = known;\n");
1987                 fprintf(f, "\tconfig->known_count = sizeof(known)/sizeof(known[0]);\n");
1988                 fprintf(f, "\ttokens = token_open(code, config);\n");
1989                 fprintf(f, "\tvoid *rv = parser_run(tokens, states, do_reduce, do_free, trace, non_term, config);\n");
1990                 fprintf(f, "\ttoken_close(tokens);\n");
1991                 fprintf(f, "\treturn rv;\n");
1992                 fprintf(f, "}\n\n");
1993         }
1994
1995 ### Known words table
1996
1997 The known words table is simply an array of terminal symbols.
1998 The table of nonterminals used for tracing is a similar array.
1999
2000 ###### functions
2001
2002         static void gen_known(FILE *f, struct grammar *g)
2003         {
2004                 int i;
2005                 fprintf(f, "#line 0 \"gen_known\"\n");
2006                 fprintf(f, "static const char *known[] = {\n");
2007                 for (i = TK_reserved;
2008                      i < g->num_syms && g->symtab[i]->type == Terminal;
2009                      i++)
2010                         fprintf(f, "\t\"%.*s\",\n", g->symtab[i]->name.len,
2011                                 g->symtab[i]->name.txt);
2012                 fprintf(f, "};\n\n");
2013         }
2014
2015         static void gen_non_term(FILE *f, struct grammar *g)
2016         {
2017                 int i;
2018                 fprintf(f, "#line 0 \"gen_non_term\"\n");
2019                 fprintf(f, "static const char *non_term[] = {\n");
2020                 for (i = TK_reserved;
2021                      i < g->num_syms;
2022                      i++)
2023                         if (g->symtab[i]->type == Nonterminal)
2024                                 fprintf(f, "\t\"%.*s\",\n", g->symtab[i]->name.len,
2025                                         g->symtab[i]->name.txt);
2026                 fprintf(f, "};\n\n");
2027         }
2028
2029 ### States and the goto tables.
2030
2031 For each state we record the goto table and details of the reducible
2032 production if there is one.
2033 Some of the details of the reducible production are stored in the
2034 `do_reduce` function to come later.  Here we store the production
2035 number, the body size (useful for stack management), and the resulting
2036 symbol (useful for knowing how to free data later).
2037
2038 The go to table is stored in a simple array of `sym` and corresponding
2039 `state`.
2040
2041 ###### exported types
2042
2043         struct lookup {
2044                 short sym;
2045                 short state;
2046         };
2047         struct state {
2048                 short go_to_cnt;
2049                 const struct lookup * go_to;
2050                 short reduce_prod;
2051                 short reduce_size;
2052                 short reduce_sym;
2053                 char starts_line;
2054                 char newline_only;
2055                 short min_prefix;
2056         };
2057
2058 ###### functions
2059
2060         static void gen_goto(FILE *f, struct grammar *g)
2061         {
2062                 int i;
2063                 fprintf(f, "#line 0 \"gen_goto\"\n");
2064                 for (i = 0; i < g->states; i++) {
2065                         int j;
2066                         fprintf(f, "static const struct lookup goto_%d[] = {\n",
2067                                 i);
2068                         struct symset gt = g->statetab[i]->go_to;
2069                         for (j = 0; j < gt.cnt; j++)
2070                                 fprintf(f, "\t{ %d, %d },\n",
2071                                         gt.syms[j], gt.data[j]);
2072                         fprintf(f, "};\n");
2073                 }
2074         }
2075
2076         static void gen_states(FILE *f, struct grammar *g)
2077         {
2078                 int i;
2079                 fprintf(f, "#line 0 \"gen_states\"\n");
2080                 fprintf(f, "static const struct state states[] = {\n");
2081                 for (i = 0; i < g->states; i++) {
2082                         struct itemset *is = g->statetab[i];
2083                         int j, prod = -1, prod_len;
2084
2085                         for (j = 0; j < is->items.cnt; j++) {
2086                                 int itm = is->items.syms[j];
2087                                 int p = item_prod(itm);
2088                                 int bp = item_dot(itm);
2089                                 struct production *pr = g->productions[p];
2090
2091                                 if (bp < pr->body_size)
2092                                         continue;
2093                                 /* This is what we reduce - choose longest */
2094                                 if (prod < 0 || prod_len < pr->body_size) {
2095                                         prod = p;
2096                                         prod_len = pr->body_size;
2097                                 }
2098                         }
2099
2100                         if (prod >= 0)
2101                                 fprintf(f, "\t[%d] = { %d, goto_%d, %d, %d, %d, %d, %d, %d },\n",
2102                                         i, is->go_to.cnt, i, prod,
2103                                         g->productions[prod]->body_size,
2104                                         g->productions[prod]->head->num,
2105                                         is->starts_line,
2106                                         g->productions[prod]->line_like,
2107                                         is->min_prefix);
2108                         else
2109                                 fprintf(f, "\t[%d] = { %d, goto_%d, -1, -1, -1, %d, 0, %d },\n",
2110                                         i, is->go_to.cnt, i,
2111                                         is->starts_line, is->min_prefix);
2112                 }
2113                 fprintf(f, "};\n\n");
2114         }
2115
2116 ### The `do_reduce` function and the code
2117
2118 When the parser engine decides to reduce a production, it calls
2119 `do_reduce` which runs the code that was included with the production,
2120 if any.
2121
2122 This code needs to be able to store data somewhere.  Rather than
2123 requiring `do_reduce` to `malloc` that "somewhere", we pass in a large
2124 buffer and have `do_reduce` return the size to be saved.
2125
2126 In order for the code to access "global" context, we pass in the
2127 "config" pointer that was passed to the parser function.  If the `struct
2128 token_config` is embedded in some larger structure, the reducing code
2129 can access the larger structure using pointer manipulation.  Performing
2130 that pointer manipulation, and any other common code or variables for
2131 all reduce actions, can be provided in code node called "reduce" which
2132 is passed around in `pre_reduce` which you might have already noticed.
2133
2134 The code fragments require translation when written out.  Any `$N` needs
2135 to be converted to a reference either to that buffer (if `$0`) or to the
2136 structure returned by a previous reduction.  These pointers need to be
2137 cast to the appropriate type for each access.  All this is handled in
2138 `gen_code`.
2139
2140 `gen_code` also allows symbol references to contain a '`<`' as in
2141 '`$<2`'.  This is particularly useful for references (or pointers), but
2142 can be used with structures too.  The `<` implies that the value is
2143 being moved out, so the object will not be automatically freed.  It is
2144 equivalent to assigning `NULL` to the pointer or filling a structure
2145 with zeros.
2146
2147 Instead of a number `N`, the `$` or `$<` can be followed by some letters
2148 and possibly a number.  A number by itself (other than zero) selects a
2149 symbol from the body of the production.  A sequence of letters selects
2150 the shortest symbol in the body which contains those letters in the
2151 given order.  If a number follows the letters, then a later occurrence
2152 of that symbol is chosen.  So "`$AB2`" will refer to the structure
2153 attached to the second occurrence of the shortest symbol which contains
2154 an `A` followed by a `B`.  If there is no unique shortest system, or if
2155 the number given is too large, then the symbol reference is not
2156 transformed, and will cause an error when the code is compiled.
2157
2158 ###### functions
2159
2160         static int textchr(struct text t, char c, int s)
2161         {
2162                 int i;
2163                 for (i = s; i < t.len; i++)
2164                         if (t.txt[i] == c)
2165                                 return i;
2166                 return -1;
2167         }
2168
2169         static int subseq_match(char *seq, int slen, struct text name)
2170         {
2171                 int st = 0;
2172                 while (slen > 0) {
2173                         st = textchr(name, *seq, st);
2174                         if (st < 0)
2175                                 return 0;
2176                         slen -= 1;
2177                         seq += 1;
2178                         st += 1;
2179                 }
2180                 return 1;
2181         }
2182
2183         static int choose_sym(char **namep, int len, struct production *p)
2184         {
2185                 char *name = *namep;
2186                 char *nam = name;
2187                 int namlen;
2188                 int n = 0;
2189                 int i, s, slen;
2190                 char c;
2191
2192                 c = *name;
2193                 while (len > 0 &&
2194                        ((c >= 'A' && c <= 'Z') || (c >= 'a' && c <= 'z'))) {
2195                         name += 1;
2196                         len -= 1;
2197                         c = *name;
2198                 }
2199                 namlen = name-nam;
2200                 while (len > 0 && (c >= '0' && c <= '9')) {
2201                         name += 1;
2202                         len -= 1;
2203                         n = n * 10 + (c - '0');
2204                         c = *name;
2205                 }
2206                 if (namlen == 0) {
2207                         if (name == *namep || n > p->body_size)
2208                                 return -1;
2209                         *namep = name;
2210                         return n;
2211                 }
2212                 slen = 0; s = -1;
2213                 for (i = 0; i < p->body_size; i++) {
2214                         if (!subseq_match(nam, namlen, p->body[i]->name))
2215                                 continue;
2216                         if (slen == 0 || p->body[i]->name.len < slen) {
2217                                 s = i;
2218                                 slen = p->body[i]->name.len;
2219                         }
2220                         if (s >= 0 && p->body[i] != p->body[s] &&
2221                             p->body[i]->name.len == p->body[s]->name.len)
2222                                 /* not unique, so s cannot be used */
2223                                 s = -1;
2224                 }
2225                 if (s < 0)
2226                         return -1;
2227                 if (n == 0)
2228                         n = 1;
2229                 for (i = 0; i < p->body_size; i++)
2230                         if (p->body[i] == p->body[s]) {
2231                                 n -= 1;
2232                                 if (n == 0)
2233                                         break;
2234                         }
2235                 if (n > 0 || i == p->body_size)
2236                         return -1;
2237                 *namep = name;
2238                 return i + 1;
2239         }
2240
2241         static void gen_code(struct production *p, FILE *f, struct grammar *g)
2242         {
2243                 char *c;
2244                 char *used = calloc(1, p->body_size);
2245                 int i;
2246
2247                 fprintf(f, "\t\t\t");
2248                 for (c = p->code.txt; c < p->code.txt + p->code.len; c++) {
2249                         int n;
2250                         int use = 0;
2251                         if (*c != '$') {
2252                                 fputc(*c, f);
2253                                 if (*c == '\n')
2254                                         fputs("\t\t\t", f);
2255                                 continue;
2256                         }
2257                         c++;
2258                         if (*c == '<') {
2259                                 use = 1;
2260                                 c++;
2261                         }
2262                         n = choose_sym(&c, p->code.txt + p->code.len - c, p);
2263                         if (n < 0) {
2264                                 fputc('$', f);
2265                                 if (use)
2266                                         fputc('<', f);
2267                                 fputc(*c, f);
2268                                 continue;
2269                         }
2270                         if (n == 0)
2271                                 fprintf(f, "(*(struct %.*s*%s)ret)",
2272                                         p->head->struct_name.len,
2273                                         p->head->struct_name.txt,
2274                                         p->head->isref ? "*":"");
2275                         else if (p->body[n-1]->type == Terminal)
2276                                 fprintf(f, "(*(struct token *)body[%d])",
2277                                         n-1);
2278                         else if (p->body[n-1]->struct_name.txt == NULL)
2279                                 fprintf(f, "$%d", n);
2280                         else {
2281                                 fprintf(f, "(*(struct %.*s*%s)body[%d])",
2282                                         p->body[n-1]->struct_name.len,
2283                                         p->body[n-1]->struct_name.txt,
2284                                         p->body[n-1]->isref ? "*":"", n-1);
2285                                 used[n-1] = use;
2286                         }
2287                         c -= 1;
2288                 }
2289                 fputs("\n", f);
2290                 for (i = 0; i < p->body_size; i++) {
2291                         if (p->body[i]->struct_name.txt &&
2292                             used[i]) {
2293                                 // assume this has been copied out
2294                                 if (p->body[i]->isref)
2295                                         fprintf(f, "\t\t*(void**)body[%d] = NULL;\n", i);
2296                                 else
2297                                         fprintf(f, "\t\tmemset(body[%d], 0, sizeof(struct %.*s));\n", i, p->body[i]->struct_name.len, p->body[i]->struct_name.txt);
2298                         }
2299                 }
2300                 free(used);
2301         }
2302
2303 ###### functions
2304
2305         static void gen_reduce(FILE *f, struct grammar *g, char *file,
2306                                struct code_node *pre_reduce)
2307         {
2308                 int i;
2309                 fprintf(f, "#line 1 \"gen_reduce\"\n");
2310                 fprintf(f, "static int do_reduce(int prod, void **body, struct token_config *config, void *ret)\n");
2311                 fprintf(f, "{\n");
2312                 fprintf(f, "\tint ret_size = 0;\n");
2313                 if (pre_reduce)
2314                         code_node_print(f, pre_reduce, file);
2315
2316                 fprintf(f, "#line 4 \"gen_reduce\"\n");
2317                 fprintf(f, "\tswitch(prod) {\n");
2318                 for (i = 0; i < g->production_count; i++) {
2319                         struct production *p = g->productions[i];
2320                         fprintf(f, "\tcase %d:\n", i);
2321
2322                         if (p->code.txt) {
2323                                 fprintf(f, "#line %d \"%s\"\n", p->code_line, file);
2324                                 gen_code(p, f, g);
2325                         }
2326
2327                         if (p->head->struct_name.txt)
2328                                 fprintf(f, "\t\tret_size = sizeof(struct %.*s%s);\n",
2329                                         p->head->struct_name.len,
2330                                         p->head->struct_name.txt,
2331                                         p->head->isref ? "*":"");
2332
2333                         fprintf(f, "\t\tbreak;\n");
2334                 }
2335                 fprintf(f, "\t}\n\treturn ret_size;\n}\n\n");
2336         }
2337
2338 ### `do_free`
2339
2340 As each non-terminal can potentially cause a different type of data
2341 structure to be allocated and filled in, we need to be able to free it when
2342 done.
2343
2344 It is particularly important to have fine control over freeing during error
2345 recovery where individual stack frames might need to be freed.
2346
2347 For this, the grammar author is required to defined a `free_XX` function for
2348 each structure that is used by a non-terminal.  `do_free` will call whichever
2349 is appropriate given a symbol number, and will call `free` (as is
2350 appropriate for tokens) on any terminal symbol.
2351
2352 ###### functions
2353
2354         static void gen_free(FILE *f, struct grammar *g)
2355         {
2356                 int i;
2357
2358                 fprintf(f, "#line 0 \"gen_free\"\n");
2359                 fprintf(f, "static void do_free(short sym, void *asn)\n");
2360                 fprintf(f, "{\n");
2361                 fprintf(f, "\tif (!asn) return;\n");
2362                 fprintf(f, "\tif (sym < %d) {\n", g->first_nonterm);
2363                 fprintf(f, "\t\tfree(asn);\n\t\treturn;\n\t}\n");
2364                 fprintf(f, "\tswitch(sym) {\n");
2365
2366                 for (i = 0; i < g->num_syms; i++) {
2367                         struct symbol *s = g->symtab[i];
2368                         if (!s ||
2369                             s->type != Nonterminal ||
2370                             s->struct_name.txt == NULL)
2371                                 continue;
2372
2373                         fprintf(f, "\tcase %d:\n", s->num);
2374                         if (s->isref) {
2375                                 fprintf(f, "\t\tfree_%.*s(*(void**)asn);\n",
2376                                         s->struct_name.len,
2377                                         s->struct_name.txt);
2378                                 fprintf(f, "\t\tfree(asn);\n");
2379                         } else
2380                                 fprintf(f, "\t\tfree_%.*s(asn);\n",
2381                                         s->struct_name.len,
2382                                         s->struct_name.txt);
2383                         fprintf(f, "\t\tbreak;\n");
2384                 }
2385                 fprintf(f, "\t}\n}\n\n");
2386         }
2387
2388 ## The main routine.
2389
2390 There are three key parts to the "main" function of parsergen: processing
2391 the arguments, loading the grammar file, and dealing with the grammar.
2392
2393 ### Argument processing.
2394
2395 Command line options allow the selection of analysis mode, name of output
2396 file, and whether or not a report should be generated.  By default we create
2397 a report only if no code output was requested.
2398
2399 The `parse_XX` function name uses the basename of the output file which
2400 should not have a suffix (`.c`).  `.c` is added to the given name for the
2401 code, and `.h` is added for the header (if header text is specifed in the
2402 grammar file).
2403
2404 ###### includes
2405         #include <getopt.h>
2406
2407 ###### declarations
2408         static const struct option long_options[] = {
2409                 { "LR0",        0, NULL, '0' },
2410                 { "LR05",       0, NULL, '5' },
2411                 { "SLR",        0, NULL, 'S' },
2412                 { "LALR",       0, NULL, 'L' },
2413                 { "LR1",        0, NULL, '1' },
2414                 { "tag",        1, NULL, 't' },
2415                 { "report",     0, NULL, 'R' },
2416                 { "output",     1, NULL, 'o' },
2417                 { NULL,         0, NULL, 0   }
2418         };
2419         const char *options = "05SL1t:Ro:";
2420
2421 ###### process arguments
2422         int opt;
2423         char *outfile = NULL;
2424         char *infile;
2425         char *name;
2426         char *tag = NULL;
2427         int report = 1;
2428         enum grammar_type type = LR05;
2429         while ((opt = getopt_long(argc, argv, options,
2430                                   long_options, NULL)) != -1) {
2431                 switch(opt) {
2432                 case '0':
2433                         type = LR0; break;
2434                 case '5':
2435                         type = LR05; break;
2436                 case 'S':
2437                         type = SLR; break;
2438                 case 'L':
2439                         type = LALR; break;
2440                 case '1':
2441                         type = LR1; break;
2442                 case 'R':
2443                         report = 2; break;
2444                 case 'o':
2445                         outfile = optarg; break;
2446                 case 't':
2447                         tag = optarg; break;
2448                 default:
2449                         fprintf(stderr, "Usage: parsergen -[05SL1R] [-t tag] [-o output] input\n");
2450                         exit(1);
2451                 }
2452         }
2453         if (optind < argc)
2454                 infile = argv[optind++];
2455         else {
2456                 fprintf(stderr, "No input file given\n");
2457                 exit(1);
2458         }
2459         if (outfile && report == 1)
2460                 report = 0;
2461         name = outfile;
2462         if (name && strchr(name, '/'))
2463                 name = strrchr(name, '/')+1;
2464
2465         if (optind < argc) {
2466                 fprintf(stderr, "Excess command line arguments\n");
2467                 exit(1);
2468         }
2469
2470 ### Loading the grammar file
2471
2472 To be able to run `mdcode` and `scanner` on the grammar we need to memory
2473 map it.
2474
2475 Once we have extracted the code (with `mdcode`) we expect to find three
2476 or four sections: header, code, grammar, reduce.
2477 Anything else that is not excluded by the `--tag` option is an error.
2478
2479 "header", "code", and "reduce" are optional, though it is hard to build
2480 a working parser without the first two.  "grammar" must be provided.
2481
2482 ###### includes
2483         #include <fcntl.h>
2484         #include <sys/mman.h>
2485         #include <errno.h>
2486
2487 ###### functions
2488         static int errs;
2489         static void pr_err(char *msg)
2490         {
2491                 errs++;
2492                 fprintf(stderr, "%s\n", msg);
2493         }
2494
2495 ###### load file
2496         struct section *table;
2497         int fd;
2498         int len;
2499         char *file;
2500         fd = open(infile, O_RDONLY);
2501         if (fd < 0) {
2502                 fprintf(stderr, "parsergen: cannot open %s: %s\n",
2503                         infile, strerror(errno));
2504                 exit(1);
2505         }
2506         len = lseek(fd, 0, 2);
2507         file = mmap(NULL, len, PROT_READ, MAP_SHARED, fd, 0);
2508         table = code_extract(file, file+len, pr_err);
2509
2510         struct code_node *hdr = NULL;
2511         struct code_node *code = NULL;
2512         struct code_node *gram = NULL;
2513         struct code_node *pre_reduce = NULL;
2514         for (s = table; s; s = s->next) {
2515                 struct text sec = s->section;
2516                 if (tag && !strip_tag(&sec, tag))
2517                         continue;
2518                 if (text_is(sec, "header"))
2519                         hdr = s->code;
2520                 else if (text_is(sec, "code"))
2521                         code = s->code;
2522                 else if (text_is(sec, "grammar"))
2523                         gram = s->code;
2524                 else if (text_is(sec, "reduce"))
2525                         pre_reduce = s->code;
2526                 else {
2527                         fprintf(stderr, "Unknown content section: %.*s\n",
2528                                 s->section.len, s->section.txt);
2529                         rv |= 2;
2530                 }
2531         }
2532
2533 ### Processing the input
2534
2535 As we need to append an extention to a filename and then open it for
2536 writing, and we need to do this twice, it helps to have a separate function.
2537
2538 ###### functions
2539
2540         static FILE *open_ext(char *base, char *ext)
2541         {
2542                 char *fn = malloc(strlen(base) + strlen(ext) + 1);
2543                 FILE *f;
2544                 strcat(strcpy(fn, base), ext);
2545                 f = fopen(fn, "w");
2546                 free(fn);
2547                 return f;
2548         }
2549
2550 If we can read the grammar, then we analyse and optionally report on it.  If
2551 the report finds conflicts we will exit with an error status.
2552
2553 ###### process input
2554         struct grammar *g = NULL;
2555         if (gram == NULL) {
2556                 fprintf(stderr, "No grammar section provided\n");
2557                 rv |= 2;
2558         } else {
2559                 g = grammar_read(gram);
2560                 if (!g) {
2561                         fprintf(stderr, "Failure to parse grammar\n");
2562                         rv |= 2;
2563                 }
2564         }
2565         if (g) {
2566                 grammar_analyse(g, type);
2567                 if (report)
2568                         if (grammar_report(g, type))
2569                                 rv |= 1;
2570         }
2571
2572 If a "headers" section is defined, we write it out and include a declaration
2573 for the `parse_XX` function so it can be used from separate code.
2574
2575         if (rv == 0 && hdr && outfile) {
2576                 FILE *f = open_ext(outfile, ".h");
2577                 if (f) {
2578                         code_node_print(f, hdr, infile);
2579                         fprintf(f, "void *parse_%s(struct code_node *code, struct token_config *config, FILE *trace);\n",
2580                                 name);
2581                         fclose(f);
2582                 } else {
2583                         fprintf(stderr, "Cannot create %s.h\n",
2584                                 outfile);
2585                         rv |= 4;
2586                 }
2587         }
2588
2589 And if all goes well and an output file was provided, we create the `.c`
2590 file with the code section (if any) and the parser tables and function.
2591
2592         if (rv == 0 && outfile) {
2593                 FILE *f = open_ext(outfile, ".c");
2594                 if (f) {
2595                         if (code)
2596                                 code_node_print(f, code, infile);
2597                         gen_parser(f, g, infile, name, pre_reduce);
2598                         fclose(f);
2599                 } else {
2600                         fprintf(stderr, "Cannot create %s.c\n",
2601                                 outfile);
2602                         rv |= 4;
2603                 }
2604         }
2605
2606 And that about wraps it up.  We need to set the locale so that UTF-8 is
2607 recognised properly, and link with `libicuuc` as `libmdcode` requires that.
2608
2609 ###### File: parsergen.mk
2610         parsergen : parsergen.o libscanner.o libmdcode.o
2611                 $(CC) $(CFLAGS) -o parsergen parsergen.o libscanner.o libmdcode.o -licuuc
2612
2613 ###### includes
2614         #include <locale.h>
2615
2616 ###### main
2617
2618         int main(int argc, char *argv[])
2619         {
2620                 struct section *s;
2621                 int rv = 0;
2622
2623                 setlocale(LC_ALL,"");
2624
2625                 ## process arguments
2626                 ## load file
2627                 ## process input
2628
2629                 return rv;
2630         }
2631
2632 ## The SHIFT/REDUCE parser
2633
2634 Having analysed the grammar and generated all the tables, we only need
2635 the shift/reduce engine to bring it all together.
2636
2637 ### Goto table lookup
2638
2639 The parser generator has nicely provided us with goto tables sorted by
2640 symbol number.  We need a binary search function to find a symbol in the
2641 table.
2642
2643 ###### parser functions
2644
2645         static int search(const struct state *l, int sym)
2646         {
2647                 int lo = 0;
2648                 int hi = l->go_to_cnt;
2649
2650                 if (hi == 0)
2651                         return -1;
2652                 while (lo + 1 < hi) {
2653                         int mid = (lo + hi) / 2;
2654                         if (l->go_to[mid].sym <= sym)
2655                                 lo = mid;
2656                         else
2657                                 hi = mid;
2658                 }
2659                 if (l->go_to[lo].sym == sym)
2660                         return l->go_to[lo].state;
2661                 else
2662                         return -1;
2663         }
2664
2665 ### Memory allocation
2666
2667 The `scanner` returns tokens in a local variable - we want them in allocated
2668 memory so they can live in the `asn_stack`.  Similarly the `asn` produced by
2669 a reduce is in a large buffer.  Both of these require some allocation and
2670 copying, hence `memdup` and `tok_copy`.
2671
2672 ###### parser includes
2673         #include <memory.h>
2674
2675 ###### parser functions
2676
2677         void *memdup(void *m, int len)
2678         {
2679                 void *ret;
2680                 if (len == 0)
2681                         return NULL;
2682                 ret = malloc(len);
2683                 memcpy(ret, m, len);
2684                 return ret;
2685         }
2686
2687         static struct token *tok_copy(struct token tk)
2688         {
2689                 struct token *new = malloc(sizeof(*new));
2690                 *new = tk;
2691                 return new;
2692         }
2693
2694 ### The state stack.
2695
2696 The core data structure for the parser is the stack.  This tracks all
2697 the symbols that have been recognised or partially recognised.
2698
2699 The stack usually won't grow very large - maybe a few tens of entries.
2700 So we dynamically grow an array as required but never bother to
2701 shrink it down again.
2702
2703 We keep the stack as two separate allocations.  One, `asn_stack` stores
2704 the "abstract syntax nodes" which are created by each reduction.  When
2705 we call `do_reduce` we need to pass an array of the `asn`s of the body
2706 of the production, and by keeping a separate `asn` stack, we can just
2707 pass a pointer into this stack.
2708
2709 The other allocation stores all other stack fields of which there are
2710 several.  The `state` is the most important one and guides the parsing
2711 process.  The `sym` is nearly unnecessary as it is implicit in the
2712 state.  However when we want to free entries from the `asn_stack`, it
2713 helps to know what type they are so we can call the right freeing
2714 function.  The symbol leads us to the right free function through
2715 `do_free`.
2716
2717 The `indents` count tracks the line indents with-in the symbol or
2718 immediately follow it.  These are used to allow indent information to
2719 guide parsing and error recovery.
2720
2721 `since_newline` tracks how many stack frames since the last
2722 start-of-line (whether indented or not).  So if `since_newline` is
2723 zero, then this symbol is at the start of a line.  Similarly
2724 `since_indent` counts the number of states since an indent, it is zero
2725 precisely when `indents` is not zero.
2726
2727 `newline_permitted` keeps track of whether newlines should be ignored
2728 or not.
2729
2730 The stack is most properly seen as alternating states and symbols -
2731 states, like the 'DOT' in items, are between symbols.  Each frame in
2732 our stack holds a state and the symbol that was before it.  The
2733 bottom of stack holds the start state but no symbol, as nothing came
2734 before the beginning.  As we need to store some value, `TK_eof` is used
2735 to mark the beginning of the file as well as the end.
2736
2737 ###### parser functions
2738
2739         struct parser {
2740                 struct frame {
2741                         short state;
2742                         short newline_permitted;
2743
2744                         short sym;
2745                         short indents;
2746                         short since_newline;
2747                         short since_indent;
2748                 } *stack;
2749                 void **asn_stack;
2750                 int stack_size;
2751                 int tos;
2752         };
2753
2754 #### Shift and pop
2755
2756 Two operations are needed on the stack - shift (which is like push) and pop.
2757
2758 Shift applies not only to terminals but also to non-terminals.  When we
2759 reduce a production we will pop off frames corresponding to the body
2760 symbols, then push on a frame for the head of the production.  This last
2761 is exactly the same process as shifting in a terminal so we use the same
2762 function for both.  In both cases we provide the symbol, the number of
2763 indents the symbol contains (which will be zero for a terminal symbol)
2764 and a flag indicating the the symbol was at (or was reduced from a
2765 symbol which was at) the start of a line.  The state is deduced from the
2766 current top-of-stack state and the new symbol.
2767
2768 To simplify other code we arrange for `shift` to fail if there is no `goto`
2769 state for the symbol.  This is useful in basic parsing due to our design
2770 that we shift when we can, and reduce when we cannot.  So the `shift`
2771 function reports if it could.
2772
2773 `shift` is also used to push state zero onto the stack, so if the
2774 stack is empty, it always chooses zero as the next state.
2775
2776 So `shift` finds the next state.  If that succeeds it extends the
2777 allocations if needed and pushes all the information onto the stacks.
2778
2779 Newlines are permitted after a `starts_line` state until an internal
2780 indent.  If the new frame has neither a `starts_line` state nor an
2781 indent, newlines are permitted if the previous stack frame permitted
2782 them.
2783
2784 ###### parser functions
2785
2786         static int shift(struct parser *p,
2787                          short sym, short indents, short start_of_line,
2788                          void *asn,
2789                          const struct state states[])
2790         {
2791                 // Push an entry onto the stack
2792                 struct frame next = {0};
2793                 int newstate = p->tos
2794                         ? search(&states[p->stack[p->tos-1].state],
2795                                  sym)
2796                         : 0;
2797                 if (newstate < 0)
2798                         return 0;
2799                 if (p->tos >= p->stack_size) {
2800                         p->stack_size += 10;
2801                         p->stack = realloc(p->stack, p->stack_size
2802                                            * sizeof(p->stack[0]));
2803                         p->asn_stack = realloc(p->asn_stack, p->stack_size
2804                                            * sizeof(p->asn_stack[0]));
2805                 }
2806                 next.sym = sym;
2807                 next.indents = indents;
2808                 next.state = newstate;
2809                 if (states[newstate].starts_line)
2810                         next.newline_permitted = 1;
2811                 else if (indents)
2812                         next.newline_permitted = 0;
2813                 else if (p->tos)
2814                         next.newline_permitted =
2815                                 p->stack[p->tos-1].newline_permitted;
2816                 else
2817                         next.newline_permitted = 0;
2818
2819                 if (!start_of_line) {
2820                         if (p->tos)
2821                                 next.since_newline = p->stack[p->tos-1].since_newline + 1;
2822                         else
2823                                 next.since_newline = 1;
2824                 }
2825                 if (indents)
2826                         next.since_indent = 0;
2827                 else if (p->tos)
2828                         next.since_indent = p->stack[p->tos-1].since_indent + 1;
2829                 else
2830                         next.since_indent = 1;
2831
2832                 p->stack[p->tos] = next;
2833                 p->asn_stack[p->tos] = asn;
2834                 p->tos++;
2835                 return 1;
2836         }
2837
2838 `pop` primarily moves the top of stack (`tos`) back down the required
2839 amount and frees any `asn` entries that need to be freed.  It also
2840 collects a summary of the indents and line starts in the symbols that
2841 are being removed. It is called _after_ we reduce a production, just
2842 before we `shift` the nonterminal in.
2843
2844 ###### parser functions
2845
2846         static int pop(struct parser *p, int num,
2847                        short *start_of_line,
2848                        void(*do_free)(short sym, void *asn))
2849         {
2850                 int i;
2851                 short indents = 0;
2852                 int sol = 0;
2853
2854                 p->tos -= num;
2855                 for (i = 0; i < num; i++) {
2856                         sol |= !p->stack[p->tos+i].since_newline;
2857                         indents += p->stack[p->tos+i].indents;
2858                         do_free(p->stack[p->tos+i].sym,
2859                                 p->asn_stack[p->tos+i]);
2860                 }
2861                 if (start_of_line)
2862                         *start_of_line = sol;
2863                 return indents;
2864         }
2865
2866 ### The heart of the parser.
2867
2868 Now we have the parser.  For each token we might shift it, trigger a
2869 reduction, or start error handling.  2D tokens (IN, OUT, EOL) also need
2870 to be handled.
2871
2872 We return whatever `asn` was returned by reducing production zero.
2873
2874 If we can neither shift nor reduce we have an error to handle.  We pop
2875 single entries off the stack until we can shift the `TK_error` symbol,
2876 then drop input tokens until we find one we can shift into the new error
2877 state.  We need to ensure that something is dropped or shifted after an
2878 error, or we could get into an infinite loop, only shifting in
2879 `TK_error`, then reducing.  So we track if there has been a shift since
2880 the last error, and if not the next error always discards one token.
2881
2882 When we find `TK_in` and `TK_out` tokens which report indents we need
2883 to handle them directly as the grammar cannot express what we want to
2884 do with them.
2885
2886 `TK_in` tokens are easy: we simply update indent count in the top stack frame to
2887 record how many indents there are following the previous token.
2888
2889 `TK_out` tokens must be canceled against an indent count
2890 within the stack.  If we can reduce some symbols that are all since
2891 the most recent indent, then we do that first.  If the minimum prefix
2892 of the current state then extends back before the most recent indent,
2893 that indent can be cancelled.  If the minimum prefix is shorter then
2894 the indent had ended prematurely and we must start error handling, which
2895 is still a work-in-progress.
2896
2897 `TK_newline` tokens are ignored unless the top stack frame records
2898 that they are permitted.  In that case they will not be considered for
2899 shifting if it is possible to reduce some symbols that are all since
2900 the most recent start of line.  This is how a newline forcibly
2901 terminates any line-like structure - we try to reduce down to at most
2902 one symbol for each line where newlines are allowed.
2903 A consequence of this is that a rule like
2904
2905 ###### Example: newlines - broken
2906
2907         Newlines ->
2908                 | NEWLINE Newlines
2909         IfStatement -> Newlines if ....
2910
2911 cannot work, as the NEWLINE will never be shifted as the empty string
2912 will be reduced first.  Optional sets of newlines need to be include
2913 in the thing that preceed:
2914
2915 ###### Example: newlines - works
2916
2917         If -> if
2918                 | NEWLINE If
2919         IfStatement -> If ....
2920
2921 Here the NEWLINE will be shifted because nothing can be reduced until
2922 the `if` is seen.
2923
2924 When during error handling we discard tokens read in, we want to keep
2925 discarding until we see one that is recognised.  If we had a full set
2926 of LR(1) grammar states, this would mean looking in the look-ahead set,
2927 but we don't keep a full look-ahead set.  We only record the subset
2928 that leads to SHIFT.  We can, however, deduce the look-ahead set by
2929 looking at the SHIFT subsets for all states that we can get to by
2930 reducing zero or more times.  So we need a little function which
2931 checks if a given token is in any of these look-ahead sets.
2932
2933 ###### parser includes
2934         #include "parser.h"
2935
2936 ###### parser_run
2937
2938         static int in_lookahead(struct token *tk, const struct state *states, int state)
2939         {
2940                 while (state >= 0) {
2941                         if (search(&states[state], tk->num) >= 0)
2942                                 return 1;
2943                         if (states[state].reduce_prod < 0)
2944                                 return 0;
2945                         state = search(&states[state], states[state].reduce_sym);
2946                 }
2947                 return 0;
2948         }
2949
2950         void *parser_run(struct token_state *tokens,
2951                          const struct state states[],
2952                          int (*do_reduce)(int, void**, struct token_config*, void*),
2953                          void (*do_free)(short, void*),
2954                          FILE *trace, const char *non_term[],
2955                          struct token_config *config)
2956         {
2957                 struct parser p = { 0 };
2958                 struct token *tk = NULL;
2959                 int accepted = 0;
2960                 int shift_since_err = 1;
2961                 void *ret = NULL;
2962
2963                 shift(&p, TK_eof, 0, 1, NULL, states);
2964                 while (!accepted && p.tos > 0) {
2965                         struct token *err_tk;
2966                         struct frame *tos = &p.stack[p.tos-1];
2967                         if (!tk)
2968                                 tk = tok_copy(token_next(tokens));
2969                         parser_trace(trace, &p,
2970                                      tk, states, non_term, config->known_count);
2971
2972                         if (tk->num == TK_in) {
2973                                 tos->indents += 1;
2974                                 tos->since_newline = 0;
2975                                 tos->since_indent = 0;
2976                                 if (!states[tos->state].starts_line)
2977                                         tos->newline_permitted = 0;
2978                                 free(tk);
2979                                 tk = NULL;
2980                                 parser_trace_action(trace, "Record");
2981                                 continue;
2982                         }
2983                         if (tk->num == TK_out) {
2984                                 if (states[tos->state].reduce_size >= 0 &&
2985                                     states[tos->state].reduce_size <= tos->since_indent)
2986                                         goto force_reduce;
2987                                 if (states[tos->state].min_prefix >= tos->since_indent) {
2988                                         // OK to cancel
2989                                         struct frame *in = tos - tos->since_indent;
2990                                         in->indents -= 1;
2991                                         if (in->indents == 0) {
2992                                                 /* Reassess since_indent and newline_permitted */
2993                                                 if (in > p.stack) {
2994                                                         in->since_indent = in[-1].since_indent + 1;
2995                                                         in->newline_permitted = in[-1].newline_permitted;
2996                                                 } else {
2997                                                         in->since_indent = 0;
2998                                                         in->newline_permitted = 0;
2999                                                 }
3000                                                 if (states[in->state].starts_line)
3001                                                         in->newline_permitted = 1;
3002                                                 while (in < tos) {
3003                                                         in += 1;
3004                                                         in->since_indent = in[-1].since_indent + 1;
3005                                                         if (states[in->state].starts_line)
3006                                                                 in->newline_permitted = 1;
3007                                                         else
3008                                                                 in->newline_permitted = in[-1].newline_permitted;
3009                                                 }
3010                                         }
3011                                         free(tk);
3012                                         tk = NULL;
3013                                         parser_trace_action(trace, "Cancel");
3014                                         continue;
3015                                 }
3016                                 // fall through to error handling as both SHIFT and REDUCE
3017                                 // will fail.
3018                         }
3019                         if (tk->num == TK_newline) {
3020                                 if (!tos->newline_permitted) {
3021                                         free(tk);
3022                                         tk = NULL;
3023                                         parser_trace_action(trace, "Discard");
3024                                         continue;
3025                                 }
3026                                 if (tos->since_newline > 1 &&
3027                                     states[tos->state].reduce_size >= 0 &&
3028                                     states[tos->state].reduce_size <= tos->since_newline)
3029                                         goto force_reduce;
3030                         }
3031                         if (shift(&p, tk->num, 0, tk->num == TK_newline, tk, states)) {
3032                                 shift_since_err = 1;
3033                                 tk = NULL;
3034                                 parser_trace_action(trace, "Shift");
3035                                 continue;
3036                         }
3037                 force_reduce:
3038                         if (states[tos->state].reduce_prod >= 0 &&
3039                             states[tos->state].newline_only &&
3040                             !(tk->num == TK_newline ||
3041                               tk->num == TK_eof ||
3042                               tk->num == TK_out ||
3043                               (tos->indents == 0 && tos->since_newline == 0))) {
3044                                 /* Anything other than newline or out or eof
3045                                  * in an error unless we are already at start
3046                                  * of line, as this production must end at EOL.
3047                                  */
3048                         } else if (states[tos->state].reduce_prod >= 0) {
3049                                 void **body;
3050                                 void *res;
3051                                 const struct state *nextstate = &states[tos->state];
3052                                 int prod = nextstate->reduce_prod;
3053                                 int size = nextstate->reduce_size;
3054                                 int bufsize;
3055                                 static char buf[16*1024];
3056                                 short indents, start_of_line;
3057
3058                                 body = p.asn_stack + (p.tos - size);
3059
3060                                 bufsize = do_reduce(prod, body, config, buf);
3061
3062                                 indents = pop(&p, size, &start_of_line,
3063                                               do_free);
3064                                 res = memdup(buf, bufsize);
3065                                 memset(buf, 0, bufsize);
3066                                 if (!shift(&p, nextstate->reduce_sym,
3067                                            indents, start_of_line,
3068                                            res, states)) {
3069                                         if (prod != 0) abort();
3070                                         accepted = 1;
3071                                         ret = res;
3072                                 }
3073                                 parser_trace_action(trace, "Reduce");
3074                                 continue;
3075                         }
3076                         /* Error. We walk up the stack until we
3077                          * find a state which will accept TK_error.
3078                          * We then shift in TK_error and see what state
3079                          * that takes us too.
3080                          * Then we discard input tokens until
3081                          * we find one that is acceptable.
3082                          */
3083                         parser_trace_action(trace, "ERROR");
3084                         short indents = 0, start_of_line;
3085
3086                         err_tk = tok_copy(*tk);
3087                         while (p.tos > 0 &&
3088                                shift(&p, TK_error, 0, 0,
3089                                      err_tk, states) == 0)
3090                                 // discard this state
3091                                 indents += pop(&p, 1, &start_of_line, do_free);
3092                         if (p.tos == 0) {
3093                                 free(err_tk);
3094                                 // no state accepted TK_error
3095                                 break;
3096                         }
3097                         if (!shift_since_err) {
3098                                 /* must discard at least one token to avoid
3099                                  * infinite loop.
3100                                  */
3101                                 if (tk->num == TK_eof)
3102                                         break;
3103                                 free(tk);
3104                                 tk = tok_copy(token_next(tokens));
3105                         }
3106                         shift_since_err = 0;
3107                         tos = &p.stack[p.tos-1];
3108                         while (!in_lookahead(tk, states, tos->state) &&
3109                                tk->num != TK_eof) {
3110                                 free(tk);
3111                                 tk = tok_copy(token_next(tokens));
3112                                 shift_since_err = 1;
3113                                 if (tk->num == TK_in)
3114                                         indents += 1;
3115                                 if (tk->num == TK_out) {
3116                                         if (indents == 0)
3117                                                 break;
3118                                         indents -= 1;
3119                                         // FIXME update since_indent here
3120                                 }
3121                         }
3122                         tos->indents += indents;
3123                 }
3124                 free(tk);
3125                 pop(&p, p.tos, NULL, do_free);
3126                 free(p.asn_stack);
3127                 free(p.stack);
3128                 return ret;
3129         }
3130
3131 ###### exported functions
3132         void *parser_run(struct token_state *tokens,
3133                          const struct state states[],
3134                          int (*do_reduce)(int, void**, struct token_config*, void*),
3135                          void (*do_free)(short, void*),
3136                          FILE *trace, const char *non_term[],
3137                          struct token_config *config);
3138
3139 ### Tracing
3140
3141 Being able to visualize the parser in action can be invaluable when
3142 debugging the parser code, or trying to understand how the parse of a
3143 particular grammar progresses.  The stack contains all the important
3144 state, so just printing out the stack every time around the parse loop
3145 can make it possible to see exactly what is happening.
3146
3147 This doesn't explicitly show each SHIFT and REDUCE action.  However they
3148 are easily deduced from the change between consecutive lines, and the
3149 details of each state can be found by cross referencing the states list
3150 in the stack with the "report" that parsergen can generate.
3151
3152 For terminal symbols, we just dump the token.  For non-terminals we
3153 print the name of the symbol.  The look ahead token is reported at the
3154 end inside square brackets.
3155
3156 ###### parser functions
3157
3158         static char *reserved_words[] = {
3159                 [TK_error]        = "ERROR",
3160                 [TK_in]           = "IN",
3161                 [TK_out]          = "OUT",
3162                 [TK_newline]      = "NEWLINE",
3163                 [TK_eof]          = "$eof",
3164         };
3165         static void parser_trace_state(FILE *trace, struct frame *f, const struct state states[])
3166         {
3167                 fprintf(trace, "(%d", f->state);
3168                 if (states[f->state].starts_line)
3169                         fprintf(trace, "s");
3170                 if (f->newline_permitted)
3171                         fprintf(trace, "n%d", f->since_newline);
3172                 fprintf(trace, ") ");
3173         }
3174
3175         void parser_trace(FILE *trace, struct parser *p,
3176                           struct token *tk, const struct state states[],
3177                           const char *non_term[], int knowns)
3178         {
3179                 int i;
3180                 if (!trace)
3181                         return;
3182                 for (i = 0; i < p->tos; i++) {
3183                         struct frame *f = &p->stack[i];
3184                         if (i) {
3185                                 int sym = f->sym;
3186                                 if (sym < TK_reserved &&
3187                                     reserved_words[sym] != NULL)
3188                                         fputs(reserved_words[sym], trace);
3189                                 else if (sym < TK_reserved + knowns) {
3190                                         struct token *t = p->asn_stack[i];
3191                                         text_dump(trace, t->txt, 20);
3192                                 } else
3193                                         fputs(non_term[sym - TK_reserved - knowns],
3194                                               trace);
3195                                 if (f->indents)
3196                                         fprintf(trace, ".%d", f->indents);
3197                                 if (f->since_newline == 0)
3198                                         fputs("/", trace);
3199                                 fputs(" ", trace);
3200                         }
3201                         parser_trace_state(trace, f, states);
3202                 }
3203                 fprintf(trace, "[");
3204                 if (tk->num < TK_reserved &&
3205                     reserved_words[tk->num] != NULL)
3206                         fputs(reserved_words[tk->num], trace);
3207                 else
3208                         text_dump(trace, tk->txt, 20);
3209                 fprintf(trace, ":%d:%d]", tk->line, tk->col);
3210         }
3211
3212         void parser_trace_action(FILE *trace, char *action)
3213         {
3214                 if (trace)
3215                         fprintf(trace, " - %s\n", action);
3216         }
3217
3218 # A Worked Example
3219
3220 The obvious example for a parser is a calculator.
3221
3222 As `scanner` provides number parsing function using `libgmp` it is not much
3223 work to perform arbitrary rational number calculations.
3224
3225 This calculator takes one expression, or an equality test, per line.
3226 The results are printed and if any equality test fails, the program
3227 exits with an error.
3228
3229 ###### File: parsergen.mk
3230         calc.c calc.h : parsergen parsergen.mdc
3231                 ./parsergen --tag calc -o calc parsergen.mdc
3232         calc : calc.o libparser.o libscanner.o libmdcode.o libnumber.o
3233                 $(CC) $(CFLAGS) -o calc calc.o libparser.o libscanner.o libmdcode.o libnumber.o -licuuc -lgmp
3234         calctest : calc
3235                 ./calc parsergen.mdc
3236         demos :: calctest
3237
3238 # calc: header
3239
3240         #include "parse_number.h"
3241         // what do we use for a demo-grammar?  A calculator of course.
3242         struct number {
3243                 mpq_t val;
3244                 char tail[2];
3245                 int err;
3246         };
3247
3248 # calc: code
3249
3250         #include <stdlib.h>
3251         #include <unistd.h>
3252         #include <fcntl.h>
3253         #include <sys/mman.h>
3254         #include <stdio.h>
3255         #include <malloc.h>
3256         #include <gmp.h>
3257         #include <string.h>
3258         #include "mdcode.h"
3259         #include "scanner.h"
3260         #include "parser.h"
3261
3262         #include "calc.h"
3263
3264         static void free_number(struct number *n)
3265         {
3266                 mpq_clear(n->val);
3267                 free(n);
3268         }
3269
3270         static int text_is(struct text t, char *s)
3271         {
3272                 return (strlen(s) == t.len &&
3273                         strncmp(s, t.txt, t.len) == 0);
3274         }
3275
3276         int main(int argc, char *argv[])
3277         {
3278                 int fd = open(argv[1], O_RDONLY);
3279                 int len = lseek(fd, 0, 2);
3280                 char *file = mmap(NULL, len, PROT_READ, MAP_SHARED, fd, 0);
3281                 struct section *table = code_extract(file, file+len, NULL);
3282                 struct section *s;
3283                 struct token_config config = {
3284                         .ignored = (1 << TK_line_comment)
3285                                  | (1 << TK_in)
3286                                  | (1 << TK_out),
3287                         .number_chars = ".,_+-",
3288                         .word_start = "",
3289                         .word_cont = "",
3290                 };
3291                 for (s = table; s; s = s->next)
3292                         if (text_is(s->section, "example: input"))
3293                                 parse_calc(s->code, &config, argc > 2 ? stderr : NULL);
3294                 while (table) {
3295                         struct section *t = table->next;
3296                         code_free(table->code);
3297                         free(table);
3298                         table = t;
3299                 }
3300                 exit(0);
3301         }
3302
3303 # calc: grammar
3304
3305         $LEFT + -
3306         $LEFT * / //
3307
3308         Session -> Session Line
3309                 | Line
3310
3311         Line -> Expression NEWLINE ${ gmp_printf("Answer = %Qd\n", $1.val);
3312                                         { mpf_t fl; mpf_init2(fl, 20); mpf_set_q(fl, $1.val);
3313                                         gmp_printf("  or as a decimal: %Fg\n", fl);
3314                                         mpf_clear(fl);
3315                                         }
3316                                      }$
3317                 | Expression = Expression NEWLINE ${
3318                         if (mpq_equal($1.val, $3.val))
3319                                 gmp_printf("Both equal %Qd\n", $1.val);
3320                         else {
3321                                 gmp_printf("NOT EQUAL: %Qd\n      != : %Qd\n",
3322                                         $1.val, $3.val);
3323                                 exit(1);
3324                         }
3325                 }$
3326                 | NEWLINE ${ printf("Blank line\n"); }$
3327                 | ERROR NEWLINE ${ printf("Skipped a bad line\n"); }$
3328
3329         $number
3330         Expression -> Expression + Expression ${ mpq_init($0.val); mpq_add($0.val, $1.val, $3.val); }$
3331                 | Expression - Expression ${ mpq_init($0.val); mpq_sub($0.val, $1.val, $3.val); }$
3332                 | Expression * Expression ${ mpq_init($0.val); mpq_mul($0.val, $1.val, $3.val); }$
3333                 | Expression / Expression ${ mpq_init($0.val); mpq_div($0.val, $1.val, $3.val); }$
3334                 | Expression // Expression ${ {
3335                         mpz_t z0, z1, z2;
3336                         mpq_init($0.val);
3337                         mpz_init(z0); mpz_init(z1); mpz_init(z2);
3338                         mpz_tdiv_q(z1, mpq_numref($1.val), mpq_denref($1.val));
3339                         mpz_tdiv_q(z2, mpq_numref($3.val), mpq_denref($3.val));
3340                         mpz_tdiv_q(z0, z1, z2);
3341                         mpq_set_z($0.val, z0);
3342                         mpz_clear(z0); mpz_clear(z1); mpz_clear(z2);
3343                 } }$
3344                 | NUMBER ${ if (number_parse($0.val, $0.tail, $1.txt) == 0) mpq_init($0.val); }$
3345                 | ( Expression ) ${ mpq_init($0.val); mpq_set($0.val, $2.val); }$
3346
3347 # example: input
3348
3349         355/113
3350         3.1415926535 - 355/113
3351         2 + 4 * 5
3352         1 + 2 + 3 + 4 + 5 + 6 + 7 + 8 + 9
3353         10 * 9 / 2
3354         1 * 1000 + 2 * 100 + 3 * 10 + 4 * 1
3355
3356         355//113
3357
3358         error