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