Improvments to chapter 2.
[external/ragel.git] / doc / ragel-guide.tex
1 %
2 %   Copyright 2001-2007 Adrian Thurston <thurston@cs.queensu.ca>
3 %
4
5 %   This file is part of Ragel.
6 %
7 %   Ragel is free software; you can redistribute it and/or modify
8 %   it under the terms of the GNU General Public License as published by
9 %   the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or
10 %   (at your option) any later version.
11 %
12 %   Ragel is distributed in the hope that it will be useful,
13 %   but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
14 %   MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
15 %   GNU General Public License for more details.
16 %
17 %   You should have received a copy of the GNU General Public License
18 %   along with Ragel; if not, write to the Free Software
19 %   Foundation, Inc., 59 Temple Place, Suite 330, Boston, MA  02111-1307  USA 
20
21 % TODO: Need a section on the different strategies for handline recursion.
22
23 \documentclass[letterpaper,11pt,oneside]{book}
24 \usepackage{graphicx}
25 \usepackage{comment}
26 \usepackage{multicol}
27
28 \topmargin -0.20in
29 \oddsidemargin 0in
30 \textwidth 6.5in
31 \textheight 9in
32
33 \setlength{\parskip}{0pt}
34 \setlength{\topsep}{0pt}
35 \setlength{\partopsep}{0pt}
36 \setlength{\itemsep}{0pt}
37
38 \input{version}
39
40 \newcommand{\verbspace}{\vspace{10pt}}
41 \newcommand{\graphspace}{\vspace{10pt}}
42
43 \renewcommand\floatpagefraction{.99}
44 \renewcommand\topfraction{.99}
45 \renewcommand\bottomfraction{.99}
46 \renewcommand\textfraction{.01}   
47 \setcounter{totalnumber}{50}
48 \setcounter{topnumber}{50}
49 \setcounter{bottomnumber}{50}
50
51 \newenvironment{inline_code}{\def\baselinestretch{1}\vspace{12pt}\small}{}
52
53 \begin{document}
54
55 %
56 % Title page
57 %
58 \thispagestyle{empty}
59 \begin{center}
60 \vspace*{3in}
61 {\huge Ragel State Machine Compiler}\\
62 \vspace*{12pt}
63 {\Large User Guide}\\
64 \vspace{1in}
65 by\\
66 \vspace{12pt}
67 {\large Adrian Thurston}\\
68 \end{center}
69 \clearpage
70
71 \pagenumbering{roman}
72
73 %
74 % License page
75 %
76 \chapter*{License}
77 Ragel version \version, \pubdate\\
78 Copyright \copyright\ 2003-2007 Adrian Thurston
79 \vspace{6mm}
80
81 {\bf\it\noindent This document is part of Ragel, and as such, this document is
82 released under the terms of the GNU General Public License as published by the
83 Free Software Foundation; either version 2 of the License, or (at your option)
84 any later version.}
85
86 \vspace{5pt}
87
88 {\bf\it\noindent Ragel is distributed in the hope that it will be useful, but
89 WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of MERCHANTABILITY or
90 FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU General Public License for more
91 details.}
92
93 \vspace{5pt}
94
95 {\bf\it\noindent You should have received a copy of the GNU General Public
96 License along with Ragel; if not, write to the Free Software Foundation, Inc.,
97 59 Temple Place, Suite 330, Boston, MA  02111-1307  USA}
98
99 %
100 % Table of contents
101 %
102 \clearpage
103 \tableofcontents
104 \clearpage
105
106 %
107 % Chapter 1
108 %
109
110 \pagenumbering{arabic}
111
112 \chapter{Introduction}
113
114 \section{Abstract}
115
116 Regular expressions are used heavily in practice for the purpose of specifying
117 parsers. They are normally used as black boxes linked together with program
118 logic.  User actions are executed in between invocations of the regular
119 expression engine. Adding actions before a pattern terminates requires patterns
120 to be broken and pasted back together with program logic. The more user actions
121 are needed, the less the advantages of regular expressions are seen. 
122
123 Ragel is a software development tool that allows user actions to be 
124 embedded into the transitions of a regular expression's corresponding state
125 machine, eliminating the need to switch from the regular expression engine and
126 user code execution environment and back again. As a result, expressions can be
127 maximally continuous.  One is free to specify an entire parser using a single
128 regular expression.  The single-expression model affords concise and elegant
129 descriptions of languages and the generation of very simple, fast and robust
130 code.  Ragel compiles executable finite state machines from a high level regular language
131 notation. Ragel targets C, C++, Objective-C, D, Java and Ruby.
132
133 In addition to building state machines from regular expressions, Ragel allows
134 the programmer to directly specify state machines with state charts. These two
135 notations may be freely combined. There are also facilities for controlling
136 nondeterminism in the resulting machines and building scanners using patterns
137 that themselves have embedded actions. Ragel can produce code that is small and
138 runs very fast. Ragel can handle integer-sized alphabets and can compile very
139 large state machines.
140
141 \section{Motivation}
142
143 When a programmer is faced with the task of producing a parser for a
144 context-free language there are many tools to choose from. It is quite common
145 to generate useful and efficient parsers for programming languages from a
146 formal grammar. It is also quite common for programmers to avoid such tools
147 when making parsers for simple computer languages, such as file formats and
148 communication protocols.  Such languages are often regular and tools for
149 processing the context-free languages are viewed as too heavyweight for the
150 purpose of parsing regular languages. The extra run-time effort required for
151 supporting the recursive nature of context-free languages is wasted.
152
153 When we turn to the regular expression-based parsing tools, such as Lex, Re2C,
154 and scripting languages such as Sed, Awk and Perl we find that they are split
155 into two levels: a regular expression matching engine and some kind of program
156 logic for linking patterns together.  For example, a Lex program is composed of
157 sets of regular expressions. The implied program logic repeatedly attempts to
158 match a pattern in the current set. When a match is found the associated user
159 code executed. It requires the user to consider a language as a sequence of
160 independent tokens. Scripting languages and regular expression libraries allow
161 one to link patterns together using arbitrary program code.  This is very
162 flexible and powerful, however we can be more concise and clear if we avoid
163 gluing together regular expressions with if statements and while loops.
164
165 This model of execution, where the runtime alternates between regular
166 expression matching and user code exectution places restrictions on when
167 action code may be executed. Since action code can only be associated with
168 complete patterns, any action code that must be executed before an entire
169 pattern is matched requires that the pattern be broken into smaller units.
170 Instead of being forced to disrupt the regular expression syntax and write
171 smaller expressions, it is desirable to retain a single expression and embed
172 code for performing actions directly into the transitions that move over the
173 characters. After all, capable programmers are astutely aware of the machinery
174 underlying their programs, so why not provide them with access to that
175 machinery? To achieve this we require an action execution model for associating
176 code with the sub-expressions of a regular expression in a way that does not
177 disrupt its syntax.
178
179 The primary goal of Ragel is to provide developers with an ability to embed
180 actions into the transitions and states of a regular expression's state machine
181 in support of the definition of entire parsers or large sections of parsers
182 using a single regular expression.  From the regular expression we gain a clear
183 and concise statement of our language. From the state machine we obtain a very
184 fast and robust executable that lends itself to many kinds of analysis and
185 visualization.
186
187 \section{Overview}
188
189 Ragel is a language for specifying state machines. The Ragel program is a
190 compiler that assembles a state machine definition to executable code.  Ragel
191 is based on the principle that any regular language can be converted to a
192 deterministic finite state automaton. Since every regular language has a state
193 machine representation and vice versa, the terms regular language and state
194 machine (or just machine) will be used interchangeably in this document.
195
196 Ragel outputs machines to C, C++, Objective-C, D, Java or Ruby code. The output is
197 designed to be generic and is not bound to any particular input or processing
198 method. A Ragel machine expects to have data passed to it in buffer blocks.
199 When there is no more input, the machine can be queried for acceptance.  In
200 this way, a Ragel machine can be used to simply recognize a regular language
201 like a regular expression library. By embedding code into the regular language,
202 a Ragel machine can also be used to parse input.
203
204 The Ragel language has many operators for constructing and manipulating
205 machines. Machines are built up from smaller machines, to bigger ones, to the
206 final machine representing the language that needs to be recognized or parsed.
207
208 The core state machine construction operators are those found in most theory
209 of computation textbooks. They date back to the 1950s and are widely studied.
210 They are based on set operations and permit one to think of languages as a set
211 of strings. They are Union, Intersection, Difference, Concatenation and Kleene
212 Star. Put together, these operators make up what most people know as regular
213 expressions. Ragel also provides a scanner construction operator 
214 and provides operators for explicitly constructing machines
215 using a state chart method. In the state chart method, one joins machines
216 together without any implied transitions and then explicitly specifies where
217 epsilon transitions should be drawn.
218
219 The state machine manipulation operators are specific to Ragel. They allow the
220 programmer to access the states and transitions of regular language's
221 corresponding machine. There are two uses of the manipulation operators. The
222 first and primary use is to embed code into transitions and states, allowing
223 the programmer to specify the actions of the state machine.
224
225 Ragel attempts to make the action embedding facility as intuitive as possible.
226 To do so, a number of issues need to be addressed.  For example, when making a
227 nondeterministic specification into a DFA using machines that have embedded
228 actions, new transitions are often made that have the combined actions of
229 several source transitions. Ragel ensures that multiple actions associated with
230 a single transition are ordered consistently with respect to the order of
231 reference and the natural ordering implied by the construction operators.
232
233 The second use of the manipulation operators is to assign priorities to
234 transitions. Priorities provide a convenient way of controlling any
235 nondeterminism introduced by the construction operators. Suppose two
236 transitions leave from the same state and go to distinct target states on the
237 same character. If these transitions are assigned conflicting priorities, then
238 during the determinization process the transition with the higher priority will
239 take precedence over the transition with the lower priority. The lower priority
240 transition gets abandoned. The transitions would otherwise be combined into a new
241 transition that goes to a new state that is a combination of the original
242 target states. Priorities are often required for segmenting machines. The most
243 common uses of priorities have been encoded into a set of simple operators
244 that should be used instead of priority embeddings whenever possible.
245
246 For the purposes of embedding, Ragel divides transitions and states into
247 different classes. There are four operators for embedding actions and
248 priorities into the transitions of a state machine. It is possible to embed
249 into entering transitions, finishing transitions, all transitions and pending out
250 transitions.  The embedding of pending out transitions is a special case.
251 These transition embeddings get stored in the final states of a machine.  They
252 are transferred to any transitions that are made going out of the machine by
253 a concatenation or kleene star operation.
254
255 There are several more operators for embedding actions into states. Like the
256 transition embeddings, there are various different classes of states that the
257 embedding operators access. For example, one can access start states, final
258 states or all states, among others. Unlike the transition embeddings, there are
259 several different types of state action embeddings. These are executed at
260 various different times during the processing of input. It is possible to embed
261 actions that are exectued on transitions into a state, on transitions out of a
262 state, on transitions taken on the error event, or on transitions taken on the
263 EOF event.
264
265 Within actions, it is possible to influence the behaviour of the state machine.
266 The user can write action code that jumps or calls to another portion of the
267 machine, changes the current character being processed, or breaks out of the
268 processing loop. With the state machine calling feature Ragel can be used to
269 parse languages that are not regular. For example, one can parse balanced
270 parentheses by calling into a parser when an open parenthesis character is seen
271 and returning to the state on the top of the stack when the corresponding
272 closing parenthesis character is seen. More complicated context-free languages
273 such as expressions in C are out of the scope of Ragel. 
274
275 Ragel also provides a scanner construction operator that can be used to build
276 scanners much the same way that Lex is used. The Ragel generated code, which
277 relies on user-defined variables for backtracking, repeatedly tries to match
278 patterns to the input, favouring longer patterns over shorter ones and patterns
279 that appear ahead of others when the lengths of the possible matches are
280 identical. When a pattern is matched the associated action is executed. 
281
282 The key distinguishing feature between scanners in Ragel and scanners in Lex is
283 that Ragel patterns may be arbitrary Ragel expressions and can therefore
284 contain embedded code. With a Ragel-based scanner the user need not wait until
285 the end of a pattern before user code can be executed.
286
287 Scanners do take Ragel out of the domain of pure state machines and require the
288 user to maintain the backtracking related variables.  However, scanners
289 integrate well with regular state machine instantiations. They can be called to
290 or jumped to only when needed, or they can be called out of or jumped out of
291 when a simpler, pure state machine model is appropriate.
292
293 Two types of output code style are available. Ragel can produce a table-driven
294 machine or a directly executable machine. The directly executable machine is
295 much faster than the table-driven. On the other hand, the table-driven machine
296 is more compact and less demanding on the host language compiler. It is better
297 suited to compiling large state machines.
298
299 \section{Related Work}
300
301 Lex is perhaps the best-known tool for constructing parsers from regular
302 expressions. In the Lex processing model, generated code attempts to match one
303 of the user's regular expression patterns, favouring longer matches over
304 shorter ones. Once a match is made it then executes the code associated with
305 the pattern and consumes the matching string.  This process is repeated until
306 the input is fully consumed. 
307
308 Through the use of start conditions, related sets of patterns may be defined.
309 The active set may be changed at any time.  This allows the user to define
310 different lexical regions. It also allows the user to link patterns together by
311 requiring that some patterns come before others.  This is quite like a
312 concatenation operation. However, use of Lex for languages that require a
313 considerable amount of pattern concatenation is inappropriate. In such cases a
314 Lex program deteriorates into a manually specified state machine, where start
315 conditions define the states and pattern actions define the transitions.  Lex
316 is therefore best suited to parsing tasks where the language to be parsed can
317 be described in terms of regions of tokens. 
318
319 Lex is useful in many scenarios and has undoubtedly stood the test of time.
320 There are, however, several drawbacks to using Lex.  Lex can impose too much
321 overhead for parsing applications where buffering is not required because all
322 the characters are available in a single string.  In these cases there is
323 structure to the language to be parsed and a parser specification tool can
324 help, but employing a heavyweight processing loop that imposes a stream
325 ``pull'' model and dynamic input buffer allocation is inappropriate.  An
326 example of this kind of scenario is the conversion of floating point numbers
327 contained in a string to their corresponding numerical values.
328
329 Another drawback is the very issue that Ragel attempts to solve.
330 It is not possible to execute a user action while
331 matching a character contained inside a pattern. For example, if scanning a
332 programming language and string literals can contain newlines which must be
333 counted, a Lex user must break up a string literal pattern so as to associate
334 an action with newlines. This forces the definition of a new start condition.
335 Alternatively the user can reprocess the text of the matched string literal to
336 count newlines. 
337
338 \begin{comment}
339 How ragel is different from Lex.
340
341 %Like Re2c, Ragel provides a simple execution model that does not make any
342 %assumptions as to how the input is collected.  Also, Ragel does not do any
343 %buffering in the generated code. Consequently there are no dependencies on
344 %external functions such as \verb|malloc|. 
345
346 %If buffering is required it can be manually implemented by embedding actions
347 %that copy the current character to a buffer, or data can be passed to the
348 %parser using known block boundaries. If the longest-match operator is used,
349 %Ragel requires the user to ensure that the ending portion of the input buffer
350 %is preserved when the buffer is exhaused before a token is fully matched. The
351 %user should move the token prefix to a new memory location, such as back to the
352 %beginning of the input buffer, then place the subsequently read input
353 %immediately after the prefix.
354
355 %These properties of Ragel make it more work to write a program that requires
356 %the longest-match operator or buffering of input, however they make Ragel a
357 %more flexible tool that can produce very simple and fast-running programs under
358 %a variety of input acquisition arrangements.
359
360 %In Ragel, it is not necessary
361 %to introduce start conditions to concatenate tokens and retain action
362 %execution. Ragel allows one to structure a parser as a series of tokens, but
363 %does not require it.
364
365 %Like Lex and Re2C, Ragel is able to process input using a longest-match
366 %execution model, however the core of the Ragel language specifies parsers at a
367 %much lower level. This core is built around a pure state machine model. When
368 %building basic machines there is no implied algorithm for processing input
369 %other than to move from state to state on the transitions of the machine. This
370 %core of pure state machine operations makes Ragel well suited to handling
371 %parsing problems not based on token scanning. Should one need to use a
372 %longest-match model, the functionality is available and the lower level state
373 %machine construction facilities can be used to specify the patterns of a
374 %longest-match machine.
375
376 %This is not possible in Ragel. One can only program
377 %a longest-match instantiation with a fixed set of rules. One can jump to
378 %another longest-match machine that employs the same machine definitions in the
379 %construction of its rules, however no states will be shared.
380
381 %In Ragel, input may be re-parsed using a
382 %different machine, but since the action to be executed is associated with
383 %transitions of the compiled state machine, the longest-match construction does
384 %not permit a single rule to be excluded from the active set. It cannot be done
385 %ahead of time nor in the excluded rule's action.
386 \end{comment}
387
388 The Re2C program defines an input processing model similar to that of Lex.
389 Re2C focuses on making generated state machines run very fast and
390 integrate easily into any program, free of dependencies.  Re2C generates
391 directly executable code and is able to claim that generated parsers run nearly
392 as fast as their hand-coded equivalents.  This is very important for user
393 adoption, as programmers are reluctant to use a tool when a faster alternative
394 exists.  A consideration to ease of use is also important because developers
395 need the freedom to integrate the generated code as they see fit. 
396
397 Many scripting languages provide ways of composing parsers by linking regular
398 expressions using program logic. For example, Sed and Awk are two established
399 Unix scripting tools that allow the programmer to exploit regular expressions
400 for the purpose of locating and extracting text of interest. High-level
401 programming languages such as Perl, Python, PHP and Ruby all provide regular
402 expression libraries that allow the user to combine regular expressions with
403 arbitrary code.
404
405 In addition to supporting the linking of regular expressions with arbitrary
406 program logic, the Perl programming language permits the embedding of code into
407 regular expressions. Perl embeddings do not translate into the embedding of
408 code into deterministic state machines. Perl regular expressions are in fact
409 not fully compiled to deterministic machines when embedded code is involved.
410 They are instead interpreted and involve backtracking. This is shown by the
411 following Perl program. When it is fed the input \verb|abcd| the interpretor
412 attempts to match the first alternative, printing \verb|a1 b1|.  When this
413 possibility fails it backtracks and tries the second possibility, printing
414 \verb|a2 b2|, at which point it succeeds.
415
416 \begin{inline_code}
417 \begin{verbatim}
418 print "YES\n" if ( <STDIN> =~
419         /( a (?{ print "a1 "; }) b (?{ print "b1 "; }) cX ) |
420          ( a (?{ print "a2 "; }) b (?{ print "b2 "; }) cd )/x )
421 \end{verbatim}
422 \end{inline_code}
423 \verbspace
424
425 In Ragel there is no regular expression interpretor. Aside from the scanner
426 operator, all Ragel expressions are made into deterministic machines and the
427 run time simply moves from state to state as it consumes input. An equivalent
428 parser expressed in Ragel would attempt both of the alternatives concurrently,
429 printing \verb|a1 a2 b1 b2|.
430
431 \section{Development Status}
432
433 Ragel is a relatively new tool and is under continuous development. As a rough
434 release guide, minor revision number changes are for implementation
435 improvements and feature additions. Major revision number changes are for
436 implementation and language changes that do not preserve backwards
437 compatibility. Though in the past this has not always held true: changes that
438 break code have crept into minor version number changes. Typically, the
439 documentation lags behind the development in the interest of documenting only
440 the lasting features. The latest changes are always documented in the ChangeLog
441 file. 
442
443 \chapter{Constructing State Machines}
444
445 \section{Ragel State Machine Specifications}
446
447 A Ragel input file consists of a program in the host language that contains embedded machine
448 specifications.  Ragel normally passes input straight to output.  When it sees
449 a machine specification it stops to read the Ragel statements and possibly generate
450 code in place of the specification.
451 Afterwards it continues to pass input through.  There
452 can be any number of FSM specifications in an input file. A multi-line FSM spec
453 starts with \verb|%%{| and ends with \verb|}%%|. A single-line FSM spec starts
454 with \verb|%%| and ends at the first newline.  
455
456 While Ragel is looking for FSM specifications it does basic lexical analysis on
457 the surrounding input. It interprets literal strings and comments so a
458 \verb|%%| sequence in either of those will not trigger the parsing of an FSM
459 specification. Ragel does not pass the input through any preprocessor nor does it
460 interpret preprocessor directives itself so includes, defines and ifdef logic
461 cannot be used to alter the parse of a Ragel input file. It is therefore not
462 possible to use an \verb|#if 0| directive to comment out a machine as is
463 commonly done in C code. As an alternative, a machine can be prevented from
464 causing any generated output by commenting out write statements.
465
466 In Figure \ref{cmd-line-parsing}, a multi-line specification is used to define the
467 machine and single line specifications are used to trigger the writing of the machine
468 data and execution code.
469
470 \begin{figure}
471 \begin{multicols}{2}
472 \small
473 \begin{verbatim}
474 #include <string.h>
475 #include <stdio.h>
476
477 %%{ 
478     machine foo;
479     main := 
480         ( 'foo' | 'bar' ) 
481         0 @{ res = 1; };
482 }%%
483
484 %% write data;
485 \end{verbatim}
486 \columnbreak
487 \begin{verbatim}
488 int main( int argc, char **argv )
489 {
490     int cs, res = 0;
491     if ( argc > 1 ) {
492         char *p = argv[1];
493         char *pe = p + strlen(p) + 1;
494         %% write init;
495         %% write exec;
496     }
497     printf("result = %i\n", res );
498     return 0;
499 }
500 \end{verbatim}
501 \end{multicols}
502 \caption{Parsing a command line argument.}
503 \label{cmd-line-parsing}
504 \end{figure}
505
506 \subsection{Naming Ragel Blocks}
507
508 \begin{verbatim}
509 machine fsm_name;
510 \end{verbatim}
511 \verbspace
512
513 The \verb|machine| statement gives the name of the FSM. If present in a
514 specification, this statement must appear first. If a machine specification
515 does not have a name then Ragel uses the previous specification name.  If no
516 previous specification name exists then this is an error. Because FSM
517 specifications persist in memory, a machine's statements can be spread across
518 multiple machine specifications.  This allows one to break up a machine across
519 several files or draw in statements that are common to multiple machines using
520 the \verb|include| statement.
521
522 \subsection{Machine Definition}
523 \label{definition}
524
525 \begin{verbatim}
526 <name> = <expression>;
527 \end{verbatim}
528 \verbspace
529
530 The machine definition statement associates an FSM expression with a name. Machine
531 expressions assigned to names can later be referenced in other expressions. A
532 definition statement on its own does not cause any states to be generated. It is simply a
533 description of a machine to be used later. States are generated only when a definition is
534 instantiated, which happens when a definition is referenced in an instantiated
535 expression. 
536
537 \subsection{Machine Instantiation}
538 \label{instantiation}
539
540 \begin{verbatim}
541 <name> := <expression>;
542 \end{verbatim}
543 \verbspace
544
545 The machine instantiation statement generates a set of states representing an
546 expression. Each instantiation generates a distinct set of states.  The starting
547 state of the instantiation is written in the data section of the generated code
548 using the instantiation name.  If a machine named
549 \verb|main| is instantiated, its start state is used as the
550 specification's start state and is assigned to the \verb|cs| variable by the
551 \verb|write init| command. If no \verb|main| machine is given, the start state
552 of the last machine instantiation to appear is used as the specification's
553 start state.
554
555 From outside the execution loop, control may be passed to any machine by
556 assigning the entry point to the \verb|cs| variable.  From inside the execution
557 loop, control may be passed to any machine instantiation using \verb|fcall|,
558 \verb|fgoto| or \verb|fnext| statements.
559
560 \subsection{Including Ragel Code}
561
562 \begin{verbatim}
563 include FsmName "inputfile.rl";
564 \end{verbatim}
565 \verbspace
566
567 The \verb|include| statement can be used to draw in the statements of another FSM
568 specification. Both the name and input file are optional, however at least one
569 must be given. Without an FSM name, the given input file is searched for an FSM
570 of the same name as the current specification. Without an input file the
571 current file is searched for a machine of the given name. If both are present,
572 the given input file is searched for a machine of the given name.
573
574 \subsection{Importing Definitions}
575 \label{import}
576
577 \begin{verbatim}
578 import "inputfile.h";
579 \end{verbatim}
580 \verbspace
581
582 The \verb|import| statement scrapes a file for sequences of tokens that match
583 the following forms. Ragel treats these forms as state machine definitions.
584
585 \begin{itemize}
586         \setlength{\itemsep}{-2mm}
587     \item \verb|name '=' number|
588     \item \verb|name '=' lit_string|
589     \item \verb|'define' name number|
590     \item \verb|'define' name lit_string|
591 \end{itemize}
592
593 If the input file is a Ragel program then tokens inside any Ragel
594 specifications are ignored. See Section \ref{export} for a description of
595 exporting machine definitions.
596
597
598 \section{Lexical Analysis of a Ragel Block}
599 \label{lexing}
600
601 Within a machine specification the following lexical rules apply to the input.
602
603 \begin{itemize}
604
605 \item The \verb|#| symbol begins a comment that terminates at the next newline.
606
607 \item The symbols \verb|""|, \verb|''|, \verb|//|, \verb|[]| behave as the
608 delimiters of literal strings. Within them, the following escape sequences 
609 are interpreted: 
610
611 \verb|    \0 \a \b \t \n \v \f \r|
612
613 A backslash at the end of a line joins the following line onto the current. A
614 backslash preceding any other character removes special meaning. This applies
615 to terminating characters and to special characters in regular expression
616 literals. As an exception, regular expression literals do not support escape
617 sequences as the operands of a range within a list. See the bullet on regular
618 expressions in Section \ref{basic}.
619
620 \item The symbols \verb|{}| delimit a block of host language code that will be
621 embedded into the machine as an action.  Within the block of host language
622 code, basic lexical analysis of comments and strings is done in order to
623 correctly find the closing brace of the block. With the exception of FSM
624 commands embedded in code blocks, the entire block is preserved as is for
625 identical reproduction in the output code.
626
627 \item The pattern \verb|[+-]?[0-9]+| denotes an integer in decimal format.
628 Integers used for specifying machines may be negative only if the alphabet type
629 is signed. Integers used for specifying priorities may be positive or negative.
630
631 \item The pattern \verb|0x[0-9A-Fa-f]+| denotes an integer in hexadecimal
632 format.
633
634 \item The keywords are \verb|access|, \verb|action|, \verb|alphtype|,
635 \verb|getkey|, \verb|write|, \verb|machine| and \verb|include|.
636
637 \item The pattern \verb|[a-zA-Z_][a-zA-Z_0-9]*| denotes an identifier.
638
639 %\item The allowable symbols are:
640 %
641 %\verb/    ( ) ! ^ * ? + : -> - | & . , := = ; > @ $ % /\\
642 %\verb|    >/  $/  %/  </  @/  <>/ >!  $!  %!  <!  @!  <>!|\\
643 %\verb|    >^  $^  %^  <^  @^  <>^ >~  $~  %~  <~  @~  <>~|\\
644 %\verb|    >*  $*  %*  <*  @*  <>*|
645
646 \item Any amount of whitespace may separate tokens.
647
648 \end{itemize}
649
650 %\section{Parse of an FSM Specification}
651
652 %The following statements are possible within an FSM specification. The
653 %requirements for trailing semicolons loosely follow that of C. 
654 %A block
655 %specifying code does not require a trailing semicolon. An expression
656 %statement does require a trailing semicolon.
657
658
659 \section{Basic Machines}
660 \label{basic}
661
662 The basic machines are the base operands of regular language expressions. They
663 are the smallest unit to which machine construction and manipulation operators
664 can be applied.
665
666 In the diagrams that follow the symbol \verb|df| represents
667 the default transition, which is taken if no other transition can be taken. The
668 symbol \verb|cr| represents the carriage return character, \verb|nl| represents the newline character (aka line feed) and the symbol
669 \verb|sp| represents the space character.
670
671 \begin{itemize}
672
673 \item \verb|'hello'| -- Concatenation Literal. Produces a machine that matches
674 the sequence of characters in the quoted string. If there are 5 characters
675 there will be 6 states chained together with the characters in the string. See
676 Section \ref{lexing} for information on valid escape sequences. 
677
678 % GENERATE: bmconcat
679 % OPT: -p
680 % %%{
681 % machine bmconcat;
682 \begin{comment}
683 \begin{verbatim}
684 main := 'hello';
685 \end{verbatim}
686 \end{comment}
687 % }%%
688 % END GENERATE
689
690 \begin{center}
691 \includegraphics[scale=0.55]{bmconcat}
692 \end{center}
693
694 It is possible
695 to make a concatenation literal case-insensitive by appending an \verb|i| to
696 the string, for example \verb|'cmd'i|.
697
698 \item \verb|"hello"| -- Identical to the single quoted version.
699
700 \item \verb|[hello]| -- Or Expression. Produces a union of characters.  There
701 will be two states with a transition for each unique character between the two states.
702 The \verb|[]| delimiters behave like the quotes of a literal string. For example, 
703 \verb|[ \t]| means tab or space. The \verb|or| expression supports character ranges
704 with the \verb|-| symbol as a separator. The meaning of the union can be negated
705 using an initial \verb|^| character as in standard regular expressions. 
706 See Section \ref{lexing} for information on valid escape sequences
707 in \verb|or| expressions.
708
709 % GENERATE: bmor
710 % OPT: -p
711 % %%{
712 % machine bmor;
713 \begin{comment}
714 \begin{verbatim}
715 main := [hello];
716 \end{verbatim}
717 \end{comment}
718 % }%%
719 % END GENERATE
720
721 \begin{center}
722 \includegraphics[scale=0.55]{bmor}
723 \end{center}
724
725 \item \verb|''|, \verb|""|, and \verb|[]| -- Zero Length Machine.  Produces a machine
726 that matches the zero length string. Zero length machines have one state that is both
727 a start state and a final state.
728
729 % GENERATE: bmnull
730 % OPT: -p
731 % %%{
732 % machine bmnull;
733 \begin{comment}
734 \begin{verbatim}
735 main := '';
736 \end{verbatim}
737 \end{comment}
738 % }%%
739 % END GENERATE
740
741 \begin{center}
742 \includegraphics[scale=0.55]{bmnull}
743 \end{center}
744
745 % FIXME: More on the range of values here.
746 \item \verb|42| -- Numerical Literal. Produces a two state machine with one
747 transition on the given number. The number may be in decimal or hexadecimal
748 format and should be in the range allowed by the alphabet type. The minimum and
749 maximum values permitted are defined by the host machine that Ragel is compiled
750 on. For example, numbers in a \verb|short| alphabet on an i386 machine should
751 be in the range \verb|-32768| to \verb|32767|.
752
753 % GENERATE: bmnum
754 % %%{
755 % machine bmnum;
756 \begin{comment}
757 \begin{verbatim}
758 main := 42;
759 \end{verbatim}
760 \end{comment}
761 % }%%
762 % END GENERATE
763
764 \begin{center}
765 \includegraphics[scale=0.55]{bmnum}
766 \end{center}
767
768 \item \verb|/simple_regex/| -- Regular Expression. Regular expressions are
769 parsed as a series of expressions that are concatenated together. Each
770 concatenated expression
771 may be a literal character, the ``any'' character specified by the \verb|.|
772 symbol, or a union of characters specified by the \verb|[]| delimiters. If the
773 first character of a union is \verb|^| then it matches any character not in the
774 list. Within a union, a range of characters can be given by separating the first
775 and last characters of the range with the \verb|-| symbol. Each
776 concatenated machine may have repetition specified by following it with the
777 \verb|*| symbol. The standard escape sequences described in Section
778 \ref{lexing} are supported everywhere in regular expressions except as the
779 operands of a range within in a list. This notation also supports the \verb|i|
780 trailing option. Use it to produce case-insensitive machines, as in \verb|/GET/i|.
781
782 Ragel does not support very complex regular expressions because the desired
783 results can always be achieved using the more general machine construction
784 operators listed in Section \ref{machconst}. The following diagram shows the
785 result of compiling \verb|/ab*[c-z].*[123]/|.
786
787 % GENERATE: bmregex
788 % OPT: -p
789 % %%{
790 % machine bmregex;
791 \begin{comment}
792 \begin{verbatim}
793 main := /ab*[c-z].*[123]/;
794 \end{verbatim}
795 \end{comment}
796 % }%%
797 % END GENERATE
798
799 \begin{center}
800 \includegraphics[scale=0.55]{bmregex}
801 \end{center}
802
803 \item \verb|'a' .. 'z'| -- Range. Produces a machine that matches any
804 characters in the specified range.  Allowable upper and lower bounds of the
805 range are concatenation literals of length one and numerical literals.  For
806 example, \verb|0x10..0x20|, \verb|0..63|, and \verb|'a'..'z'| are valid ranges.
807 The bounds should be in the range allowed by the alphabet type.
808
809 % GENERATE: bmrange
810 % OPT: -p
811 % %%{
812 % machine bmrange;
813 \begin{comment}
814 \begin{verbatim}
815 main := 'a' .. 'z';
816 \end{verbatim}
817 \end{comment}
818 % }%%
819 % END GENERATE
820
821 \begin{center}
822 \includegraphics[scale=0.55]{bmrange}
823 \end{center}
824
825
826 \item \verb|variable_name| -- Lookup the machine definition assigned to the
827 variable name given and use an instance of it. See Section \ref{definition} for
828 an important note on what it means to reference a variable name.
829
830 \item \verb|builtin_machine| -- There are several built-in machines available
831 for use. They are all two state machines for the purpose of matching common
832 classes of characters. They are:
833
834 \begin{itemize}
835
836 \item \verb|any   | -- Any character in the alphabet.
837
838 \item \verb|ascii | -- Ascii characters. \verb|0..127|
839
840 \item \verb|extend| -- Ascii extended characters. This is the range
841 \verb|-128..127| for signed alphabets and the range \verb|0..255| for unsigned
842 alphabets.
843
844 \item \verb|alpha | -- Alphabetic characters. \verb|[A-Za-z]|
845
846 \item \verb|digit | -- Digits. \verb|[0-9]|
847
848 \item \verb|alnum | -- Alpha numerics. \verb|[0-9A-Za-z]|
849
850 \item \verb|lower | -- Lowercase characters. \verb|[a-z]|
851
852 \item \verb|upper | -- Uppercase characters. \verb|[A-Z]|
853
854 \item \verb|xdigit| -- Hexadecimal digits. \verb|[0-9A-Fa-f]|
855
856 \item \verb|cntrl | -- Control characters. \verb|0..31|
857
858 \item \verb|graph | -- Graphical characters. \verb|[!-~]|
859
860 \item \verb|print | -- Printable characters. \verb|[ -~]|
861
862 \item \verb|punct | -- Punctuation. Graphical characters that are not alphanumerics.
863 \verb|[!-/:-@[-`{-~]|
864
865 \item \verb|space | -- Whitespace. \verb|[\t\v\f\n\r ]|
866
867 \item \verb|zlen  | -- Zero length string. \verb|""|
868
869 \item \verb|empty | -- Empty set. Matches nothing. \verb|^any|
870
871 \end{itemize}
872 \end{itemize}
873
874 \section{Operator Precedence}
875 The following table shows operator precedence from lowest to highest. Operators
876 in the same precedence group are evaluated from left to right.
877
878 \verbspace
879 \begin{tabular}{|c|c|c|}
880 \hline
881 1&\verb| , |&Join\\
882 \hline
883 2&\verb/ | & - --/&Union, Intersection and Subtraction\\
884 \hline
885 3&\verb| . <: :> :>> |&Concatenation\\
886 \hline
887 4&\verb| : |&Label\\
888 \hline
889 5&\verb| -> |&Epsilon Transition\\
890 \hline
891 &\verb| >  @  $  % |&Transitions Actions and Priorities\\
892 \cline{2-3}
893 &\verb| >/  $/  %/  </  @/  <>/ |&EOF Actions\\
894 \cline{2-3}
895 6&\verb| >!  $!  %!  <!  @!  <>! |&Global Error Actions\\
896 \cline{2-3}
897 &\verb| >^  $^  %^  <^  @^  <>^ |&Local Error Actions\\
898 \cline{2-3}
899 &\verb| >~  $~  %~  <~  @~  <>~ |&To-State Actions\\
900 \cline{2-3}
901 &\verb| >*  $*  %*  <*  @*  <>* |&From-State Action\\
902 \hline
903 7&\verb| * ** ? + {n} {,n} {n,} {n,m} |&Repetition\\
904 \hline
905 8&\verb| ! ^ |&Negation and Character-Level Negation\\
906 \hline
907 9&\verb| ( <expr> ) |&Grouping\\
908 \hline
909 \end{tabular}
910
911 \section{Regular Language Operators}
912 \label{machconst}
913
914 When using Ragel it is helpful to have a sense of how it constructs machines.
915 The determinization process can produce results that seem unusual to someone
916 not familiar with the NFA to DFA conversion algorithm. In this section we
917 describe Ragel's state machine operators. Though the operators are defined
918 using epsilon transitions, it should be noted that this is for discussion only.
919 The epsilon transitions described in this section do not persist, but are
920 immediately removed by the determinization process which is executed at every
921 operation. Ragel does not make use of any nondeterministic intermediate state
922 machines. 
923
924 To create an epsilon transition between two states \verb|x| and \verb|y| is to
925 copy all of the properties of \verb|y| into \verb|x|. This involves drawing in
926 all of \verb|y|'s to-state actions, EOF actions, etc., in addition to its
927 transitions. If \verb|x| and \verb|y| both have a transition out on the same
928 character, then the transitions must be combined.  During transition
929 combination a new transition is made that goes to a new state that is the
930 combination of both target states. The new combination state is created using
931 the same epsilon transition method.  The new state has an epsilon transition
932 drawn to all the states that compose it. Since the creation of new epsilon
933 transitions may be triggered every time an epsilon transition is drawn, the
934 process of drawing epsilon transitions is repeated until there are no more
935 epsilon transitions to be made.
936
937 A very common error that is made when using Ragel is to make machines that do
938 too much. That is, to create machines that have unintentional
939 nondetermistic properties. This usually results from being unaware of the common strings
940 between machines that are combined together using the regular language
941 operators. This can involve never leaving a machine, causing its actions to be
942 propagated through all the following states. Or it can involve an alternation
943 where both branches are unintentionally taken simultaneously.
944
945 This problem forces one to think hard about the language that needs to be
946 matched. To guard against this kind of problem one must ensure that the machine
947 specification is divided up using boundaries that do not allow ambiguities from
948 one portion of the machine to the next. See Chapter
949 \ref{controlling-nondeterminism} for more on this problem and how to solve it.
950
951 The Graphviz tool is an immense help when debugging improperly compiled
952 machines or otherwise learning how to use Ragel. In many cases, practical
953 parsing programs will be too large to completely visualize with Graphviz.  The
954 proper approach is to reduce the language to the smallest subset possible that
955 still exhibits the characteristics that one wishes to learn about or to fix.
956 This can be done without modifying the source code using the \verb|-M| and
957 \verb|-S| options. If a machine cannot be easily reduced,
958 embeddings of unique actions can be very useful for tracing a
959 particular component of a larger machine specification, since action names are
960 written out on transition labels.
961
962 \subsection{Union}
963
964 \verb/expr | expr/
965 \verbspace
966
967 The union operation produces a machine that matches any string in machine one
968 or machine two. The operation first creates a new start state. Epsilon
969 transitions are drawn from the new start state to the start states of both
970 input machines.  The resulting machine has a final state set equivalent to the
971 union of the final state sets of both input machines. In this operation, there
972 is the opportunity for nondeterminism among both branches. If there are
973 strings, or prefixes of strings that are matched by both machines then the new
974 machine will follow both parts of the alternation at once. The union operation is
975 shown below.
976
977 \graphspace
978 \begin{center}
979 \includegraphics{opor}
980 \end{center}
981 \graphspace
982
983 The following example demonstrates the union of three machines representing
984 common tokens.
985
986 % GENERATE: exor
987 % OPT: -p
988 % %%{
989 % machine exor;
990 \begin{inline_code}
991 \begin{verbatim}
992 # Hex digits, decimal digits, or identifiers
993 main := '0x' xdigit+ | digit+ | alpha alnum*;
994 \end{verbatim}
995 \end{inline_code}
996 % }%%
997 % END GENERATE
998
999 \graphspace
1000 \begin{center}
1001 \includegraphics[scale=0.55]{exor}
1002 \end{center}
1003
1004 \subsection{Intersection}
1005
1006 \verb|expr & expr|
1007 \verbspace
1008
1009 Intersection produces a machine that matches any
1010 string that is in both machine one and machine two. To achieve intersection, a
1011 union is performed on the two machines. After the result has been made
1012 deterministic, any final state that is not a combination of final states from
1013 both machines has its final state status revoked. To complete the operation,
1014 paths that do not lead to a final state are pruned from the machine. Therefore,
1015 if there are any such paths in either of the expressions they will be removed
1016 by the intersection operator.  Intersection can be used to require that two
1017 independent patterns be simultaneously satisfied as in the following example.
1018
1019 % GENERATE: exinter
1020 % OPT: -p
1021 % %%{
1022 % machine exinter;
1023 \begin{inline_code}
1024 \begin{verbatim}
1025 # Match lines four characters wide that contain 
1026 # words separated by whitespace.
1027 main :=
1028     /[^\n][^\n][^\n][^\n]\n/* &
1029     (/[a-z][a-z]*/ | [ \n])**;
1030 \end{verbatim}
1031 \end{inline_code}
1032 % }%%
1033 % END GENERATE
1034
1035 \graphspace
1036 \begin{center}
1037 \includegraphics[scale=0.55]{exinter}
1038 \end{center}
1039
1040 \subsection{Difference}
1041
1042 \verb|expr - expr|
1043 \verbspace
1044
1045 The difference operation produces a machine that matches
1046 strings that are in machine one but are not in machine two. To achieve subtraction,
1047 a union is performed on the two machines. After the result has been made
1048 deterministic, any final state that came from machine two or is a combination
1049 of states involving a final state from machine two has its final state status
1050 revoked. As with intersection, the operation is completed by pruning any path
1051 that does not lead to a final state.  The following example demonstrates the
1052 use of subtraction to exclude specific cases from a set.
1053
1054 \verbspace
1055
1056 % GENERATE: exsubtr
1057 % OPT: -p
1058 % %%{
1059 % machine exsubtr;
1060 \begin{inline_code}
1061 \begin{verbatim}
1062 # Subtract keywords from identifiers.
1063 main := /[a-z][a-z]*/ - ( 'for' | 'int' );
1064 \end{verbatim}
1065 \end{inline_code}
1066 % }%%
1067 % END GENERATE
1068
1069 \graphspace
1070 \begin{center}
1071 \includegraphics[scale=0.55]{exsubtr}
1072 \end{center}
1073 \graphspace
1074
1075
1076 \subsection{Strong Difference}
1077 \label{strong_difference}
1078
1079 \verb|expr -- expr|
1080 \verbspace
1081
1082 Strong difference produces a machine that matches any string of the first
1083 machine that does not have any string of the second machine as a substring. In
1084 the following example, strong subtraction is used to excluded \verb|CRLF| from
1085 a sequence. In the corresponding visualization, the label \verb|DEF| is short
1086 for default. The default transition is taken if no other transition can be
1087 taken.
1088
1089 % GENERATE: exstrongsubtr
1090 % OPT: -p
1091 % %%{
1092 % machine exstrongsubtr;
1093 \begin{inline_code}
1094 \begin{verbatim}
1095 crlf = '\r\n';
1096 main := [a-z]+ ':' ( any* -- crlf ) crlf;
1097 \end{verbatim}
1098 \end{inline_code}
1099 % }%%
1100 % END GENERATE
1101
1102 \graphspace
1103 \begin{center}
1104 \includegraphics[scale=0.55]{exstrongsubtr}
1105 \end{center}
1106 \graphspace
1107
1108 This operator is equivalent to the following.
1109
1110 \verbspace
1111 \begin{verbatim}
1112 expr - ( any* expr any* )
1113 \end{verbatim}
1114
1115 \subsection{Concatenation}
1116
1117 \verb|expr . expr|
1118 \verbspace
1119
1120 Concatenation produces a machine that matches all the strings in machine one followed by all
1121 the strings in machine two.  Concatenation draws epsilon transitions from the
1122 final states of the first machine to the start state of the second machine. The
1123 final states of the first machine lose their final state status, unless the
1124 start state of the second machine is final as well. 
1125 Concatenation is the default operator. Two machines next to each other with no
1126 operator between them results in the machines being concatenated together.  
1127
1128 \graphspace
1129 \begin{center}
1130 \includegraphics{opconcat}
1131 \end{center}
1132 \graphspace
1133
1134 The opportunity for nondeterministic behaviour results from the possibility of
1135 the final states of the first machine accepting a string that is also accepted
1136 by the start state of the second machine.
1137 The most common scenario that this happens in is the
1138 concatenation of a machine that repeats some pattern with a machine that gives
1139 a termination string, but the repetition machine does not exclude the
1140 termination string. The example in Section \ref{strong_difference}
1141 guards against this. Another example is the expression \verb|("'" any* "'")|.
1142 When executed the thread of control will
1143 never leave the \verb|any*| machine.  This is a problem especially if actions
1144 are embedded to process the characters of the \verb|any*| component.
1145
1146 In the following example, the first machine is always active due to the
1147 nondeterministic nature of concatenation. This particular nondeterminism is intended
1148 however because we wish to permit EOF strings before the end of the input.
1149
1150 % GENERATE: exconcat
1151 % OPT: -p
1152 % %%{
1153 % machine exconcat;
1154 \begin{inline_code}
1155 \begin{verbatim}
1156 # Require an eof marker on the last line.
1157 main := /[^\n]*\n/* . 'EOF\n';
1158 \end{verbatim}
1159 \end{inline_code}
1160 % }%%
1161 % END GENERATE
1162
1163 \graphspace
1164 \begin{center}
1165 \includegraphics[scale=0.55]{exconcat}
1166 \end{center}
1167 \graphspace
1168
1169 \noindent {\bf Note:} There is a language
1170 ambiguity involving concatenation and subtraction. Because concatenation is the 
1171 default operator for two
1172 adjacent machines there is an ambiguity between subtraction of
1173 a positive numerical literal and concatenation of a negative numerical literal.
1174 For example, \verb|(x-7)| could be interpreted as \verb|(x . -7)| or 
1175 \verb|(x - 7)|. In the Ragel language, the subtraction operator always takes precedence
1176 over concatenation of a negative literal. Precedence was given to the
1177 subtraction-based interpretation so as to adhere to the rule that the default
1178 concatenation operator takes effect only when there are no other operators between
1179 two machines. Beware of writing machines such as \verb|(any -1)| when what is
1180 desired is a concatenation of \verb|any| and -1. Instead write 
1181 \verb|(any .  -1)| or \verb|(any (-1))|. If in doubt of the meaning of your program do not
1182 rely on the default concatenation operator; always use the \verb|.| symbol.
1183
1184
1185 \subsection{Kleene Star}
1186
1187 \verb|expr*|
1188 \verbspace
1189
1190 The machine resulting from the Kleene Star operator will match zero or more
1191 repetitions of the machine it is applied to.
1192 It creates a new start state and an additional final
1193 state.  Epsilon transitions are drawn between the new start state and the old start
1194 state, between the new start state and the new final state, and
1195 between the final states of the machine and the new start state.  After the
1196 machine is made deterministic the effect is of the final states getting all the
1197 transitions of the start state. 
1198
1199 \graphspace
1200 \begin{center}
1201 \includegraphics{opstar}
1202 \end{center}
1203 \graphspace
1204
1205 The possibility for nondeterministic behaviour arises if the final states have
1206 transitions on any of the same characters as the start state.  This is common
1207 when applying kleene star to an alternation of tokens. Like the other problems
1208 arising from nondeterministic behavior, this is discussed in more detail in Chapter
1209 \ref{controlling-nondeterminism}. This particular problem can also be solved
1210 by using the longest-match construction discussed in Section 
1211 \ref{generating-scanners} on scanners.
1212
1213 In this simple
1214 example, there is no nondeterminism introduced by the exterior kleene star due to
1215 the newline at the end of the regular expression. Without the newline the
1216 exterior kleene star would be redundant and there would be ambiguity between
1217 repeating the inner range of the regular expression and the entire regular
1218 expression. Though it would not cause a problem in this case, unnecessary
1219 nondeterminism in the kleene star operator often causes undesired results for
1220 new Ragel users and must be guarded against.
1221
1222 % GENERATE: exstar
1223 % OPT: -p
1224 % %%{
1225 % machine exstar;
1226 \begin{inline_code}
1227 \begin{verbatim}
1228 # Match any number of lines with only lowercase letters.
1229 main := /[a-z]*\n/*;
1230 \end{verbatim}
1231 \end{inline_code}
1232 % }%%
1233 % END GENERATE
1234
1235 \graphspace
1236 \begin{center}
1237 \includegraphics[scale=0.55]{exstar}
1238 \end{center}
1239 \graphspace
1240
1241 \subsection{One Or More Repetition}
1242
1243 \verb|expr+|
1244 \verbspace
1245
1246 This operator produces the concatenation of the machine with the kleene star of
1247 itself. The result will match one or more repetitions of the machine. The plus
1248 operator is equivalent to \verb|(expr . expr*)|.  The plus operator makes
1249 repetitions that cannot be zero length.
1250
1251 % GENERATE: explus
1252 % OPT: -p
1253 % %%{
1254 % machine explus;
1255 \begin{inline_code}
1256 \begin{verbatim}
1257 # Match alpha-numeric words.
1258 main := alnum+;
1259 \end{verbatim}
1260 \end{inline_code}
1261 % }%%
1262 % END GENERATE
1263
1264 \graphspace
1265 \begin{center}
1266 \includegraphics[scale=0.55]{explus}
1267 \end{center}
1268 \graphspace
1269
1270 \subsection{Optional}
1271
1272 \verb|expr?|
1273 \verbspace
1274
1275 The {\em optional} operator produces a machine that accepts the machine
1276 given or the zero length string. The optional operator is equivalent to
1277 \verb/(expr | '' )/. In the following example the optional operator is used to
1278 extend a token.
1279
1280 % GENERATE: exoption
1281 % OPT: -p
1282 % %%{
1283 % machine exoption;
1284 \begin{inline_code}
1285 \begin{verbatim}
1286 # Match integers or floats.
1287 main := digit+ ('.' digit+)?;
1288 \end{verbatim}
1289 \end{inline_code}
1290 % }%%
1291 % END GENERATE
1292
1293 \graphspace
1294 \begin{center}
1295 \includegraphics[scale=0.55]{exoption}
1296 \end{center}
1297 \graphspace
1298
1299
1300 \subsection{Repetition}
1301
1302 \begin{tabbing}
1303 \noindent \verb|expr {n}| \hspace{16pt}\=-- Exactly N copies of expr.\\
1304
1305 \noindent \verb|expr {,n}| \>-- Zero to N copies of expr.\\
1306
1307 \noindent \verb|expr {n,}| \>-- N or more copies of expr.\\
1308
1309 \noindent \verb|expr {n,m}| \>-- N to M copies of expr.
1310 \end{tabbing}
1311
1312 \subsection{Negation}
1313
1314 \verb|!expr|
1315 \verbspace
1316
1317 Negation produces a machine that matches any string not matched by the given
1318 machine. Negation is equivalent to \verb|(any* - expr)|.
1319
1320 % GENERATE: exnegate
1321 % OPT: -p
1322 % %%{
1323 % machine exnegate;
1324 \begin{inline_code}
1325 \begin{verbatim}
1326 # Accept anything but a string beginning with a digit.
1327 main := ! ( digit any* );
1328 \end{verbatim}
1329 \end{inline_code}
1330 % }%%
1331 % END GENERATE
1332
1333 \graphspace
1334 \begin{center}
1335 \includegraphics[scale=0.55]{exnegate}
1336 \end{center}
1337 \graphspace
1338
1339
1340 \subsection{Character-Level Negation}
1341
1342 \verb|^expr|
1343 \verbspace
1344
1345 Character-level negation produces a machine that matches any single character
1346 not matched by the given machine. Character-Level Negation is equivalent to
1347 \verb|(any - expr)|.
1348
1349 \section{State Machine Minimization}
1350
1351 State machine minimization is the process of finding the minimal equivalent FSM accepting
1352 the language. Minimization reduces the number of states in machines
1353 by merging equivalent states. It does not change the behaviour of the machine
1354 in any way. It will cause some states to be merged into one because they are
1355 functionally equivalent. State minimization is on by default. It can be turned
1356 off with the \verb|-n| option.
1357
1358 The algorithm implemented is similar to Hopcroft's state minimization
1359 algorithm. Hopcroft's algorithm assumes a finite alphabet that can be listed in
1360 memory, whereas Ragel supports arbitrary integer alphabets that cannot be
1361 listed in memory. Though exact analysis is very difficult, Ragel minimization
1362 runs close to $O(n \times log(n))$ and requires $O(n)$ temporary storage where
1363 $n$ is the number of states.
1364
1365 \section{Visualization}
1366
1367 Ragel is able to emit compiled state machines in Graphviz's Dot file format.
1368 Graphviz support allows users to perform
1369 incremental visualization of their parsers. User actions are displayed on
1370 transition labels of the graph. If the final graph is too large to be
1371 meaningful, or even drawn, the user is able to inspect portions of the parser
1372 by naming particular regular expression definitions with the \verb|-S| and
1373 \verb|-M| options to the \verb|ragel| program. Use of Graphviz greatly
1374 improves the Ragel programming experience. It allows users to learn Ragel by
1375 experimentation and also to track down bugs caused by unintended
1376 nondeterminism.
1377
1378 \chapter{User Actions}
1379
1380 Ragel permits the user to embed actions into the transitions of a regular
1381 expression's corresponding state machine. These actions are executed when the
1382 generated code moves over a transition.  Like the regular expression operators,
1383 the action embedding operators are fully compositional. They take a state
1384 machine and an action as input, embed the action, and yield a new state machine
1385 that can be used in the construction of other machines. Due to the
1386 compositional nature of embeddings, the user has complete freedom in the
1387 placement of actions.
1388
1389 A machine's transitions are categorized into four classes, The action embedding
1390 operators access the transitions defined by these classes.  The {\em starting
1391 transition} operator \verb|>| isolates the start state, then embeds an action
1392 into all transitions leaving it. The {\em finishing transition} operator
1393 \verb|@| embeds an action into all transitions going into a final state.  The
1394 {\em all transition} operator \verb|$| embeds an action into all transitions of
1395 an expression. The {\em pending out transition} operator \verb|%| provides
1396 access to yet-unmade leaving transitions. 
1397
1398 \section{Embedding Actions}
1399
1400 \begin{verbatim}
1401 action ActionName {
1402     /* Code an action here. */
1403     count += 1;
1404 }
1405 \end{verbatim}
1406 \verbspace
1407
1408 The action statement defines a block of code that can be embedded into an FSM.
1409 Action names can be referenced by the action embedding operators in
1410 expressions. Though actions need not be named in this way (literal blocks
1411 of code can be embedded directly when building machines), defining reusable
1412 blocks of code whenever possible is good practice because it potentially increases the
1413 degree to which the machine can be minimized. Within an action some Ragel expressions
1414 and statements are parsed and translated. These allow the user to interact with the machine
1415 from action code. See Section \ref{vals} for a complete list of statements and
1416 values available in code blocks. 
1417
1418 \subsection{Entering Action}
1419
1420 \verb|expr > action| 
1421 \verbspace
1422
1423 The entering action operator embeds an action into all transitions
1424 that enter into the machine from the start state. If the start state is final,
1425 then the action is also embedded into the start state as a leaving action. This
1426 means that if a machine accepts the zero-length string and control passes
1427 through it then the entering action is still executed. Note
1428 that this can happen on both a following character and on the EOF event.
1429
1430 In some machines the start state has transtions coming in from within the
1431 machine. In these cases the start state is first isolated from the rest of the
1432 machine ensuring that the entering actions are not re-executed.
1433
1434 \verbspace
1435
1436 % GENERATE: exstact
1437 % OPT: -p
1438 % %%{
1439 % machine exstact;
1440 \begin{inline_code}
1441 \begin{verbatim}
1442 # Execute A at the beginning of a string of alpha.
1443 action A {}
1444 main := ( lower* >A ) . ' ';
1445 \end{verbatim}
1446 \end{inline_code}
1447 % }%%
1448 % END GENERATE
1449
1450 \graphspace
1451 \begin{center}
1452 \includegraphics[scale=0.55]{exstact}
1453 \end{center}
1454 \graphspace
1455
1456 \subsection{Finishing Action}
1457
1458 \verb|expr @ action|
1459 \verbspace
1460
1461 The finishing action operator embeds an action into any transitions that go into a
1462 final state. Whether or not the machine accepts is not determined at the point
1463 the action is executed. Further input may move the machine out of the accepting
1464 state, but keep it in the machine. As in the following example, the
1465 into-final-state operator is most often used when no lookahead is necessary.
1466
1467 % GENERATE: exdoneact
1468 % OPT: -p
1469 % %%{
1470 % machine exdoneact;
1471 % action A {}
1472 \begin{inline_code}
1473 \begin{verbatim}
1474 # Execute A when the trailing space is seen.
1475 main := ( lower* ' ' ) @A;
1476 \end{verbatim}
1477 \end{inline_code}
1478 % }%%
1479 % END GENERATE
1480
1481 \graphspace
1482 \begin{center}
1483 \includegraphics[scale=0.55]{exdoneact}
1484 \end{center}
1485 \graphspace
1486
1487
1488 \subsection{All Transition Action}
1489
1490 \verb|expr $ action|
1491 \verbspace
1492
1493 The all transition operator embeds an action into all transitions of a machine.
1494 The action is executed whenever a transition of the machine is taken. In the
1495 following example, A is executed on every character matched.
1496
1497 % GENERATE: exallact
1498 % OPT: -p
1499 % %%{
1500 % machine exallact;
1501 % action A {}
1502 \begin{inline_code}
1503 \begin{verbatim}
1504 # Execute A on any characters of machine one or two.
1505 main := ( 'm1' | 'm2' ) $A;
1506 \end{verbatim}
1507 \end{inline_code}
1508 % }%%
1509 % END GENERATE
1510
1511 \graphspace
1512 \begin{center}
1513 \includegraphics[scale=0.55]{exallact}
1514 \end{center}
1515 \graphspace
1516
1517
1518 \subsection{Pending Out (Leaving) Actions}
1519 \label{out-actions}
1520
1521 \verb|expr % action|
1522 \verbspace
1523
1524 The pending out action operator queues an action for embedding into the
1525 transitions that leave a machine. The action is first stored in the final
1526 states of the machine and is later transferred to any transitions that are made
1527 going out of the machine. The transfer can be caused either by a concatenation
1528 or kleene star operation. If a final state is still final when compilation is
1529 complete then the pending out action is also embedded as an EOF action into the
1530 final state. Therefore, leaving the machine is defined as either leaving on a
1531 character or as state machine acceptance.
1532
1533 This operator allows one to associate an action with the termination of a
1534 sequence, without being concerned about what particular character terminates
1535 the sequence. In the following example, A is executed when leaving the alpha
1536 machine on the newline character.
1537
1538 % GENERATE: exoutact1
1539 % OPT: -p
1540 % %%{
1541 % machine exoutact1;
1542 % action A {}
1543 \begin{inline_code}
1544 \begin{verbatim}
1545 # Match a word followed by a newline. Execute A when 
1546 # finishing the word.
1547 main := ( lower+ %A ) . '\n';
1548 \end{verbatim}
1549 \end{inline_code}
1550 % }%%
1551 % END GENERATE
1552
1553 \graphspace
1554 \begin{center}
1555 \includegraphics[scale=0.55]{exoutact1}
1556 \end{center}
1557 \graphspace
1558
1559 In the following example, the \verb|term_word| action could be used to register
1560 the appearance of a word and to clear the buffer that the \verb|lower| action used
1561 to store the text of it.
1562
1563 % GENERATE: exoutact2
1564 % OPT: -p
1565 % %%{
1566 % machine exoutact2;
1567 % action lower {}
1568 % action space {}
1569 % action term_word {}
1570 % action newline {}
1571 \begin{inline_code}
1572 \begin{verbatim}
1573 word = ( [a-z] @lower )+ %term_word;
1574 main := word ( ' ' @space word )* '\n' @newline;
1575 \end{verbatim}
1576 \end{inline_code}
1577 % }%%
1578 % END GENERATE
1579
1580 \graphspace
1581 \begin{center}
1582 \includegraphics[scale=0.55]{exoutact2}
1583 \end{center}
1584 \graphspace
1585
1586 In this final example of the action embedding operators, A is executed upon entering
1587 the alpha machine, B is executed on all transitions of the
1588 alpha machine, C is executed when the alpha machine is exited by moving into the
1589 newline machine and N is executed when the newline machine moves into a final
1590 state.  
1591
1592 % GENERATE: exaction
1593 % OPT: -p
1594 % %%{
1595 % machine exaction;
1596 % action A {}
1597 % action B {}
1598 % action C {}
1599 % action N {}
1600 \begin{inline_code}
1601 \begin{verbatim}
1602 # Execute A on starting the alpha machine, B on every transition 
1603 # moving through it and C upon finishing. Execute N on the newline.
1604 main := ( lower* >A $B %C ) . '\n' @N;
1605 \end{verbatim}
1606 \end{inline_code}
1607 % }%%
1608 % END GENERATE
1609
1610 \graphspace
1611 \begin{center}
1612 \includegraphics[scale=0.55]{exaction}
1613 \end{center}
1614 \graphspace
1615
1616
1617 \section{State Action Embedding Operators}
1618
1619 The state embedding operators allow one to embed actions into states. Like the
1620 transition embedding operators, there are several different classes of states
1621 that the operators access. The meanings of the symbols are similar to the
1622 meanings of the symbols used by the transition embedding operators. The design
1623 of the state selections was driven by a need to cover the states of an
1624 expression with a single error action.
1625
1626 Unlike the transition embedding operators, the state embedding operators are
1627 also distinguished by the different kinds of events that embedded actions can
1628 be associated with. Therefore the state embedding operators have two
1629 components.  The first, which is the first one or two characters, specifies the
1630 class of states that the action will be embedded into. The second component
1631 specifies the type of event the action will be executed on. The symbols of the
1632 second component also have equivalent kewords. 
1633
1634 \vspace{10pt}
1635
1636 \def\fakeitem{\hspace*{12pt}$\bullet$\hspace*{10pt}}
1637
1638 \begin{minipage}{\textwidth}
1639 \begin{multicols}{2}
1640 \raggedcolumns
1641 \noindent The different classes of states are:\\
1642 \fakeitem \verb|> | -- the start state\\
1643 \fakeitem \verb|< | -- any state except the start state\\
1644 \fakeitem \verb|$ | -- all states\\
1645 \fakeitem \verb|% | -- final states\\
1646 \fakeitem \verb|@ | -- any state except final states\\
1647 \fakeitem \verb|<>| -- any except start and final (middle)
1648
1649 \columnbreak
1650
1651 \noindent The different kinds of embeddings are:\\
1652 \fakeitem \verb|~| -- to-state actions (\verb|to|)\\
1653 \fakeitem \verb|*| -- from-state actions (\verb|from|)\\
1654 \fakeitem \verb|/| -- EOF actions (\verb|eof|)\\
1655 \fakeitem \verb|!| -- error actions (\verb|err|)\\
1656 \fakeitem \verb|^| -- local error actions (\verb|lerr|)\\
1657 \end{multicols}
1658 \end{minipage}
1659
1660 \subsection{To-State and From-State Actions}
1661
1662 \subsubsection{To-State Actions}
1663
1664 \def\sasp{\hspace*{40pt}}
1665
1666 \sasp\verb|>~action      >to(name)      >to{...} | -- the start state\\
1667 \sasp\verb|<~action      <to(name)      <to{...} | -- any state except the start state\\
1668 \sasp\verb|$~action      $to(name)      $to{...} | -- all states\\
1669 \sasp\verb|%~action      %to(name)      %to{...} | -- final states\\
1670 \sasp\verb|@~action      @to(name)      @to{...} | -- any state except final states\\
1671 \sasp\verb|<>~action     <>to(name)     <>to{...}| -- any except start and final (middle)
1672 \vspace{12pt}
1673
1674
1675 To-state actions are executed whenever the state machine moves into the
1676 specified state, either by a natural movement over a transition or by an
1677 action-based transfer of control such as \verb|fgoto|. They are executed after the
1678 in-transition's actions but before the current character is advanced and
1679 tested against the end of the input block. To-state embeddings stay with the
1680 state. They are irrespective of the state's current set of transitions and any
1681 future transitions that may be added in or out of the state.
1682
1683 Note that the setting of the current state variable \verb|cs| outside of the
1684 execute code is not considered by Ragel as moving into a state and consequently
1685 the to-state actions of the new current state are not executed. This includes
1686 the initialization of the current state when the machine begins.  This is
1687 because the entry point into the machine execution code is after the execution
1688 of to-state actions.
1689
1690 \subsubsection{From-State Actions}
1691
1692 \sasp\verb|>*action     >from(name)     >from{...} | -- the start state\\
1693 \sasp\verb|<*action     <from(name)     <from{...} | -- any state except the start state\\
1694 \sasp\verb|$*action     $from(name)     $from{...} | -- all states\\
1695 \sasp\verb|%*action     %from(name)     %from{...} | -- final states\\
1696 \sasp\verb|@*action     @from(name)     @from{...} | -- any state except final states\\
1697 \sasp\verb|<>*action    <>from(name)    <>from{...}| -- any except start and final (middle)
1698 \vspace{12pt}
1699
1700 From-state actions are executed whenever the state machine takes a transition from a
1701 state, either to itself or to some other state. These actions are executed
1702 immediately after the current character is tested against the input block end
1703 marker and before the transition to take is sought based on the current
1704 character. From-state actions are therefore executed even if a transition
1705 cannot be found and the machine moves into the error state.  Like to-state
1706 embeddings, from-state embeddings stay with the state.
1707
1708 \subsection{EOF Actions}
1709
1710 \sasp\verb|>/action     >eof(name)     >eof{...} | -- the start state\\
1711 \sasp\verb|</action     <eof(name)     <eof{...} | -- any state except the start state\\
1712 \sasp\verb|$/action     $eof(name)     $eof{...} | -- all states\\
1713 \sasp\verb|%/action     %eof(name)     %eof{...} | -- final states\\
1714 \sasp\verb|@/action     @eof(name)     @eof{...} | -- any state except final states\\
1715 \sasp\verb|<>/action    <>eof(name)    <>eof{...}| -- any except start and final (middle)
1716 \vspace{12pt}
1717
1718 The EOF action embedding operators enable the user to embed actions that are
1719 executed at the end of the input stream. EOF actions are stored in states and
1720 generated in the \verb|write exec| block. They are run when \verb|p == pe == eof|
1721 as the execute block is finishing. EOF actions are free to adjust \verb|p| and
1722 jump to another part of the machine to restart execution.
1723
1724 \subsection{Handling Errors}
1725
1726 In many applications it is useful to be able to react to parsing errors.  The
1727 user may wish to print an error message that depends on the context.  It
1728 may also be desirable to consume input in an attempt to return the input stream
1729 to some known state and resume parsing. To support error handling and recovery,
1730 Ragel provides error action embedding operators. There are two kinds of error
1731 actions, regular (global) error actions and local error actions.
1732 Error actions can be used to simply report errors, or by jumping to a machine
1733 instantiation that consumes input, can attempt to recover from errors.  
1734
1735 \subsubsection{Global Error Actions}
1736
1737 \sasp\verb|>!action     >err(name)     >err{...} | -- the start state\\
1738 \sasp\verb|<!action     <err(name)     <err{...} | -- any state except the start state\\
1739 \sasp\verb|$!action     $eof(name)     $err{...} | -- all states\\
1740 \sasp\verb|%!action     %err(name)     %err{...} | -- final states\\
1741 \sasp\verb|@!action     @err(name)     @err{...} | -- any state except final states\\
1742 \sasp\verb|<>!action    <>err(name)    <>err{...}| -- any except start and final (middle)
1743 \vspace{12pt}
1744
1745 Global error actions are stored in the states they are embedded into until
1746 compilation is complete. They are then transferred to the transitions that move
1747 into the error state. These transitions are taken on all input characters that
1748 are not already covered by the state's transitions. If a state with an error
1749 action is not final when compilation is complete, then the action is also
1750 embedded as an EOF action.
1751
1752 Error actions can be used to recover from errors by jumping back into the
1753 machine with \verb|fgoto| and optionally altering \verb|p|.
1754
1755 \subsubsection{Local Error Actions}
1756
1757 \sasp\verb|>^action     >lerr(name)     >lerr{...} | -- the start state\\
1758 \sasp\verb|<^action     <lerr(name)     <lerr{...} | -- any state except the start state\\
1759 \sasp\verb|$^action     $lerr(name)     $lerr{...} | -- all states\\
1760 \sasp\verb|%^action     %lerr(name)     %lerr{...} | -- final states\\
1761 \sasp\verb|@^action     @lerr(name)     @lerr{...} | -- any state except final states\\
1762 \sasp\verb|<>^action    <>lerr(name)    <>lerr{...}| -- any except start and final (middle)
1763 \vspace{12pt}
1764
1765 Like global error actions, local error actions are also stored in the states
1766 they are embedded into until a transfer point. The transfer point is different
1767 however. Each local error action embedding is associated with a name. When a
1768 machine definition has been fully constructed, all local error action
1769 embeddings associated with the same name as the machine definition are
1770 transferred to the error transitions. At this time they are also embedded as
1771 EOF actions in the case of non-final states.
1772
1773 Local error actions can be used to specify an action to take when a particular
1774 section of a larger state machine fails to match. A particular machine
1775 definition's ``thread'' may die and the local error actions executed, however
1776 the machine as a whole may continue to match input.
1777
1778 There are two forms of local error action embeddings. In the first form the
1779 name defaults to the current machine. In the second form the machine name can
1780 be specified.  This is useful when it is more convenient to specify the local
1781 error action in a sub-definition that is used to construct the machine
1782 definition where the transfer should happen. To embed local error actions and
1783 explicitly state the machine on which the transfer is to happen use
1784 \verb|(name, action)| as the action.
1785
1786 \subsubsection{Example}
1787
1788 The following example uses error actions to report an error and jump to a
1789 machine that consumes the remainder of the line when parsing fails. After
1790 consuming the line, the error recovery machine returns to the main loop.
1791
1792 % GENERATE: erract
1793 % %%{
1794 %       machine erract;
1795 %       ws = ' ';
1796 %       address = 'foo@bar.com';
1797 %       date = 'Monday May 12';
1798 \begin{inline_code}
1799 \begin{verbatim}
1800 action cmd_err { 
1801     printf( "command error\n" ); 
1802     fhold; fgoto line;
1803 }
1804 action from_err { 
1805     printf( "from error\n" ); 
1806     fhold; fgoto line; 
1807 }
1808 action to_err { 
1809     printf( "to error\n" ); 
1810     fhold; fgoto line;
1811 }
1812
1813 line := [^\n]* '\n' @{ fgoto main; };
1814
1815 main := (
1816     (
1817         'from' @err(cmd_err) 
1818             ( ws+ address ws+ date '\n' ) $err(from_err) |
1819         'to' @err(cmd_err)
1820             ( ws+ address '\n' ) $err(to_err)
1821     ) 
1822 )*;
1823 \end{verbatim}
1824 \end{inline_code}
1825 % }%%
1826 % %% write data;
1827 % void f()
1828 % {
1829 %       %% write init;
1830 %       %% write exec;
1831 % }
1832 % END GENERATE
1833
1834
1835
1836 \section{Action Ordering and Duplicates}
1837
1838 When combining expressions that have embedded actions it is often the case that
1839 a number of actions must be executed on a single input character. For example,
1840 following a concatenation the pending out action of the left expression and the
1841 entering action of the right expression will be embedded into one transition.
1842 This requires a method of ordering actions that is intuitive and
1843 predictable for the user, and repeatable for the compiler. 
1844
1845 We associate with the embedding of each action a unique timestamp that is
1846 used to order actions that appear together on a single transition in the final
1847 state machine. To accomplish this we recursively traverse the parse tree of
1848 regular expressions and assign timestamps to action embeddings. References to
1849 machine definitions are followed in the traversal. When we visit a
1850 parse tree node we assign timestamps to all {\em entering} action embeddings,
1851 recurse on the parse tree, then assign timestamps to the remaining {\em all},
1852 {\em finishing}, and {\em leaving} embeddings in the order in which they
1853 appear.
1854
1855 Ragel does not permit a single action to appear multiple times in an action
1856 list. When the final machine has been created, actions that appear more than
1857 once in a single transition or EOF action list have their duplicates removed.
1858 The first appearance of the action is preserved. This is useful in a number of
1859 scenarios. First, it allows us to union machines with common prefixes without
1860 worrying about the action embeddings in the prefix being duplicated. Second, it
1861 prevents pending out actions from being transferred multiple times. This can
1862 happen when a machine is repeated, then followed with another machine that
1863 begins with a common character. For example:
1864
1865 \verbspace
1866 \begin{verbatim}
1867 word = [a-z]+ %act;
1868 main := word ( '\n' word )* '\n\n';
1869 \end{verbatim}
1870
1871 Note that Ragel does not compare action bodies to determine if they have
1872 identical program text. It simply checks for duplicates using each action
1873 block's unique location in the program.
1874
1875 \section{Values and Statements Available in Code Blocks}
1876 \label{vals}
1877
1878 \noindent The following values are available in code blocks:
1879
1880 \begin{itemize}
1881 \item \verb|fpc| -- A pointer to the current character. This is equivalent to
1882 accessing the \verb|p| variable.
1883
1884 \item \verb|fc| -- The current character. This is equivalent to the expression \verb|(*p)|.
1885
1886 \item \verb|fcurs| -- An integer value representing the current state. This
1887 value should only be read from. To move to a different place in the machine
1888 from action code use the \verb|fgoto|, \verb|fnext| or \verb|fcall| statements.
1889 Outside of the machine execution code the \verb|cs| variable may be modified.
1890
1891 \item \verb|ftargs| -- An integer value representing the target state. This
1892 value should only be read from. Again, \verb|fgoto|, \verb|fnext| and
1893 \verb|fcall| can be used to move to a specific entry point.
1894
1895 \item \verb|fentry(<label>)| -- Retrieve an integer value representing the
1896 entry point \verb|label|. The integer value returned will be a compile time
1897 constant. This number is suitable for later use in control flow transfer
1898 statements that take an expression. This value should not be compared against
1899 the current state because any given label can have multiple states representing
1900 it. The value returned by \verb|fentry| will be one of the possibly multiple states the
1901 label represents.
1902 \end{itemize}
1903
1904 \noindent The following statements are available in code blocks:
1905
1906 \begin{itemize}
1907
1908 \item \verb|fhold;| -- Do not advance over the current character. If processing
1909 data in multiple buffer blocks, the \verb|fhold| statement should only be used
1910 once in the set of actions executed on a character.  Multiple calls may result
1911 in backing up over the beginning of the buffer block. The \verb|fhold|
1912 statement does not imply any transfer of control. It is equivalent to the
1913 \verb|p--;| statement. 
1914
1915 \item \verb|fexec <expr>;| -- Set the next character to process. This can be
1916 used to backtrack to previous input or advance ahead.
1917 Unlike \verb|fhold|, which can be used
1918 anywhere, \verb|fexec| requires the user to ensure that the target of the
1919 backtrack is in the current buffer block or is known to be somewhere ahead of
1920 it. The machine will continue iterating forward until \verb|pe| is arrived at,
1921 \verb|fbreak| is called or the machine moves into the error state. In actions
1922 embedded into transitions, the \verb|fexec| statement is equivalent to setting
1923 \verb|p| to one position ahead of the next character to process.  If the user
1924 also modifies \verb|pe|, it is possible to change the buffer block entirely.
1925
1926 \item \verb|fgoto <label>;| -- Jump to an entry point defined by
1927 \verb|<label>|.  The \verb|fgoto| statement immediately transfers control to
1928 the destination state.
1929
1930 \item \verb|fgoto *<expr>;| -- Jump to an entry point given by \verb|<expr>|.
1931 The expression must evaluate to an integer value representing a state.
1932
1933 \item \verb|fnext <label>;| -- Set the next state to be the entry point defined
1934 by \verb|label|.  The \verb|fnext| statement does not immediately jump to the
1935 specified state. Any action code following the statement is executed.
1936
1937 \item \verb|fnext *<expr>;| -- Set the next state to be the entry point given
1938 by \verb|<expr>|. The expression must evaluate to an integer value representing
1939 a state.
1940
1941 \item \verb|fcall <label>;| -- Push the target state and jump to the entry
1942 point defined by \verb|<label>|.  The next \verb|fret| will jump to the target
1943 of the transition on which the call was made. Use of \verb|fcall| requires
1944 the declaration of a call stack. An array of integers named \verb|stack| and a
1945 single integer named \verb|top| must be declared. With the \verb|fcall|
1946 construct, control is immediately transferred to the destination state.
1947
1948 \item \verb|fcall *<expr>;| -- Push the current state and jump to the entry
1949 point given by \verb|<expr>|. The expression must evaluate to an integer value
1950 representing a state.
1951
1952 \item \verb|fret;| -- Return to the target state of the transition on which the
1953 last \verb|fcall| was made.  Use of \verb|fret| requires the declaration of a
1954 call stack with \verb|fstack| in the struct block.  Control is immediately
1955 transferred to the destination state.
1956
1957 \item \verb|fbreak;| -- Save the current state and immediately break out of the
1958 execute loop. This statement is useful in conjunction with the \verb|noend|
1959 write option. Rather than process input until the end marker of the input
1960 buffer is arrived at, the fbreak statement can be used to stop processing input
1961 upon seeing some end-of-string marker.  It can also be used for handling
1962 exceptional circumstances.  The fbreak statement does not change the pointer to
1963 the current character. After an \verb|fbreak| call the \verb|p| variable will point to
1964 the character that was being traversed over when the action was
1965 executed. The current state will be the target of the current transition.
1966
1967 \end{itemize}
1968
1969 \noindent {\bf Note:} Once actions with control-flow commands are embedded into a
1970 machine, the user must exercise caution when using the machine as the operand
1971 to other machine construction operators. If an action jumps to another state
1972 then unioning any transition that executes that action with another transition
1973 that follows some other path will cause that other path to be lost. Using
1974 commands that manually jump around a machine takes us out of the domain of
1975 regular languages because transitions that may be conditional and that the
1976 machine construction operators are not aware of are introduced.  These
1977 commands should therefore be used with caution.
1978
1979
1980 \chapter{Controlling Nondeterminism}
1981 \label{controlling-nondeterminism}
1982
1983 Along with the flexibility of arbitrary action embeddings comes a need to
1984 control nondeterminism in regular expressions. If a regular expression is
1985 ambiguous, then sub-components of a parser other than the intended parts may become
1986 active. This means that actions that are irrelevant to the
1987 current subset of the parser may be executed, causing problems for the
1988 programmer.
1989
1990 Tools that are based on regular expression engines and used for
1991 recognition tasks will usually function as intended regardless of the presence
1992 of ambiguities. It is quite common for users of scripting languages to write
1993 regular expressions that are heavily ambiguous and it generally does not
1994 matter. As long as one of the potential matches is recognized, there can be any
1995 number of other matches present.  In some parsing systems the run-time engine
1996 can employ a strategy for resolving ambiguities, for example always pursuing
1997 the longest possible match and discarding others.
1998
1999 In Ragel, there is no regular expression run-time engine, just a simple state
2000 machine execution model. When we begin to embed actions and face the
2001 possibility of spurious action execution, it becomes clear that controlling
2002 nondeterminism at the machine construction level is very important. Consider
2003 the following example.
2004
2005 % GENERATE: lines1
2006 % OPT: -p
2007 % %%{
2008 % machine lines1;
2009 % action first {}
2010 % action tail {}
2011 % word = [a-z]+;
2012 \begin{inline_code}
2013 \begin{verbatim}
2014 ws = [\n\t ];
2015 line = word $first ( ws word $tail )* '\n';
2016 lines = line*;
2017 \end{verbatim}
2018 \end{inline_code}
2019 % main := lines;
2020 % }%%
2021 % END GENERATE
2022
2023 \begin{center}
2024 \includegraphics[scale=0.53]{lines1}
2025 \end{center}
2026 \graphspace
2027
2028 Since the \verb|ws| expression includes the newline character, we will
2029 not finish the \verb|line| expression when a newline character is seen. We will
2030 simultaneously pursue the possibility of matching further words on the same
2031 line and the possibility of matching a second line. Evidence of this fact is 
2032 in the state tables. On several transitions both the \verb|first| and
2033 \verb|tail| actions are executed.  The solution here is simple: exclude
2034 the newline character from the \verb|ws| expression. 
2035
2036 % GENERATE: lines2
2037 % OPT: -p
2038 % %%{
2039 % machine lines2;
2040 % action first {}
2041 % action tail {}
2042 % word = [a-z]+;
2043 \begin{inline_code}
2044 \begin{verbatim}
2045 ws = [\t ];
2046 line = word $first ( ws word $tail )* '\n';
2047 lines = line*;
2048 \end{verbatim}
2049 \end{inline_code}
2050 % main := lines;
2051 % }%%
2052 % END GENERATE
2053
2054 \begin{center}
2055 \includegraphics[scale=0.55]{lines2}
2056 \end{center}
2057 \graphspace
2058
2059 Solving this kind of problem is straightforward when the ambiguity is created
2060 by strings that are a single character long.  When the ambiguity is created by
2061 strings that are multiple characters long we have a more difficult problem.
2062 The following example is an incorrect attempt at a regular expression for C
2063 language comments. 
2064
2065 % GENERATE: comments1
2066 % OPT: -p
2067 % %%{
2068 % machine comments1;
2069 % action comm {}
2070 \begin{inline_code}
2071 \begin{verbatim}
2072 comment = '/*' ( any @comm )* '*/';
2073 main := comment ' ';
2074 \end{verbatim}
2075 \end{inline_code}
2076 % }%%
2077 % END GENERATE
2078
2079 \begin{center}
2080 \includegraphics[scale=0.55]{comments1}
2081 \end{center}
2082 \graphspace
2083
2084 Using standard concatenation, we will never leave the \verb|any*| expression.
2085 We will forever entertain the possibility that a \verb|'*/'| string that we see
2086 is contained in a longer comment and that, simultaneously, the comment has
2087 ended.  The concatenation of the \verb|comment| machine with \verb|SP| is done
2088 to show this. When we match space, we are also still matching the comment body.
2089
2090 One way to approach the problem is to exclude the terminating string
2091 from the \verb|any*| expression using set difference. We must be careful to
2092 exclude not just the terminating string, but any string that contains it as a
2093 substring. A verbose, but proper specification of a C comment parser is given
2094 by the following regular expression. 
2095
2096 % GENERATE: comments2
2097 % OPT: -p
2098 % %%{
2099 % machine comments2;
2100 % action comm {}
2101 \begin{inline_code}
2102 \begin{verbatim}
2103 comment = '/*' ( ( any @comm )* - ( any* '*/' any* ) ) '*/';
2104 \end{verbatim}
2105 \end{inline_code}
2106 % main := comment;
2107 % }%%
2108 % END GENERATE
2109
2110 \graphspace
2111 \begin{center}
2112 \includegraphics[scale=0.55]{comments2}
2113 \end{center}
2114 \graphspace
2115
2116 Note that Ragel's strong subtraction operator \verb|--| can also be used here.
2117 In doing this subtraction we have phrased the problem of controlling non-determinism in
2118 terms of excluding strings common to two expressions that interact when
2119 combined.
2120 We can also phrase the problem in terms of the transitions of the state
2121 machines that implement these expressions. During the concatenation of
2122 \verb|any*| and \verb|'*/'| we will be making transitions that are composed of
2123 both the loop of the first expression and the final character of the second.
2124 At this time we want the transition on the \verb|'/'| character to take precedence
2125 over and disallow the transition that originated in the \verb|any*| loop.
2126
2127 In another parsing problem, we wish to implement a lightweight tokenizer that we can
2128 utilize in the composition of a larger machine. For example, some HTTP headers
2129 have a token stream as a sub-language. The following example is an attempt
2130 at a regular expression-based tokenizer that does not function correctly due to
2131 unintended nondeterminism.
2132
2133 \newpage
2134
2135 % GENERATE: smallscanner
2136 % OPT: -p
2137 % %%{
2138 % machine smallscanner;
2139 % action start_str {}
2140 % action on_char {}
2141 % action finish_str {}
2142 \begin{inline_code}
2143 \begin{verbatim}
2144 header_contents = ( 
2145     lower+ >start_str $on_char %finish_str | 
2146     ' '
2147 )*;
2148 \end{verbatim}
2149 \end{inline_code}
2150 % main := header_contents;
2151 % }%%
2152 % END GENERATE
2153
2154 \begin{center}
2155 \includegraphics[scale=0.55]{smallscanner}
2156 \end{center}
2157 \graphspace
2158
2159 In this case, the problem with using a standard kleene star operation is that
2160 there is an ambiguity between extending a token and wrapping around the machine
2161 to begin a new token. Using the standard operator, we get an undesirable
2162 nondeterministic behaviour. Evidence of this can be seen on the transition out
2163 of state one to itself.  The transition extends the string, and simultaneously,
2164 finishes the string only to immediately begin a new one.  What is required is
2165 for the
2166 transitions that represent an extension of a token to take precedence over the
2167 transitions that represent the beginning of a new token. For this problem
2168 there is no simple solution that uses standard regular expression operators.
2169
2170 \section{Priorities}
2171
2172 A priority mechanism was devised and built into the determinization
2173 process, specifically for the purpose of allowing the user to control
2174 nondeterminism.  Priorities are integer values embedded into transitions. When
2175 the determinization process is combining transitions that have different
2176 priorities, the transition with the higher priority is preserved and the
2177 transition with the lower priority is dropped.
2178
2179 Unfortunately, priorities can have unintended side effects because their
2180 operation requires that they linger in transitions indefinitely. They must linger
2181 because the Ragel program cannot know when the user is finished with a priority
2182 embedding.  A solution whereby they are explicitly deleted after use is
2183 conceivable; however this is not very user-friendly.  Priorities were therefore
2184 made into named entities. Only priorities with the same name are allowed to
2185 interact.  This allows any number of priorities to coexist in one machine for
2186 the purpose of controlling various different regular expression operations and
2187 eliminates the need to ever delete them. Such a scheme allows the user to
2188 choose a unique name, embed two different priority values using that name
2189 and be confident that the priority embedding will be free of any side effects.
2190
2191 In the first form of priority embedding the name defaults to the name of the machine
2192 definition that the priority is assigned in. In this sense priorities are by
2193 default local to the current machine definition or instantiation. Beware of
2194 using this form in a longest-match machine, since there is only one name for
2195 the entire set of longest match patterns. In the second form the priority's
2196 name can be specified, allowing priority interaction across machine definition
2197 boundaries.
2198
2199 \begin{itemize}
2200 \setlength{\parskip}{0in}
2201 \item \verb|expr > int| -- Sets starting transitions to have priority int.
2202 \item \verb|expr @ int| -- Sets transitions that go into a final state to have priority int. 
2203 \item \verb|expr $ int| -- Sets all transitions to have priority int.
2204 \item \verb|expr % int| -- Sets pending out transitions from final states to
2205 have priority int.\\ When a transition is made going out of the machine (either
2206 by concatenation or kleene star) its priority is immediately set to the pending
2207 out priority.  
2208 \end{itemize}
2209
2210 The second form of priority assignment allows the programmer to specify the name
2211 to which the priority is assigned.
2212
2213 \begin{itemize}
2214 \setlength{\parskip}{0in}
2215 \item \verb|expr > (name, int)| -- Starting transitions.
2216 \item \verb|expr @ (name, int)| -- Finishing transitions (into a final state).
2217 \item \verb|expr $ (name, int)| -- All transitions.
2218 \item \verb|expr % (name, int)| -- Pending out transitions.
2219 \end{itemize}
2220
2221 \section{Guarded Operators that Encapsulate Priorities}
2222
2223 Priority embeddings are a very expressive mechanism. At the same time they
2224 can be very confusing for the user. They force the user to imagine
2225 the transitions inside two interacting expressions and work out the precise
2226 effects of the operations between them. When we consider
2227 that this problem is worsened by the
2228 potential for side effects caused by unintended priority name collisions, we
2229 see that exposing the user to priorities is rather undesirable.
2230
2231 Fortunately, in practice the use of priorities has been necessary only in a
2232 small number of scenarios.  This allows us to encapsulate their functionality
2233 into a small set of operators and fully hide them from the user. This is
2234 advantageous from a language design point of view because it greatly simplifies
2235 the design.  
2236
2237 Going back to the C comment example, we can now properly specify
2238 it using a guarded concatenation operator which we call {\em finish-guarded
2239 concatenation}. From the user's point of view, this operator terminates the
2240 first machine when the second machine moves into a final state.  It chooses a
2241 unique name and uses it to embed a low priority into all
2242 transitions of the first machine. A higher priority is then embedded into the
2243 transitions of the second machine that enter into a final state. The following
2244 example yields a machine identical to the example in Section 
2245 \ref{controlling-nondeterminism}.
2246
2247 \begin{inline_code}
2248 \begin{verbatim}
2249 comment = '/*' ( any @comm )* :>> '*/';
2250 \end{verbatim}
2251 \end{inline_code}
2252
2253 \graphspace
2254 \begin{center}
2255 \includegraphics[scale=0.55]{comments2}
2256 \end{center}
2257 \graphspace
2258
2259 Another guarded operator is {\em left-guarded concatenation}, given by the
2260 \verb|<:| compound symbol. This operator places a higher priority on all
2261 transitions of the first machine. This is useful if one must forcibly separate
2262 two lists that contain common elements. For example, one may need to tokenize a
2263 stream, but first consume leading whitespace.
2264
2265 Ragel also includes a {\em longest-match kleene star} operator, given by the
2266 \verb|**| compound symbol. This 
2267 guarded operator embeds a high
2268 priority into all transitions of the machine. 
2269 A lower priority is then embedded into pending out transitions
2270 (in a manner similar to pending out action embeddings, described in Section
2271 \ref{out-actions}).  When the kleene star operator makes the epsilon transitions from
2272 the final states into the start state, the lower priority will be transferred
2273 to the epsilon transitions. In cases where following an epsilon transition
2274 out of a final state conflicts with an existing transition out of a final
2275 state, the epsilon transition will be dropped.
2276
2277 Other guarded operators are conceivable, such as guards on union that cause one
2278 alternative to take precedence over another. These may be implemented when it
2279 is clear they constitute a frequently used operation.
2280 In the next section we discuss the explicit specification of state machines
2281 using state charts.
2282
2283 \subsection{Entry-Guarded Concatenation}
2284
2285 \verb|expr :> expr| 
2286 \verbspace
2287
2288 This operator concatenates two machines, but first assigns a low
2289 priority to all transitions
2290 of the first machine and a high priority to the starting transitions of the
2291 second machine. This operator is useful if from the final states of the first
2292 machine, it is possible to accept the characters in the start transitions of
2293 the second machine. This operator effectively terminates the first machine
2294 immediately upon starting the second machine, where otherwise they would be
2295 pursued concurrently. In the following example, entry-guarded concatenation is
2296 used to move out of a machine that matches everything at the first sign of an
2297 end-of-input marker.
2298
2299 % GENERATE: entryguard
2300 % OPT: -p
2301 % %%{
2302 % machine entryguard;
2303 \begin{inline_code}
2304 \begin{verbatim}
2305 # Leave the catch-all machine on the first character of FIN.
2306 main := any* :> 'FIN';
2307 \end{verbatim}
2308 \end{inline_code}
2309 % }%%
2310 % END GENERATE
2311
2312 \begin{center}
2313 \includegraphics[scale=0.55]{entryguard}
2314 \end{center}
2315 \graphspace
2316
2317 Entry-guarded concatenation is equivalent to the following:
2318
2319 \verbspace
2320 \begin{verbatim}
2321 expr $(unique_name,0) . expr >(unique_name,1)
2322 \end{verbatim}
2323
2324 \subsection{Finish-Guarded Concatenation}
2325
2326 \verb|expr :>> expr|
2327 \verbspace
2328
2329 This operator is
2330 like the previous operator, except the higher priority is placed on the final
2331 transitions of the second machine. This is useful if one wishes to entertain
2332 the possibility of continuing to match the first machine right up until the
2333 second machine enters a final state. In other words it terminates the first
2334 machine only when the second accepts. In the following example, finish-guarded
2335 concatenation causes the move out of the machine that matches everything to be
2336 delayed until the full end-of-input marker has been matched.
2337
2338 % GENERATE: finguard
2339 % OPT: -p
2340 % %%{
2341 % machine finguard;
2342 \begin{inline_code}
2343 \begin{verbatim}
2344 # Leave the catch-all machine on the last character of FIN.
2345 main := any* :>> 'FIN';
2346 \end{verbatim}
2347 \end{inline_code}
2348 % }%%
2349 % END GENERATE
2350
2351 \begin{center}
2352 \includegraphics[scale=0.55]{finguard}
2353 \end{center}
2354 \graphspace
2355
2356 Finish-guarded concatenation is equivalent to the following:
2357
2358 \verbspace
2359 \begin{verbatim}
2360 expr $(unique_name,0) . expr @(unique_name,1)
2361 \end{verbatim}
2362
2363 \subsection{Left-Guarded Concatenation}
2364
2365 \verb|expr <: expr| 
2366 \verbspace
2367
2368 This operator places
2369 a higher priority on the left expression. It is useful if you want to prefix a
2370 sequence with another sequence composed of some of the same characters. For
2371 example, one can consume leading whitespace before tokenizing a sequence of
2372 whitespace-separated words as in:
2373
2374 % GENERATE: leftguard
2375 % OPT: -p
2376 % %%{
2377 % machine leftguard;
2378 % action alpha {}
2379 % action ws {}
2380 % action start {}
2381 % action fin {}
2382 \begin{inline_code}
2383 \begin{verbatim}
2384 main := ( ' '* >start %fin ) <: ( ' ' $ws | [a-z] $alpha )*;
2385 \end{verbatim}
2386 \end{inline_code}
2387 % }%%
2388 % END GENERATE
2389
2390 \graphspace
2391 \begin{center}
2392 \includegraphics[scale=0.55]{leftguard}
2393 \end{center}
2394 \graphspace
2395
2396 Left-guarded concatenation is equivalent to the following:
2397
2398 \verbspace
2399 \begin{verbatim}
2400 expr $(unique_name,1) . expr >(unique_name,0)
2401 \end{verbatim}
2402 \verbspace
2403
2404 \subsection{Longest-Match Kleene Star}
2405 \label{longest_match_kleene_star}
2406
2407 \verb|expr**| 
2408 \verbspace
2409
2410 This version of kleene star puts a higher priority on staying in the
2411 machine versus wrapping around and starting over. The LM kleene star is useful
2412 when writing simple tokenizers.  These machines are built by applying the
2413 longest-match kleene star to an alternation of token patterns, as in the
2414 following.
2415
2416 \verbspace
2417
2418 % GENERATE: lmkleene
2419 % OPT: -p
2420 % %%{
2421 % machine exfinpri;
2422 % action A {}
2423 % action B {}
2424 \begin{inline_code}
2425 \begin{verbatim}
2426 # Repeat tokens, but make sure to get the longest match.
2427 main := (
2428     lower ( lower | digit )* %A | 
2429     digit+ %B | 
2430     ' '
2431 )**;
2432 \end{verbatim}
2433 \end{inline_code}
2434 % }%%
2435 % END GENERATE
2436
2437 \begin{center}
2438 \includegraphics[scale=0.55]{lmkleene}
2439 \end{center}
2440 \graphspace
2441
2442 If a regular kleene star were used the machine above would not be able to
2443 distinguish between extending a word and beginning a new one.  This operator is
2444 equivalent to:
2445
2446 \verbspace
2447 \begin{verbatim}
2448 ( expr $(unique_name,1) %(unique_name,0) )*
2449 \end{verbatim}
2450 \verbspace
2451
2452 When the kleene star is applied, transitions that go out of the machine and
2453 back into it are made. These are assigned a priority of zero by the pending out
2454 transition mechanism. This is less than the priority of one assigned to the
2455 transitions leaving the final states but not leaving the machine. When two of
2456 these transitions clash on the same character, the differing priorities cause
2457 the transition that stays in the machine to take precedence.  The transition
2458 that wraps around is dropped.
2459
2460 Note that this operator does not build a scanner in the traditional sense
2461 because there is never any backtracking. To build a scanner in the traditional
2462 sense use the Longest-Match machine construction described in Section
2463 \ref{generating-scanners}.
2464
2465 \chapter{Interface to Host Program}
2466
2467 The Ragel code generator is very flexible. The generated code has no
2468 dependencies and can be inserted in any function, perhaps inside a loop if so
2469 desired.  The user is responsible for declaring and initializing a number of
2470 required variables, including the current state and the pointer to the input
2471 stream. These can live in any scope. Control of the input processing loop is
2472 also possible: the user may break out of the processing loop and return to it
2473 at any time.
2474
2475 In the case of C and D host languages, Ragel is able to generate very
2476 fast-running code that implements state machines as directly executable code.
2477 Since very large files strain the host language compiler, table-based code
2478 generation is also supported. In the future we hope to provide a partitioned,
2479 directly executable format that is able to reduce the burden on the host
2480 compiler by splitting large machines across multiple functions.
2481
2482 In the case of Java and Ruby, table-based code generation is the only code
2483 style supported. In the future this may be expanded to include other code
2484 styles.
2485
2486 Ragel can be used to parse input in one block, or it can be used to parse input
2487 in a sequence of blocks as it arrives from a file or socket.  Parsing the input
2488 in a sequence of blocks brings with it a few responsibilities. If the parser
2489 utilizes a scanner, care must be taken to not break the input stream anywhere
2490 but token boundaries.  If pointers to the input stream are taken during
2491 parsing, care must be taken to not use a pointer that has been invalidated by
2492 movement to a subsequent block.  If the current input data pointer is moved
2493 backwards it must not be moved past the beginning of the current block.
2494
2495 Figure \ref{basic-example} shows a simple Ragel program that does not have any
2496 actions. The example tests the first argument of the program against a number
2497 pattern and then prints the machine's acceptance status.
2498
2499 \begin{figure}
2500 \small
2501 \begin{verbatim}
2502 #include <stdio.h>
2503 #include <string.h>
2504 %%{
2505     machine foo;
2506     write data;
2507 }%%
2508 int main( int argc, char **argv )
2509 {
2510     int cs;
2511     if ( argc > 1 ) {
2512         char *p = argv[1];
2513         char *pe = p + strlen( p );
2514         %%{ 
2515             main := [0-9]+ ( '.' [0-9]+ )?;
2516
2517             write init;
2518             write exec;
2519         }%%
2520     }
2521     printf("result = %i\n", cs >= foo_first_final );
2522     return 0;
2523 }
2524 \end{verbatim}
2525 \caption{A basic Ragel example without any actions.}
2526 \label{basic-example}
2527 \end{figure}
2528
2529 \section{Variables Used by Ragel}
2530
2531 There are a number of variables which Ragel expects the user to declare. At a
2532 very minimum the \verb|cs|, \verb|p| and \verb|pe| variables must be declared.
2533 In Java and Ruby code the \verb|data| variable must also be declared. If
2534 stack-based state machine control flow statements are used then the
2535 \verb|stack| and \verb|top| variables are required. If a scanner is declared
2536 then the \verb|act|, \verb|tokstart| and \verb|tokend| variables must be
2537 declared.
2538
2539 \begin{itemize}
2540
2541 \item \verb|cs| - Current state. This must be an integer and it should persist
2542 across invocations of the machine when the data is broken into blocks that are
2543 processed independently.
2544
2545 \item \verb|p| - Data pointer. In C/D code this variable is expected to be a
2546 pointer to the character data to process. It should be initialized to the
2547 beginning of the data block on every run of the machine. In Java and Ruby it is
2548 used as an offset to \verb|data| and must be an integer. In this case it should
2549 be initialized to zero on every run of the machine.
2550
2551 \item \verb|pe| - Data end pointer. This should be initialized to \verb|p| plus
2552 the data length on every run of the machine. In Java and Ruby code this should
2553 be initialized to the data length.
2554
2555 \item \verb|eof| - End of file pointer. This should be set to \verb|pe| when
2556 the buffer block being processed is the last one, otherwise it should be set to
2557 null. In Java and Ruby code \verb|-1| must be used instead of null. If the EOF
2558 event can be known only after the final buffer block has been processed, then
2559 it is possible to set \verb|p = pe = eof| and run the execute block.
2560
2561 \item \verb|data| - This variable is only required in Java and Ruby code. It
2562 must be an array containting the data to process.
2563
2564 \item \verb|stack| - This must be an array of integers. It is used to store
2565 integer values representing states. If the stack must resize dynamically the
2566 Pre-push and Post-Pop statements can be used to do this (Sections
2567 \ref{prepush} and \ref{postpop}).
2568
2569 \item \verb|top| - This must be an integer value and will be used as an offset
2570 to \verb|stack|, giving the next available spot on the top of the stack.
2571
2572 \item \verb|act| - This must be an integer value. It is a variable sometimes
2573 used by scanner code to keep track of the most recent successful pattern match.
2574
2575 \item \verb|tokstart| - This must be a pointer to character data. In Java and
2576 Ruby code this must be an integer. See Section \ref{generating-scanners} for
2577 more information.
2578
2579 \item \verb|tokend| - Also a pointer to character data.
2580
2581 \end{itemize}
2582
2583 \section{Alphtype Statement}
2584
2585 \begin{verbatim}
2586 alphtype unsigned int;
2587 \end{verbatim}
2588 \verbspace
2589
2590 The alphtype statement specifies the alphabet data type that the machine
2591 operates on. During the compilation of the machine, integer literals are expected to
2592 be in the range of possible values of the alphtype.  Supported alphabet types
2593 are \verb|char|, \verb|unsigned char|, \verb|short|, \verb|unsigned short|,
2594 \verb|int|, \verb|unsigned int|, \verb|long|, and \verb|unsigned long|. 
2595 The default is \verb|char|.
2596
2597 \section{Getkey Statement}
2598
2599 \begin{verbatim}
2600 getkey fpc->id;
2601 \end{verbatim}
2602 \verbspace
2603
2604 Specify to Ragel how to retrieve the character that the machine operates on
2605 from the pointer to the current element (\verb|p|). Any expression that returns
2606 a value of the alphabet type
2607 may be used. The getkey statement may be used for looking into element
2608 structures or for translating the character to process. The getkey expression
2609 defaults to \verb|(*p)|. In goto-driven machines the getkey expression may be
2610 evaluated more than once per element processed, therefore it should not incur a
2611 large cost nor preclude optimization.
2612
2613 \section{Access Statement}
2614
2615 \begin{verbatim}
2616 access fsm->;
2617 \end{verbatim}
2618 \verbspace
2619
2620 The access statement allows one to tell Ragel how the generated code should
2621 access the machine data that is persistent across processing buffer blocks.
2622 This includes all variables except \verb|p| and \verb|pe|. This includes
2623 \verb|cs|, \verb|top|, \verb|stack|, \verb|tokstart|, \verb|tokend| and \verb|act|.
2624 This is useful if a machine is to be encapsulated inside a
2625 structure in C code. The access statement can be used to give the name of
2626 a pointer to the structure.
2627
2628 \section{Variable Statement}
2629
2630 \begin{verbatim}
2631 variable p fsm->p;
2632 \end{verbatim}
2633 \verbspace
2634
2635 The variable statement allows one to tell ragel how to access a specific
2636 variable. All of the variables that are declared by the user and
2637 used by Ragel can be changed. This includes \verb|p|, \verb|pe|, \verb|cs|,
2638 \verb|top|, \verb|stack|, \verb|tokstart|, \verb|tokend| and \verb|act|.
2639 In Ruby and Java code generation the \verb|data| variable can also be changed.
2640
2641 \section{Pre-Push Statement}
2642 \label{prepush}
2643
2644 \begin{verbatim}
2645 prepush { 
2646         /* stack growing code */
2647 }
2648 \end{verbatim}
2649 \verbspace
2650
2651 The prepush statement allows the user to supply stack management code that is
2652 written out during the generation of fcall, immediately before the current
2653 state is pushed to the stack. This statement can be used to test the number of
2654 available spaces and dynamically grow the stack if necessary.
2655
2656 \section{Post-Pop Statement}
2657 \label{postpop}
2658
2659 \begin{verbatim}
2660 postpop { 
2661         /* stack shrinking code */
2662 }
2663 \end{verbatim}
2664 \verbspace
2665
2666 The postpop statement allows the user to supply stack management code that is
2667 written out during the generation of fret, immediately after the next state is
2668 popped from the stack. This statement can be used to dynamically shrink the
2669 stack.
2670
2671 \section{Write Statement}
2672 \label{write-statement}
2673
2674 \begin{verbatim}
2675 write <component> [options];
2676 \end{verbatim}
2677 \verbspace
2678
2679
2680 The write statement is used to generate parts of the machine. 
2681 There are four
2682 components that can be generated by a write statement. These components are the
2683 state machine's data, initialization code, execution code and EOF action
2684 execution code. A write statement may appear before a machine is fully defined.
2685 This allows one to write out the data first then later define the machine where
2686 it is used. An example of this is shown in Figure \ref{fbreak-example}.
2687
2688 \subsection{Write Data}
2689 \begin{verbatim}
2690 write data [options];
2691 \end{verbatim}
2692 \verbspace
2693
2694 The write data statement causes Ragel to emit the constant static data needed
2695 by the machine. In table-driven output styles (see Section \ref{genout}) this
2696 is a collection of arrays that represent the states and transitions of the
2697 machine.  In goto-driven machines much less data is emitted. At the very
2698 minimum a start state \verb|name_start| is generated.  All variables written
2699 out in machine data have both the \verb|static| and \verb|const| properties and
2700 are prefixed with the name of the machine and an
2701 underscore. The data can be placed inside a class, inside a function, or it can
2702 be defined as global data.
2703
2704 Two variables are written that may be used to test the state of the machine
2705 after a buffer block has been processed. The \verb|name_error| variable gives
2706 the id of the state that the machine moves into when it cannot find a valid
2707 transition to take. The machine immediately breaks out of the processing loop when
2708 it finds itself in the error state. The error variable can be compared to the
2709 current state to determine if the machine has failed to parse the input. If the
2710 machine is complete, that is from every state there is a transition to a proper
2711 state on every possible character of the alphabet, then no error state is required
2712 and this variable will be set to -1.
2713
2714 The \verb|name_first_final| variable stores the id of the first final state. All of the
2715 machine's states are sorted by their final state status before having their ids
2716 assigned. Checking if the machine has accepted its input can then be done by
2717 checking if the current state is greater-than or equal to the first final
2718 state.
2719
2720 Data generation has several options:
2721
2722 \begin{itemize}
2723 \setlength{\itemsep}{-2mm}
2724 \item \verb|noerror  | - Do not generate the integer variable that gives the
2725 id of the error state.
2726 \item \verb|nofinal  | - Do not generate the integer variable that gives the
2727 id of the first final state.
2728 \item \verb|noprefix | - Do not prefix the variable names with the name of the
2729 machine.
2730 \end{itemize}
2731
2732 \subsection{Write Init}
2733 \begin{verbatim}
2734 write init;
2735 \end{verbatim}
2736 \verbspace
2737
2738 The write init statement causes Ragel to emit initialization code. This should
2739 be executed once before the machine is started. At a very minimum this sets the
2740 current state to the start state. If other variables are needed by the
2741 generated code, such as call stack variables or scanner management
2742 variables, they are also initialized here.
2743
2744 The \verb|nocs| option to the write init statement will cause ragel to skip
2745 intialization of the cs variable. This is useful if the user wishes to use
2746 custom logic to decide which state the specification should start in.
2747
2748 \subsection{Write Exec}
2749 \begin{verbatim}
2750 write exec [options];
2751 \end{verbatim}
2752 \verbspace
2753
2754 The write exec statement causes Ragel to emit the state machine's execution code.
2755 Ragel expects several variables to be available to this code. At a very minimum, the
2756 generated code needs access to the current character position \verb|p|, the ending
2757 position \verb|pe| and the current state \verb|cs|, though \verb|pe|
2758 can be excluded by specifying the \verb|noend| write option.
2759 The \verb|p| variable is the cursor that the execute code will
2760 used to traverse the input. The \verb|pe| variable should be set up to point to one
2761 position past the last valid character in the buffer.
2762
2763 Other variables are needed when certain features are used. For example using
2764 the \verb|fcall| or \verb|fret| statements requires \verb|stack| and
2765 \verb|top| variables to be defined. If a longest-match construction is used,
2766 variables for managing backtracking are required.
2767
2768 The write exec statement has one option. The \verb|noend| option tells Ragel
2769 to generate code that ignores the end position \verb|pe|. In this
2770 case the user must explicitly break out of the processing loop using
2771 \verb|fbreak|, otherwise the machine will continue to process characters until
2772 it moves into the error state. This option is useful if one wishes to process a
2773 null terminated string. Rather than traverse the string to discover then length
2774 before processing the input, the user can break out when the null character is
2775 seen.  The example in Figure \ref{fbreak-example} shows the use of the
2776 \verb|noend| write option and the \verb|fbreak| statement for processing a string.
2777
2778 \begin{figure}
2779 \small
2780 \begin{verbatim}
2781 #include <stdio.h>
2782 %% machine foo;
2783 int main( int argc, char **argv )
2784 {
2785     %% write data noerror nofinal;
2786     int cs, res = 0;
2787     if ( argc > 1 ) {
2788         char *p = argv[1];
2789         %%{ 
2790             main := 
2791                 [a-z]+ 
2792                 0 @{ res = 1; fbreak; };
2793             write init;
2794             write exec noend;
2795         }%%
2796     }
2797     printf("execute = %i\n", res );
2798     return 0;
2799 }
2800 \end{verbatim}
2801 \caption{Use of {\tt noend} write option and the {\tt fbreak} statement for
2802 processing a string.}
2803 \label{fbreak-example}
2804 \end{figure}
2805
2806 \subsection{Write Exports}
2807 \label{export}
2808
2809 \begin{verbatim}
2810 write exports;
2811 \end{verbatim}
2812 \verbspace
2813
2814 The export feature can be used to export simple machine definitions. Machine definitions
2815 are marked for export using the \verb|export| keyword.
2816
2817 \verbspace
2818 \begin{verbatim}
2819 export machine_to_export = 0x44;
2820 \end{verbatim}
2821 \verbspace
2822
2823 When the write exports statement is used these machines are 
2824 written out in the generated code. Defines are used for C and constant integers
2825 are used for D, Java and Ruby. See Section \ref{import} for a description of the
2826 import statement.
2827   
2828 \section{Maintaining Pointers to Input Data}
2829
2830 In the creation of any parser it is not uncommon to require the collection of
2831 the data being parsed.  It is always possible to collect data into a growable
2832 buffer as the machine moves over it, however the copying of data is a somewhat
2833 wasteful use of processor cycles. The most efficient way to collect data from
2834 the parser is to set pointers into the input then later reference them.  This
2835 poses a problem for uses of Ragel where the input data arrives in blocks, such
2836 as over a socket or from a file. If a pointer is set in one buffer block but
2837 must be used while parsing a following buffer block, some extra consideration
2838 to correctness must be made.
2839
2840 The scanner constructions exhibit this problem, requiring the maintenance
2841 code described in Section \ref{generating-scanners}. If a longest-match
2842 construction has been used somewhere in the machine then it is possible to
2843 take advantage of the required prefix maintenance code in the driver program to
2844 ensure pointers to the input are always valid. If laying down a pointer one can
2845 set \verb|tokstart| at the same spot or ahead of it. When data is shifted in
2846 between loops the user must also shift the pointer.  In this way it is possible
2847 to maintain pointers to the input that will always be consistent.
2848
2849 \begin{figure}
2850 \small
2851 \begin{verbatim}
2852     int have = 0;
2853     while ( 1 ) {
2854         char *p, *pe, *data = buf + have;
2855         int len, space = BUFSIZE - have;
2856
2857         if ( space == 0 ) { 
2858             fprintf(stderr, "BUFFER OUT OF SPACE\n");
2859             exit(1);
2860         }
2861
2862         len = fread( data, 1, space, stdin );
2863         if ( len == 0 )
2864             break;
2865
2866         /* Find the last newline by searching backwards. */
2867         p = buf;
2868         pe = data + len - 1;
2869         while ( *pe != '\n' && pe >= buf )
2870             pe--;
2871         pe += 1;
2872
2873         %% write exec;
2874
2875         /* How much is still in the buffer? */
2876         have = data + len - pe;
2877         if ( have > 0 )
2878             memmove( buf, pe, have );
2879
2880         if ( len < space )
2881             break;
2882     }
2883 \end{verbatim}
2884 \caption{An example of line-oriented processing.}
2885 \label{line-oriented}
2886 \end{figure}
2887
2888 In general, there are two approaches for guaranteeing the consistency of
2889 pointers to input data. The first approach is the one just described;
2890 lay down a marker from an action,
2891 then later ensure that the data the marker points to is preserved ahead of
2892 the buffer on the next execute invocation. This approach is good because it
2893 allows the parser to decide on the pointer-use boundaries, which can be
2894 arbitrarily complex parsing conditions. A downside is that it requires any
2895 pointers that are set to be corrected in between execute invocations.
2896
2897 The alternative is to find the pointer-use boundaries before invoking the execute
2898 routine, then pass in the data using these boundaries. For example, if the
2899 program must perform line-oriented processing, the user can scan backwards from
2900 the end of an input block that has just been read in and process only up to the
2901 first found newline. On the next input read, the new data is placed after the
2902 partially read line and processing continues from the beginning of the line.
2903 An example of line-oriented processing is given in Figure \ref{line-oriented}.
2904
2905
2906 \section{Running the Executables}
2907
2908 Ragel is broken down into two parts: a frontend that compiles machines
2909 and emits them in an XML format, and a backend that generates code or a
2910 Graphviz Dot file from the XML data. The purpose of the XML-based intermediate
2911 format is to allow users to inspect their compiled state machines and to
2912 interface Ragel to other tools such as custom visualizers, code generators or
2913 analysis tools. The split also serves to reduce the complexity of the Ragel
2914 program by strictly separating the data structures and algorithms that are used
2915 to compile machines from those that are used to generate code. 
2916
2917 \vspace{10pt}
2918
2919 \noindent The frontend program is called \verb|ragel|. It takes as an argument the host
2920 language. This can be:
2921
2922 \begin{itemize}
2923 \item \verb|-C  | for C/C++/Objective-C code (default)
2924 \item \verb|-D  | for D code.
2925 \item \verb|-J  | for Java code.
2926 \item \verb|-R  | for Ruby code.
2927 \end{itemize}
2928
2929 \noindent There are four code backend programs. These are:
2930
2931 \begin{itemize}
2932 \item \verb|rlgen-cd    | generate code for the C-based and D languages.
2933 \item \verb|rlgen-java  | generate code for the Java language.
2934 \item \verb|rlgen-ruby  | generate code for the Ruby language.
2935 \item \verb|rlgen-dot   | generate a Graphviz Dot file.
2936 \end{itemize}
2937
2938 \section{Choosing a Generated Code Style (C/D only)}
2939 \label{genout}
2940
2941 There are three styles of code output to choose from. Code style affects the
2942 size and speed of the compiled binary. Changing code style does not require any
2943 change to the Ragel program. There are two table-driven formats and a goto
2944 driven format.
2945
2946 In addition to choosing a style to emit, there are various levels of action
2947 code reuse to choose from.  The maximum reuse levels (\verb|-T0|, \verb|-F0|
2948 and \verb|-G0|) ensure that no FSM action code is ever duplicated by encoding
2949 each transition's action list as static data and iterating
2950 through the lists on every transition. This will normally result in a smaller
2951 binary. The less action reuse options (\verb|-T1|, \verb|-F1| and \verb|-G1|)
2952 will usually produce faster running code by expanding each transition's action
2953 list into a single block of code, eliminating the need to iterate through the
2954 lists. This duplicates action code instead of generating the logic necessary
2955 for reuse. Consequently the binary will be larger. However, this tradeoff applies to
2956 machines with moderate to dense action lists only. If a machine's transitions
2957 frequently have less than two actions then the less reuse options will actually
2958 produce both a smaller and a faster running binary due to less action sharing
2959 overhead. The best way to choose the appropriate code style for your
2960 application is to perform your own tests.
2961
2962 The table-driven FSM represents the state machine as constant static data. There are
2963 tables of states, transitions, indices and actions. The current state is
2964 stored in a variable. The execution is simply a loop that looks up the current
2965 state, looks up the transition to take, executes any actions and moves to the
2966 target state. In general, the table-driven FSM can handle any machine, produces
2967 a smaller binary and requires a less expensive host language compile, but
2968 results in slower running code.  Since the table-driven format is the most
2969 flexible it is the default code style.
2970
2971 The flat table-driven machine is a table-based machine that is optimized for
2972 small alphabets. Where the regular table machine uses the current character as
2973 the key in a binary search for the transition to take, the flat table machine
2974 uses the current character as an index into an array of transitions. This is
2975 faster in general, however is only suitable if the span of possible characters
2976 is small.
2977
2978 The goto-driven FSM represents the state machine using goto and switch
2979 statements. The execution is a flat code block where the transition to take is
2980 computed using switch statements and directly executable binary searches.  In
2981 general, the goto FSM produces faster code but results in a larger binary and a
2982 more expensive host language compile.
2983
2984 The goto-driven format has an additional action reuse level (\verb|-G2|) that
2985 writes actions directly into the state transitioning logic rather than putting
2986 all the actions together into a single switch. Generally this produces faster
2987 running code because it allows the machine to encode the current state using
2988 the processor's instruction pointer. Again, sparse machines may actually
2989 compile to smaller binaries when \verb|-G2| is used due to less state and
2990 action management overhead. For many parsing applications \verb|-G2| is the
2991 preferred output format.
2992
2993 \verbspace
2994 \begin{center}
2995 \begin{tabular}{|c|c|}
2996 \hline
2997 \multicolumn{2}{|c|}{\bf Code Output Style Options} \\
2998 \hline
2999 \verb|-T0|&binary search table-driven\\
3000 \hline
3001 \verb|-T1|&binary search, expanded actions\\
3002 \hline
3003 \verb|-F0|&flat table-driven\\
3004 \hline
3005 \verb|-F1|&flat table, expanded actions\\
3006 \hline
3007 \verb|-G0|&goto-driven\\
3008 \hline
3009 \verb|-G1|&goto, expanded actions\\
3010 \hline
3011 \verb|-G2|&goto, in-place actions\\
3012 \hline
3013 \end{tabular}
3014 \end{center}
3015
3016 \chapter{Beyond the Basic Model}
3017
3018 \section{Parser Modularization}
3019
3020 It is possible to use Ragel's machine construction and action embedding
3021 operators to specify an entire parser using a single regular expression. In
3022 many cases this is the desired way to specify a parser in Ragel. However, in
3023 some scenarios, the language to parse may be so large that it is difficult to
3024 think about it as a single regular expression. It may shift between distinct
3025 parsing strategies, in which case modularization into several coherent blocks
3026 of the language may be appropriate.
3027
3028 It may also be the case that patterns that compile to a large number of states
3029 must be used in a number of different contexts and referencing them in each
3030 context results in a very large state machine. In this case, an ability to reuse
3031 parsers would reduce code size.
3032
3033 To address this, distinct regular expressions may be instantiated and linked
3034 together by means of a jumping and calling mechanism. This mechanism is
3035 analogous to the jumping to and calling of processor instructions. A jump
3036 command, given in action code, causes control to be immediately passed to
3037 another portion of the machine by way of setting the current state variable. A
3038 call command causes the target state of the current transition to be pushed to
3039 a state stack before control is transferred.  Later on, the original location
3040 may be returned to with a return statement. In the following example, distinct
3041 state machines are used to handle the parsing of two types of headers.
3042
3043 % GENERATE: call
3044 % %%{
3045 %       machine call;
3046 \begin{inline_code}
3047 \begin{verbatim}
3048 action return { fret; }
3049 action call_date { fcall date; }
3050 action call_name { fcall name; }
3051
3052 # A parser for date strings.
3053 date := [0-9][0-9] '/' 
3054         [0-9][0-9] '/' 
3055         [0-9][0-9][0-9][0-9] '\n' @return;
3056
3057 # A parser for name strings.
3058 name := ( [a-zA-Z]+ | ' ' )** '\n' @return;
3059
3060 # The main parser.
3061 headers = 
3062     ( 'from' | 'to' ) ':' @call_name | 
3063     ( 'departed' | 'arrived' ) ':' @call_date;
3064
3065 main := headers*;
3066 \end{verbatim}
3067 \end{inline_code}
3068 % }%%
3069 % %% write data;
3070 % void f()
3071 % {
3072 %       %% write init;
3073 %       %% write exec;
3074 % }
3075 % END GENERATE
3076
3077 Calling and jumping should be used carefully as they are operations that take
3078 one out of the domain of regular languages. A machine that contains a call or
3079 jump statement in one of its actions should be used as an argument to a machine
3080 construction operator only with considerable care. Since DFA transitions may
3081 actually represent several NFA transitions, a call or jump embedded in one
3082 machine can inadvertently terminate another machine that it shares prefixes
3083 with. Despite this danger, theses statements have proven useful for tying
3084 together sub-parsers of a language into a parser for the full language,
3085 especially for the purpose of modularizing code and reducing the number of
3086 states when the machine contains frequently recurring patterns.
3087
3088 Section \ref{vals} describes the jump and call statements that are used to
3089 transfer control. These statements make use of two variables that must be
3090 declared by the user, \verb|stack| and \verb|top|. The \verb|stack| variable
3091 must be an array of integers and \verb|top| must be a single integer, which
3092 will point to the next available space in \verb|stack|. Sections \ref{prepush}
3093 and \ref{postpop} describe the Pre-Push and Post-Pop statements which can be
3094 used to implement a dynamically resizable array.
3095
3096 \section{Referencing Names}
3097 \label{labels}
3098
3099 This section describes how to reference names in epsilon transitions and
3100 action-based control-flow statements such as \verb|fgoto|. There is a hierarchy
3101 of names implied in a Ragel specification.  At the top level are the machine
3102 instantiations. Beneath the instantiations are labels and references to machine
3103 definitions. Beneath those are more labels and references to definitions, and
3104 so on.
3105
3106 Any name reference may contain multiple components separated with the \verb|::|
3107 compound symbol.  The search for the first component of a name reference is
3108 rooted at the join expression that the epsilon transition or action embedding
3109 is contained in. If the name reference is not contained in a join,
3110 the search is rooted at the machine definition that the epsilon transition or
3111 action embedding is contained in. Each component after the first is searched
3112 for beginning at the location in the name tree that the previous reference
3113 component refers to.
3114
3115 In the case of action-based references, if the action is embedded more than
3116 once, the local search is performed for each embedding and the result is the
3117 union of all the searches. If no result is found for action-based references then
3118 the search is repeated at the root of the name tree.  Any action-based name
3119 search may be forced into a strictly global search by prefixing the name
3120 reference with \verb|::|.
3121
3122 The final component of the name reference must resolve to a unique entry point.
3123 If a name is unique in the entire name tree it can be referenced as is. If it
3124 is not unique it can be specified by qualifying it with names above it in the
3125 name tree. However, it can always be renamed.
3126
3127 % FIXME: Should fit this in somewhere.
3128 % Some kinds of name references are illegal. Cannot call into longest-match
3129 % machine, can only call its start state. Cannot make a call to anywhere from
3130 % any part of a longest-match machine except a rule's action. This would result
3131 % in an eventual return to some point inside a longest-match other than the
3132 % start state. This is banned for the same reason a call into the LM machine is
3133 % banned.
3134
3135
3136 \section{Scanners}
3137 \label{generating-scanners}
3138
3139 Scanners are very much intertwined with regular-languages and their
3140 corresponding processors. For this reason Ragel supports the definition of
3141 Scanners.  The generated code will repeatedly attempt to match patterns from a
3142 list, favouring longer patterns over shorter patterns.  In the case of
3143 equal-length matches, the generated code will favour patterns that appear ahead
3144 of others. When a scanner makes a match it executes the user code associated
3145 with the match, consumes the input then resumes scanning.
3146
3147 \verbspace
3148 \begin{verbatim}
3149 <machine_name> := |* 
3150         pattern1 => action1;
3151         pattern2 => action2;
3152         ...
3153     *|;
3154 \end{verbatim}
3155 \verbspace
3156
3157 On the surface, Ragel scanners are similar to those defined by Lex. Though
3158 there is a key distinguishing feature: patterns may be arbitrary Ragel
3159 expressions and can therefore contain embedded code. With a Ragel-based scanner
3160 the user need not wait until the end of a pattern before user code can be
3161 executed.
3162
3163 Scanners can be used to process sub-languages, as well as for tokenizing
3164 programming languages. In the following example a scanner is used to tokenize
3165 the contents of a header field.
3166
3167 \begin{inline_code}
3168 \begin{verbatim}
3169 word = [a-z]+;
3170 head_name = 'Header';
3171
3172 header := |*
3173     word;
3174     ' ';
3175     '\n' => { fret; };
3176 *|;
3177
3178 main := ( head_name ':' @{ fcall header; } )*;
3179 \end{verbatim}
3180 \end{inline_code}
3181 \verbspace
3182
3183 The scanner construction has a purpose similar to the longest-match kleene star
3184 operator \verb|**|. The key
3185 difference is that a scanner is able to backtrack to match a previously matched
3186 shorter string when the pursuit of a longer string fails.  For this reason the
3187 scanner construction operator is not a pure state machine construction
3188 operator. It relies on several variables which enable it to backtrack and make
3189 pointers to the matched input text available to the user.  For this reason
3190 scanners must be immediately instantiated. They cannot be defined inline or
3191 referenced by another expression. Scanners must be jumped to or called.
3192
3193 Scanners rely on the \verb|tokstart|, \verb|tokend| and \verb|act|
3194 variables to be present so that it can backtrack and make pointers to the
3195 matched text available to the user. If input is processed using multiple calls
3196 to the execute code then the user must ensure that when a token is only
3197 partially matched that the prefix is preserved on the subsequent invocation of
3198 the execute code.
3199
3200 The \verb|tokstart| variable must be defined as a pointer to the input data.
3201 It is used for recording where the current token match begins. This variable
3202 may be used in action code for retrieving the text of the current match.  Ragel
3203 ensures that in between tokens and outside of the longest-match machines that
3204 this pointer is set to null. In between calls to the execute code the user must
3205 check if \verb|tokstart| is set and if so, ensure that the data it points to is
3206 preserved ahead of the next buffer block. This is described in more detail
3207 below.
3208
3209 The \verb|tokend| variable must also be defined as a pointer to the input data.
3210 It is used for recording where a match ends and where scanning of the next
3211 token should begin. This can also be used in action code for retrieving the
3212 text of the current match.
3213
3214 The \verb|act| variable must be defined as an integer type. It is used for
3215 recording the identity of the last pattern matched when the scanner must go
3216 past a matched pattern in an attempt to make a longer match. If the longer
3217 match fails it may need to consult the \verb|act| variable. In some cases, use 
3218 of the \verb|act|
3219 variable can be avoided because the value of the current state is enough
3220 information to determine which token to accept, however in other cases this is
3221 not enough and so the \verb|act| variable is used. 
3222
3223 When the longest-match operator is in use, the user's driver code must take on
3224 some buffer management functions. The following algorithm gives an overview of
3225 the steps that should be taken to properly use the longest-match operator.
3226
3227 \begin{itemize}
3228 \setlength{\parskip}{0pt}
3229 \item Read a block of input data.
3230 \item Run the execute code.
3231 \item If \verb|tokstart| is set, the execute code will expect the incomplete
3232 token to be preserved ahead of the buffer on the next invocation of the execute
3233 code.  
3234 \begin{itemize}
3235 \item Shift the data beginning at \verb|tokstart| and ending at \verb|pe| to the
3236 beginning of the input buffer.
3237 \item Reset \verb|tokstart| to the beginning of the buffer. 
3238 \item Shift \verb|tokend| by the distance from the old value of \verb|tokstart|
3239 to the new value. The \verb|tokend| variable may or may not be valid.  There is
3240 no way to know if it holds a meaningful value because it is not kept at null
3241 when it is not in use. It can be shifted regardless.
3242 \end{itemize}
3243 \item Read another block of data into the buffer, immediately following any
3244 preserved data.
3245 \item Run the scanner on the new data.
3246 \end{itemize}
3247
3248 Figure \ref{preserve_example} shows the required handling of an input stream in
3249 which a token is broken by the input block boundaries. After processing up to
3250 and including the ``t'' of ``characters'', the prefix of the string token must be
3251 retained and processing should resume at the ``e'' on the next iteration of
3252 the execute code.
3253
3254 If one uses a large input buffer for collecting input then the number of times
3255 the shifting must be done will be small. Furthermore, if one takes care not to
3256 define tokens that are allowed to be very long and instead processes these
3257 items using pure state machines or sub-scanners, then only a small amount of
3258 data will ever need to be shifted.
3259
3260 \begin{figure}
3261 \begin{verbatim}
3262       a)           A stream "of characters" to be scanned.
3263                    |        |          |
3264                    p        tokstart   pe
3265
3266       b)           "of characters" to be scanned.
3267                    |          |        |
3268                    tokstart   p        pe
3269 \end{verbatim}
3270 \caption{Following an invocation of the execute code there may be a partially
3271 matched token (a). The data of the partially matched token 
3272 must be preserved ahead of the new data on the next invocation (b).}
3273 \label{preserve_example}
3274 \end{figure}
3275
3276 Since scanners attempt to make the longest possible match of input, in some
3277 cases they are not able to identify a token upon parsing its final character,
3278 they must wait for a lookahead character. For example if trying to match words,
3279 the token match must be triggered on following whitespace in case more
3280 characters of the word have yet to come. The user must therefore arrange for an
3281 EOF character to be sent to the scanner to flush out any token that has not yet
3282 been matched.  The user can exclude a single character from the entire scanner
3283 and use this character as the EOF character, possibly specifying an EOF action.
3284 For most scanners, zero is a suitable choice for the EOF character. 
3285
3286 Alternatively, if whitespace is not significant and ignored by the scanner, the
3287 final real token can be flushed out by simply sending an additional whitespace
3288 character on the end of the stream. If the real stream ends with whitespace
3289 then it will simply be extended and ignored. If it does not, then the last real token is
3290 guaranteed to be flushed and the dummy EOF whitespace ignored.
3291 An example scanner processing loop is given in Figure \ref{scanner-loop}.
3292
3293 \begin{figure}
3294 \small
3295 \begin{verbatim}
3296     int have = 0;
3297     bool done = false;
3298     while ( !done ) {
3299         /* How much space is in the buffer? */
3300         int space = BUFSIZE - have;
3301         if ( space == 0 ) {
3302             /* Buffer is full. */
3303             cerr << "TOKEN TOO BIG" << endl;
3304             exit(1);
3305         }
3306
3307         /* Read in a block after any data we already have. */
3308         char *p = inbuf + have;
3309         cin.read( p, space );
3310         int len = cin.gcount();
3311
3312         /* If no data was read, send the EOF character. */
3313         if ( len == 0 ) {
3314             p[0] = 0, len++;
3315             done = true;
3316         }
3317
3318         char *pe = p + len;
3319         %% write exec;
3320
3321         if ( cs == RagelScan_error ) {
3322             /* Machine failed before finding a token. */
3323             cerr << "PARSE ERROR" << endl;
3324             exit(1);
3325         }
3326
3327         if ( tokstart == 0 )
3328             have = 0;
3329         else {
3330             /* There is a prefix to preserve, shift it over. */
3331             have = pe - tokstart;
3332             memmove( inbuf, tokstart, have );
3333             tokend = inbuf + (tokend-tokstart);
3334             tokstart = inbuf;
3335         }
3336     }
3337 \end{verbatim}
3338 \caption{A processing loop for a scanner.}
3339 \label{scanner-loop}
3340 \end{figure}
3341
3342 \section{State Charts}
3343
3344 In addition to supporting the construction of state machines using regular
3345 languages, Ragel provides a way to manually specify state machines using
3346 state charts.  The comma operator combines machines together without any
3347 implied transitions. The user can then manually link machines by specifying
3348 epsilon transitions with the \verb|->| operator.  Epsilon transitions are drawn
3349 between the final states of a machine and entry points defined by labels.  This
3350 makes it possible to build machines using the explicit state-chart method while
3351 making minimal changes to the Ragel language. 
3352
3353 An interesting feature of Ragel's state chart construction method is that it
3354 can be mixed freely with regular expression constructions. A state chart may be
3355 referenced from within a regular expression, or a regular expression may be
3356 used in the definition of a state chart transition.
3357
3358 \subsection{Join}
3359
3360 \verb|expr , expr , ...|
3361 \verbspace
3362
3363 Join a list of machines together without
3364 drawing any transitions, without setting up a start state, and without
3365 designating any final states. Transitions between the machines may be specified
3366 using labels and epsilon transitions. The start state must be explicity
3367 specified with the ``start'' label. Final states may be specified with an
3368 epsilon transition to the implicitly created ``final'' state. The join
3369 operation allows one to build machines using a state chart model.
3370
3371 \subsection{Label}
3372
3373 \verb|label: expr| 
3374 \verbspace
3375
3376 Attaches a label to an expression. Labels can be
3377 used as the target of epsilon transitions and explicit control transfer
3378 statements such as \verb|fgoto| and \verb|fnext| in action
3379 code.
3380
3381 \subsection{Epsilon}
3382
3383 \verb|expr -> label| 
3384 \verbspace
3385
3386 Draws an epsilon transition to the state defined
3387 by \verb|label|.  Epsilon transitions are made deterministic when join
3388 operators are evaluated. Epsilon transitions that are not in a join operation
3389 are made deterministic when the machine definition that contains the epsilon is
3390 complete. See Section \ref{labels} for information on referencing labels.
3391
3392 \subsection{Simplifying State Charts}
3393
3394 There are two benefits to providing state charts in Ragel. The first is that it
3395 allows us to take a state chart with a full listing of states and transitions
3396 and simplify it in selective places using regular expressions.
3397
3398 The state chart method of specifying parsers is very common.  It is an
3399 effective programming technique for producing robust code. The key disadvantage
3400 becomes clear when one attempts to comprehend a large parser specified in this
3401 way.  These programs usually require many lines, causing logic to be spread out
3402 over large distances in the source file. Remembering the function of a large
3403 number of states can be difficult and organizing the parser in a sensible way
3404 requires discipline because branches and repetition present many file layout
3405 options.  This kind of programming takes a specification with inherent
3406 structure such as looping, alternation and concatenation and expresses it in a
3407 flat form. 
3408
3409 If we could take an isolated component of a manually programmed state chart,
3410 that is, a subset of states that has only one entry point, and implement it
3411 using regular language operators then we could eliminate all the explicit
3412 naming of the states contained in it. By eliminating explicitly named states
3413 and replacing them with higher-level specifications we simplify a state machine
3414 specification.
3415
3416 For example, sometimes chains of states are needed, with only a small number of
3417 possible characters appearing along the chain. These can easily be replaced
3418 with a concatenation of characters. Sometimes a group of common states
3419 implement a loop back to another single portion of the machine. Rather than
3420 manually duplicate all the transitions that loop back, we may be able to
3421 express the loop using a kleene star operator.
3422
3423 Ragel allows one to take this state map simplification approach. We can build
3424 state machines using a state map model and implement portions of the state map
3425 using regular languages. In place of any transition in the state machine,
3426 entire sub-state machines can be given. These can encapsulate functionality
3427 defined elsewhere. An important aspect of the Ragel approach is that when we
3428 wrap up a collection of states using a regular expression we do not lose
3429 access to the states and transitions. We can still execute code on the
3430 transitions that we have encapsulated.
3431
3432 \subsection{Dropping Down One Level of Abstraction}
3433 \label{down}
3434
3435 The second benefit of incorporating state charts into Ragel is that it permits
3436 us to bypass the regular language abstraction if we need to. Ragel's action
3437 embedding operators are sometimes insufficient for expressing certain parsing
3438 tasks.  In the same way that is useful for C language programmers to drop down
3439 to assembly language programming using embedded assembler, it is sometimes
3440 useful for the Ragel programmer to drop down to programming with state charts.
3441
3442 In the following example, we wish to buffer the characters of an XML CDATA
3443 sequence. The sequence is terminated by the string \verb|]]>|. The challenge
3444 in our application is that we do not wish the terminating characters to be
3445 buffered. An expression of the form \verb|any* @buffer :>> ']]>'| will not work
3446 because the buffer will always contain the characters \verb|]]| on the end.
3447 Instead, what we need is to delay the buffering of \hspace{0.25mm} \verb|]|
3448 characters until a time when we
3449 abandon the terminating sequence and go back into the main loop. There is no
3450 easy way to express this using Ragel's regular expression and action embedding
3451 operators, and so an ability to drop down to the state chart method is useful.
3452
3453 % GENERATE: dropdown
3454 % OPT: -p
3455 % %%{
3456 % machine dropdown;
3457 \begin{inline_code}
3458 \begin{verbatim}
3459 action bchar { buff( fpc ); }    # Buffer the current character.
3460 action bbrack1 { buff( "]" ); }
3461 action bbrack2 { buff( "]]" ); }
3462
3463 CDATA_body =
3464 start: (
3465      ']' -> one |
3466      (any-']') @bchar ->start
3467 ),
3468 one: (
3469      ']' -> two |
3470      [^\]] @bbrack1 @bchar ->start
3471 ),
3472 two: (
3473      '>' -> final |
3474      ']' @bbrack1 -> two |
3475      [^>\]] @bbrack2 @bchar ->start
3476 );
3477 \end{verbatim}
3478 \end{inline_code}
3479 % main := CDATA_body;
3480 % }%%
3481 % END GENERATE
3482
3483 \graphspace
3484 \begin{center}
3485 \includegraphics[scale=0.55]{dropdown}
3486 \end{center}
3487
3488
3489 \section{Semantic Conditions}
3490 \label{semantic}
3491
3492 Many communication protocols contain variable-length fields, where the length
3493 of the field is given ahead of the field as a value. This
3494 problem cannot be expressed using regular languages because of its
3495 context-dependent nature. The prevalence of variable-length fields in
3496 communication protocols motivated us to introduce semantic conditions into
3497 the Ragel language.
3498
3499 A semantic condition is a block of user code that is executed immediately
3500 before a transition is taken. If the code returns a value of true, the
3501 transition may be taken.  We can now embed code that extracts the length of a
3502 field, then proceed to match $n$ data values.
3503
3504 % GENERATE: conds1
3505 % OPT: -p
3506 % %%{
3507 % machine conds1;
3508 % number = digit+;
3509 \begin{inline_code}
3510 \begin{verbatim}
3511 action rec_num { i = 0; n = getnumber(); }
3512 action test_len { i++ < n }
3513 data_fields = (
3514     'd' 
3515     [0-9]+ %rec_num 
3516     ':'
3517     ( [a-z] when test_len )*
3518 )**;
3519 \end{verbatim}
3520 \end{inline_code}
3521 % main := data_fields;
3522 % }%%
3523 % END GENERATE
3524
3525 \begin{center}
3526 \includegraphics[scale=0.55]{conds1}
3527 \end{center}
3528 \graphspace
3529
3530 The Ragel implementation of semantic conditions does not force us to give up the
3531 compositional property of Ragel definitions. For example, a machine that tests
3532 the length of a field using conditions can be unioned with another machine
3533 that accepts some of the same strings, without the two machines interfering with
3534 one another. The user need not be concerned about whether or not the result of the
3535 semantic condition will affect the matching of the second machine.
3536
3537 To see this, first consider that when a user associates a condition with an
3538 existing transition, the transition's label is translated from the base character
3539 to its corresponding value in the space that represents ``condition $c$ true''. Should
3540 the determinization process combine a state that has a conditional transition
3541 with another state that has a transition on the same input character but
3542 without a condition, then the condition-less transition first has its label
3543 translated into two values, one to its corresponding value in the space that
3544 represents ``condition $c$ true'' and another to its corresponding value in the
3545 space that represents ``condition $c$ false''. It
3546 is then safe to combine the two transitions. This is shown in the following
3547 example.  Two intersecting patterns are unioned, one with a condition and one
3548 without. The condition embedded in the first pattern does not affect the second
3549 pattern.
3550
3551 % GENERATE: conds2
3552 % OPT: -p
3553 % %%{
3554 % machine conds2;
3555 % number = digit+;
3556 \begin{inline_code}
3557 \begin{verbatim}
3558 action test_len { i++ < n }
3559 action one { /* accept pattern one */ }
3560 action two { /* accept pattern two */ }
3561 patterns = 
3562     ( [a-z] when test_len )+ %one |
3563     [a-z][a-z0-9]* %two;
3564 main := patterns '\n';
3565 \end{verbatim}
3566 \end{inline_code}
3567 % }%%
3568 % END GENERATE
3569
3570 \begin{center}
3571 \includegraphics[scale=0.55]{conds2}
3572 \end{center}
3573 \graphspace
3574
3575 There are many more potential uses for semantic conditions. The user is free to
3576 use arbitrary code and may therefore perform actions such as looking up names
3577 in dictionaries, validating input using external parsing mechanisms or
3578 performing checks on the semantic structure of input seen so far. In the
3579 next section we describe how Ragel accommodates several common parser
3580 engineering problems.
3581
3582 \vspace{10pt}
3583
3584 \noindent {\large\bf Note:} The semantic condition feature works only with
3585 alphabet types that are smaller in width than the \verb|long| type. To
3586 implement semantic conditions Ragel needs to be able to allocate characters
3587 from the alphabet space. Ragel uses these allocated characters to express
3588 "character C with condition P true" or "C with P false." Since internally Ragel
3589 uses longs to store characters there is no room left in the alphabet space
3590 unless an alphabet type smaller than long is used.
3591
3592 \section{Implementing Lookahead}
3593
3594 There are a few strategies for implementing lookahead in Ragel programs.
3595 Pending out actions, which are described in Section \ref{out-actions}, can be
3596 used as a form of lookahead.  Ragel also provides the \verb|fhold| directive
3597 which can be used in actions to prevent the machine from advancing over the
3598 current character. It is also possible to manually adjust the current character
3599 position by shifting it backwards using \verb|fexec|, however when this is
3600 done, care must be taken not to overstep the beginning of the current buffer
3601 block. In both the use of \verb|fhold| and \verb|fexec| the user must be
3602 cautious of combining the resulting machine with another in such a way that the
3603 transition on which the current position is adjusted is not combined with a
3604 transition from the other machine.
3605
3606 \section{Parsing Recursive Language Structures}
3607
3608 In general Ragel cannot handle recursive structures because the grammar is
3609 interpreted as a regular language. However, depending on what needs to be
3610 parsed it is sometimes practical to implement the recursive parts using manual
3611 coding techniques. This often works in cases where the recursive structures are
3612 simple and easy to recognize, such as in the balancing of parentheses
3613
3614 One approach to parsing recursive structures is to use actions that increment
3615 and decrement counters or otherwise recognize the entry to and exit from
3616 recursive structures and then jump to the appropriate machine defnition using
3617 \verb|fcall| and \verb|fret|. Alternatively, semantic conditions can be used to
3618 test counter variables.
3619
3620 A more traditional approach is to call a separate parsing function (expressed
3621 in the host language) when a recursive structure is entered, then later return
3622 when the end is recognized.
3623
3624 \end{document}