Updated the description of error actions to reflect the EOF embedding when the
[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. However, they are normally used as black boxes linked together with
118 program 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 often meet the criteria for the
149 regular languages.  Tools for processing the context-free languages are viewed
150 as too heavyweight for the purpose of parsing regular languages because the extra
151 run-time effort required for supporting the recursive nature of context-free
152 languages is wasted.
153
154 When we turn to the regular expression-based parsing tools, such as Lex, Re2C,
155 and scripting languages such as Sed, Awk and Perl we find that they are split
156 into two levels: a regular expression matching engine and some kind of program
157 logic for linking patterns together.  For example, a Lex program is composed of
158 sets of regular expressions. The implied program logic repeatedly attempts to
159 match a pattern in the current set, then executes the associated user code. It requires the
160 user to consider a language as a sequence of independent tokens.  Scripting
161 languages and regular expression libraries allow one to link patterns together
162 using arbitrary program code.  This is very flexible and powerful, however we
163 can be more concise and clear if we avoid gluing together regular expressions
164 with if statements and while loops.
165
166 This model of execution, where the runtime alternates between regular
167 expression matching and user code exectution places severe restrictions on when
168 action code may be executed. Since action code can only be associated with
169 complete patterns, any action code that must be executed before an entire
170 pattern is matched requires that the pattern be broken into smaller units.
171 Instead of being forced to disrupt the regular expression syntax and write
172 smaller expressions, it is desirable to retain a single expression and embed
173 code for performing actions directly into the transitions that move over the
174 characters. After all, capable programmers are astutely aware of the machinery
175 underlying their programs, so why not provide them with access to that
176 machinery? To achieve this we require an action execution model for associating
177 code with the sub-expressions of a regular expression in a way that does not
178 disrupt its syntax.
179
180 The primary goal of Ragel is to provide developers with an ability to embed
181 actions into the transitions and states of a regular expression's state machine
182 in support of the
183 definition of entire parsers or large sections of parsers using a single
184 regular expression.  From the
185 regular expression we gain a clear and concise statement of our language. From
186 the state machine we obtain a very fast and robust executable that lends itself
187 to many kinds of analysis and visualization.
188
189 \section{Overview}
190
191 Ragel is a language for specifying state machines. The Ragel program is a
192 compiler that assembles a state machine definition to executable code.  Ragel
193 is based on the principle that any regular language can be converted to a
194 deterministic finite state automaton. Since every regular language has a state
195 machine representation and vice versa, the terms regular language and state
196 machine (or just machine) will be used interchangeably in this document.
197
198 Ragel outputs machines to C, C++, Objective-C, D, Java or Ruby code. The output is
199 designed to be generic and is not bound to any particular input or processing
200 method. A Ragel machine expects to have data passed to it in buffer blocks.
201 When there is no more input, the machine can be queried for acceptance.  In
202 this way, a Ragel machine can be used to simply recognize a regular language
203 like a regular expression library. By embedding code into the regular language,
204 a Ragel machine can also be used to parse input.
205
206 The Ragel language has many operators for constructing and manipulating
207 machines. Machines are built up from smaller machines, to bigger ones, to the
208 final machine representing the language that needs to be recognized or parsed.
209
210 The core state machine construction operators are those found in most theory
211 of computation textbooks. They date back to the 1950s and are widely studied.
212 They are based on set operations and permit one to think of languages as a set
213 of strings. They are Union, Intersection, Difference, Concatenation and Kleene
214 Star. Put together, these operators make up what most people know as regular
215 expressions. Ragel also provides a scanner construction operator 
216 and provides operators for explicitly constructing machines
217 using a state chart method. In the state chart method, one joins machines
218 together without any implied transitions and then explicitly specifies where
219 epsilon transitions should be drawn.
220
221 The state machine manipulation operators are specific to Ragel. They allow the
222 programmer to access the states and transitions of regular language's
223 corresponding machine. There are two uses of the manipulation operators. The
224 first and primary use is to embed code into transitions and states, allowing
225 the programmer to specify the actions of the state machine.
226
227 Ragel attempts to make the action embedding facility as intuitive as possible.
228 To do so, a number of issues need to be addressed.  For example, when making a
229 nondeterministic specification into a DFA using machines that have embedded
230 actions, new transitions are often made that have the combined actions of
231 several source transitions. Ragel ensures that multiple actions associated with
232 a single transition are ordered consistently with respect to the order of
233 reference and the natural ordering implied by the construction operators.
234
235 The second use of the manipulation operators is to assign priorities in
236 transitions. Priorities provide a convenient way of controlling any
237 nondeterminism introduced by the construction operators. Suppose two
238 transitions leave from the same state and go to distinct target states on the
239 same character. If these transitions are assigned conflicting priorities, then
240 during the determinization process the transition with the higher priority will
241 take precedence over the transition with the lower priority. The lower priority
242 transition gets abandoned. The transitions would otherwise be combined into a new
243 transition that goes to a new state that is a combination of the original
244 target states. Priorities are often required for segmenting machines. The most
245 common uses of priorities have been encoded into a set of simple operators
246 that should be used instead of priority embeddings whenever possible.
247
248 For the purposes of embedding, Ragel divides transitions and states into
249 different classes. There are four operators for embedding actions and
250 priorities into the transitions of a state machine. It is possible to embed
251 into start transitions, finishing transitions, all transitions and pending out
252 transitions.  The embedding of pending out transitions is a special case.
253 These transition embeddings get stored in the final states of a machine.  They
254 are transferred to any transitions that may be made going out of the machine by
255 a concatenation or kleene star operator.
256
257 There are several more operators for embedding actions into states. Like the
258 transition embeddings, there are various different classes of states that the
259 embedding operators access. For example, one can access start states, final
260 states or all states, among others. Unlike the transition embeddings, there are
261 several different types of state action embeddings. These are executed at
262 various different times during the processing of input. It is possible to embed
263 actions which are exectued on all transitions that enter into a state, all
264 transitions out of a state, transitions taken on the error event, or
265 transitions taken on the EOF event.
266
267 Within actions, it is possible to influence the behaviour of the state machine.
268 The user can write action code that jumps or calls to another portion of the
269 machine, changes the current character being processed, or breaks out of the
270 processing loop. With the state machine calling feature Ragel can be used to
271 parse languages that are not regular. For example, one can parse balanced
272 parentheses by calling into a parser when an open bracket character is seen and
273 returning to the state on the top of the stack when the corresponding closing
274 bracket character is seen. More complicated context-free languages such as
275 expressions in C, are out of the scope of Ragel. 
276
277 Ragel also provides a scanner construction operator which can be used to build scanners
278 much the same way that Lex is used. The Ragel generated code, which relies on
279 user-defined variables for
280 backtracking, repeatedly tries to match patterns to the input, favouring longer
281 patterns over shorter ones and patterns that appear ahead of others when the
282 lengths of the possible matches are identical. When a pattern is matched the
283 associated action is executed. 
284
285 The key distinguishing feature between scanners in Ragel and scanners in Lex is
286 that Ragel patterns may be arbitrary Ragel expressions and can therefore
287 contain embedded code. With a Ragel-based scanner the user need not wait until
288 the end of a pattern before user code can be executed.
289
290 Scanners do take Ragel out of the domain of pure state machines and require the
291 user to maintain the backtracking related variables.  However, scanners
292 integrate well with regular state machine instantiations. They can be called to
293 or jumped to only when needed, or they can be called out of or jumped out of
294 when a simpler, pure state machine model is appropriate.
295
296 Two types of output code style are available. Ragel can produce a table-driven
297 machine or a directly executable machine. The directly executable machine is
298 much faster than the table-driven. On the other hand, the table-driven machine
299 is more compact and less demanding on the host language compiler. It is better
300 suited to compiling large state machines.
301
302 \section{Related Work}
303
304 Lex is perhaps the best-known tool for constructing parsers from regular
305 expressions. In the Lex processing model, generated code attempts to match one
306 of the user's regular expression patterns, favouring longer matches over
307 shorter ones. Once a match is made it then executes the code associated with
308 the pattern and consumes the matching string.  This process is repeated until
309 the input is fully consumed. 
310
311 Through the use of start conditions, related sets of patterns may be defined.
312 The active set may be changed at any time.  This allows the user to define
313 different lexical regions. It also allows the user to link patterns together by
314 requiring that some patterns come before others.  This is quite like a
315 concatenation operation. However, use of Lex for languages that require a
316 considerable amount of pattern concatenation is inappropriate. In such cases a
317 Lex program deteriorates into a manually specified state machine, where start
318 conditions define the states and pattern actions define the transitions.  Lex
319 is therefore best suited to parsing tasks where the language to be parsed can
320 be described in terms of regions of tokens. 
321
322 Lex is useful in many scenarios and has undoubtedly stood the test of time.
323 There are, however, several drawbacks to using Lex.  Lex can impose too much
324 overhead for parsing applications where buffering is not required because all
325 the characters are available in a single string.  In these cases there is
326 structure to the language to be parsed and a parser specification tool can
327 help, but employing a heavyweight processing loop that imposes a stream
328 ``pull'' model and dynamic input buffer allocation is inappropriate.  An
329 example of this kind of scenario is the conversion of floating point numbers
330 contained in a string to their corresponding numerical values.
331
332 Another drawback is the very issue that Ragel attempts to solve.
333 It is not possible to execute a user action while
334 matching a character contained inside a pattern. For example, if scanning a
335 programming language and string literals can contain newlines which must be
336 counted, a Lex user must break up a string literal pattern so as to associate
337 an action with newlines. This forces the definition of a new start condition.
338 Alternatively the user can reprocess the text of the matched string literal to
339 count newlines. 
340
341 \begin{comment}
342 How ragel is different from Lex.
343
344 %Like Re2c, Ragel provides a simple execution model that does not make any
345 %assumptions as to how the input is collected.  Also, Ragel does not do any
346 %buffering in the generated code. Consequently there are no dependencies on
347 %external functions such as \verb|malloc|. 
348
349 %If buffering is required it can be manually implemented by embedding actions
350 %that copy the current character to a buffer, or data can be passed to the
351 %parser using known block boundaries. If the longest-match operator is used,
352 %Ragel requires the user to ensure that the ending portion of the input buffer
353 %is preserved when the buffer is exhaused before a token is fully matched. The
354 %user should move the token prefix to a new memory location, such as back to the
355 %beginning of the input buffer, then place the subsequently read input
356 %immediately after the prefix.
357
358 %These properties of Ragel make it more work to write a program that requires
359 %the longest-match operator or buffering of input, however they make Ragel a
360 %more flexible tool that can produce very simple and fast-running programs under
361 %a variety of input acquisition arrangements.
362
363 %In Ragel, it is not necessary
364 %to introduce start conditions to concatenate tokens and retain action
365 %execution. Ragel allows one to structure a parser as a series of tokens, but
366 %does not require it.
367
368 %Like Lex and Re2C, Ragel is able to process input using a longest-match
369 %execution model, however the core of the Ragel language specifies parsers at a
370 %much lower level. This core is built around a pure state machine model. When
371 %building basic machines there is no implied algorithm for processing input
372 %other than to move from state to state on the transitions of the machine. This
373 %core of pure state machine operations makes Ragel well suited to handling
374 %parsing problems not based on token scanning. Should one need to use a
375 %longest-match model, the functionality is available and the lower level state
376 %machine construction facilities can be used to specify the patterns of a
377 %longest-match machine.
378
379 %This is not possible in Ragel. One can only program
380 %a longest-match instantiation with a fixed set of rules. One can jump to
381 %another longest-match machine that employs the same machine definitions in the
382 %construction of its rules, however no states will be shared.
383
384 %In Ragel, input may be re-parsed using a
385 %different machine, but since the action to be executed is associated with
386 %transitions of the compiled state machine, the longest-match construction does
387 %not permit a single rule to be excluded from the active set. It cannot be done
388 %ahead of time nor in the excluded rule's action.
389 \end{comment}
390
391 The Re2C program defines an input processing model similar to that of Lex.
392 Re2C focuses on making generated state machines run very fast and
393 integrate easily into any program, free of dependencies.  Re2C generates
394 directly executable code and is able to claim that generated parsers run nearly
395 as fast as their hand-coded equivalents.  This is very important for user
396 adoption, as programmers are reluctant to use a tool when a faster alternative
397 exists.  A consideration to ease of use is also important because developers
398 need the freedom to integrate the generated code as they see fit. 
399
400 Many scripting languages provide ways of composing parsers by linking regular
401 expressions using program logic. For example, Sed and Awk are two established
402 Unix scripting tools that allow the programmer to exploit regular expressions
403 for the purpose of locating and extracting text of interest. High-level
404 programming languages such as Perl, Python, PHP and Ruby all provide regular
405 expression libraries that allow the user to combine regular expressions with
406 arbitrary code.
407
408 In addition to supporting the linking of regular expressions with arbitrary
409 program logic, the Perl programming language permits the embedding of code into
410 regular expressions. Perl embeddings do not translate into the embedding of
411 code into deterministic state machines. Perl regular expressions are in fact
412 not fully compiled to deterministic machines when embedded code is involved.
413 They are instead interpreted and involve backtracking. This is shown by the
414 following Perl program. When it is fed the input \verb|abcd| the interpretor
415 attempts to match the first alternative, printing \verb|a1 b1|.  When this
416 possibility fails it backtracks and tries the second possibility, printing
417 \verb|a2 b2|, at which point it succeeds.
418
419 \begin{inline_code}
420 \begin{verbatim}
421 print "YES\n" if ( <STDIN> =~
422         /( a (?{ print "a1 "; }) b (?{ print "b1 "; }) cX ) |
423          ( a (?{ print "a2 "; }) b (?{ print "b2 "; }) cd )/x )
424 \end{verbatim}
425 \end{inline_code}
426 \verbspace
427
428 In Ragel there is no regular expression interpretor. Aside from the scanner
429 operator, all Ragel expressions are made into deterministic machines and the
430 run time simply moves from state to state as it consumes input. An equivalent
431 parser expressed in Ragel would attempt both of the alternatives concurrently,
432 printing \verb|a1 a2 b1 b2|.
433
434 \section{Development Status}
435
436 Ragel is a relatively new tool and is under continuous development. As a rough
437 release guide, minor revision number changes are for implementation
438 improvements and feature additions. Major revision number changes are for
439 implementation and language changes that do not preserve backwards
440 compatibility. Though in the past this has not always held true: changes that
441 break code have crept into minor version number changes. Typically, the
442 documentation lags behind the development in the interest of documenting only
443 the lasting features. The latest changes are always documented in the ChangeLog
444 file. 
445
446 \chapter{Constructing State Machines}
447
448 \section{Ragel State Machine Specifications}
449
450 A Ragel input file consists of a host language code file with embedded machine
451 specifications.  Ragel normally passes input straight to output.  When it sees
452 a machine specification it stops to read the Ragel statements and possibly generate
453 code in place of the specification.
454 Afterwards it continues to pass input through.  There
455 can be any number of FSM specifications in an input file. A multi-line FSM spec
456 starts with \verb|%%{| and ends with \verb|}%%|. A single-line FSM spec starts
457 with \verb|%%| and ends at the first newline.  
458
459 While Ragel is looking for FSM specifications it does basic lexical analysis on
460 the surrounding input. It interprets literal strings and comments so a
461 \verb|%%| sequence in either of those will not trigger the parsing of an FSM
462 specification. Ragel does not pass the input through any preprocessor nor does it
463 interpret preprocessor directives itself so includes, defines and ifdef logic
464 cannot be used to alter the parse of a Ragel input file. It is therefore not
465 possible to use an \verb|#if 0| directive to comment out a machine as is
466 commonly done in C code. As an alternative, a machine can be prevented from
467 causing any generated output by commenting out the write statements.
468
469 In Figure \ref{cmd-line-parsing}, a multi-line machine is used to define the
470 machine and single line machines are used to trigger the writing of the machine
471 data and execution code.
472
473 \begin{figure}
474 \begin{multicols}{2}
475 \small
476 \begin{verbatim}
477 #include <string.h>
478 #include <stdio.h>
479
480 %%{ 
481     machine foo;
482     main := 
483         ( 'foo' | 'bar' ) 
484         0 @{ res = 1; };
485 }%%
486
487 %% write data;
488 \end{verbatim}
489 \columnbreak
490 \begin{verbatim}
491 int main( int argc, char **argv )
492 {
493     int cs, res = 0;
494     if ( argc > 1 ) {
495         char *p = argv[1];
496         char *pe = p + strlen(p) + 1;
497         %% write init;
498         %% write exec;
499     }
500     printf("result = %i\n", res );
501     return 0;
502 }
503 \end{verbatim}
504 \end{multicols}
505 \caption{Parsing a command line argument.}
506 \label{cmd-line-parsing}
507 \end{figure}
508
509 \subsection{Naming Ragel Blocks}
510
511 \begin{verbatim}
512 machine fsm_name;
513 \end{verbatim}
514 \verbspace
515
516 The \verb|machine| statement gives the name of the FSM. If present in a
517 specification, this statement must appear first. If a machine specification
518 does not have a name then Ragel uses the previous specification name.  If no
519 previous specification name exists then this is an error. Because FSM
520 specifications persist in memory, a machine's statements can be spread across
521 multiple machine specifications.  This allows one to break up a machine across
522 several files or draw in statements that are common to multiple machines using
523 the \verb|include| statement.
524
525 \subsection{Machine Definition}
526 \label{definition}
527
528 \begin{verbatim}
529 <name> = <expression>;
530 \end{verbatim}
531 \verbspace
532
533 The machine definition statement associates an FSM expression with a name.  Machine
534 expressions assigned to names can later be referenced by other expressions.  A
535 definition statement on its own does not cause any states to be generated. It is simply a
536 description of a machine to be used later. States are generated only when a definition is
537 instantiated, which happens when a definition is referenced in an instantiated
538 expression. 
539
540 \subsection{Machine Instantiation}
541 \label{instantiation}
542
543 \begin{verbatim}
544 <name> := <expression>;
545 \end{verbatim}
546 \verbspace
547
548 The machine instantiation statement generates a set of states representing an
549 expression. Each instantiation generates a distinct set of states.  The entry
550 point is written in the generated code using the instantiation name.  If the
551 \verb|main| machine is instantiated, its start state is used as the
552 specification's start state and is assigned to the \verb|cs| variable by the
553 \verb|write init| command. If no \verb|main| machine is given, the start state
554 of the last machine instantiation is used as the specification's start state.
555
556 From outside the execution loop, control may be passed to any machine by
557 assigning the entry point to the \verb|cs| variable.  From inside the execution
558 loop, control may be passed to any machine instantiation using \verb|fcall|,
559 \verb|fgoto| or \verb|fnext| statements.
560
561 \subsection{Including Ragel Code}
562
563 \begin{verbatim}
564 include FsmName "inputfile.rl";
565 \end{verbatim}
566 \verbspace
567
568 The \verb|include| statement can be used to draw in the statements of another FSM
569 specification. Both the name and input file are optional, however at least one
570 must be given. Without an FSM name, the given input file is searched for an FSM
571 of the same name as the current specification. Without an input file the
572 current file is searched for a machine of the given name. If both are present,
573 the given input file is searched for a machine of the given name.
574
575 \subsection{Importing Definitions}
576 \label{import}
577
578 \begin{verbatim}
579 import "inputfile.h";
580 \end{verbatim}
581 \verbspace
582
583 The \verb|import| statement takes a literal string as an argument, interprets
584 it as a file name, then scrapes the file for sequences of tokens that match the
585 following forms. If the input file is a Ragel program then tokens inside the
586 Ragel sections are ignored. See Section \ref{export} for a description of
587 exporting machine definitions.
588
589 \begin{itemize}
590         \setlength{\itemsep}{-2mm}
591     \item \verb|name = number|
592     \item \verb|name = lit_string|
593     \item \verb|"define" name number|
594     \item \verb|"define" name lit_string|
595 \end{itemize}
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 parse
602 of the input.
603
604 \begin{itemize}
605
606 \item The \verb|#| symbol begins a comment that terminates at the next newline.
607
608 \item The symbols \verb|""|, \verb|''|, \verb|//|, \verb|[]| behave as the
609 delimiters of literal strings. With them, the following escape sequences 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 C/C++ 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 will be 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 in 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 every time an epsilon transition
933 is drawn the creation of new epsilon transitions may be triggered, the process
934 of drawing epsilon transitions is repeated until there are no more epsilon
935 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 at once. That is, to create machines that have unintentional
939 nondeterminism. 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 at the frontend. 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)     $eof{...} | -- all states\\
1713 \sasp\verb|%/action     %eof(name)     %eof{...} | -- final states\\
1714 \sasp\verb|@/action     @eof(name)     @eof{...} | -- any state except final states\\
1715 \sasp\verb|<>/action    <>eof(name)    <>eof{...}| -- any except start and final (middle)
1716 \vspace{12pt}
1717
1718 The EOF action embedding operators enable the user to embed EOF actions into
1719 different classes of
1720 states.  EOF actions are stored in states and generated with the \verb|write eof|
1721 statement. The generated EOF code switches on the current state and executes the EOF
1722 actions associated with it.
1723
1724 \subsection{Handling Errors}
1725
1726 In many applications it is useful to be able to react to parsing errors.  The
1727 user may wish to print an error message that depends on the context.  It
1728 may also be desirable to consume input in an attempt to return the input stream
1729 to some known state and resume parsing. To support error handling and recovery,
1730 Ragel provides error action embedding operators. There are two kinds of error
1731 actions, regular (global) error actions and local error actions.
1732 Error actions can be used to simply report errors, or by jumping to a machine
1733 instantiation that consumes input, can attempt to recover from errors.  
1734
1735 \subsubsection{Global Error Actions}
1736
1737 \sasp\verb|>!action     >err(name)     >err{...} | -- the start state\\
1738 \sasp\verb|<!action     <err(name)     <err{...} | -- any state except the start state\\
1739 \sasp\verb|$!action     $eof(name)     $err{...} | -- all states\\
1740 \sasp\verb|%!action     %err(name)     %err{...} | -- final states\\
1741 \sasp\verb|@!action     @err(name)     @err{...} | -- any state except final states\\
1742 \sasp\verb|<>!action    <>err(name)    <>err{...}| -- any except start and final (middle)
1743 \vspace{12pt}
1744
1745 Global error actions are stored in states until compilation is complete. They
1746 are then transferred to transitions that move into the error state. These
1747 transitions are taken on all input characters that are not already covered by
1748 the state's transitions. If a state with an error action is not final when
1749 compilation is complete, then the action is also embedded as an EOF action.
1750
1751 Error actions can be used to recover from errors by jumping back into the
1752 machine with \verb|fgoto| and optionally altering \verb|p|.
1753
1754 \subsubsection{Local Error Actions}
1755
1756 \sasp\verb|>^action     >lerr(name)     >lerr{...} | -- the start state\\
1757 \sasp\verb|<^action     <lerr(name)     <lerr{...} | -- any state except the start state\\
1758 \sasp\verb|$^action     $lerr(name)     $lerr{...} | -- all states\\
1759 \sasp\verb|%^action     %lerr(name)     %lerr{...} | -- final states\\
1760 \sasp\verb|@^action     @lerr(name)     @lerr{...} | -- any state except final states\\
1761 \sasp\verb|<>^action    <>lerr(name)    <>lerr{...}| -- any except start and final (middle)
1762 \vspace{12pt}
1763
1764 Like global error actions, local error actions are also stored in states until
1765 a transfer point. The transfer point is different however. Each local error action
1766 embedding is associated with a name. When a machine definition has been fully
1767 constructed, all local error action embeddings associated with the same name as the
1768 machine definition are transferred to the error transitions. Local error actions can be used
1769 to specify an action to take when a particular section of a larger state
1770 machine fails to make a match. A particular machine definition's ``thread'' may
1771 die and the local error actions executed, however the machine as a whole may
1772 continue to match input.
1773
1774 There are two forms of local error action embeddings. In the first form the name defaults
1775 to the current machine. In the second form the machine name can be specified.  This
1776 is useful when it is more convenient to specify the local error action in a
1777 sub-definition that is used to construct the machine definition where the
1778 transfer should happen. To embed local error actions and explicitly state the
1779 machine on which the transfer is to happen use \verb|(name, action)| as the
1780 action.
1781
1782 \subsubsection{Example}
1783
1784 The following example uses error actions to report an error and jump to a
1785 machine that consumes the remainder of the line when parsing fails. After
1786 consuming the line, the error recovery machine returns to the main loop.
1787
1788 % GENERATE: erract
1789 % %%{
1790 %       machine erract;
1791 %       ws = ' ';
1792 %       address = 'foo@bar.com';
1793 %       date = 'Monday May 12';
1794 \begin{inline_code}
1795 \begin{verbatim}
1796 action cmd_err { 
1797     printf( "command error\n" ); 
1798     fhold; fgoto line;
1799 }
1800 action from_err { 
1801     printf( "from error\n" ); 
1802     fhold; fgoto line; 
1803 }
1804 action to_err { 
1805     printf( "to error\n" ); 
1806     fhold; fgoto line;
1807 }
1808
1809 line := [^\n]* '\n' @{ fgoto main; };
1810
1811 main := (
1812     (
1813         'from' @err(cmd_err) 
1814             ( ws+ address ws+ date '\n' ) $err(from_err) |
1815         'to' @err(cmd_err)
1816             ( ws+ address '\n' ) $err(to_err)
1817     ) 
1818 )*;
1819 \end{verbatim}
1820 \end{inline_code}
1821 % }%%
1822 % %% write data;
1823 % void f()
1824 % {
1825 %       %% write init;
1826 %       %% write exec;
1827 % }
1828 % END GENERATE
1829
1830
1831
1832 \section{Action Ordering and Duplicates}
1833
1834 When building a parser by combining smaller expressions that themselves have
1835 embedded actions, it is often the case that transitions that need to
1836 execute a number of actions on one input character are made. For example when we leave
1837 an expression, we may execute the expression's pending out action and the
1838 subsequent expression's starting action on the same input character.  We must
1839 therefore devise a method for ordering actions that is both intuitive and
1840 predictable for the user and repeatable by the state machine compiler. The
1841 determinization processes cannot simply order actions by the time at which they
1842 are introduced into a transition -- otherwise the programmer will be at the
1843 mercy of luck.
1844
1845 We associate with the embedding of each action a distinct timestamp that is
1846 used to order actions that appear together on a single transition in the final
1847 compiled state machine. To accomplish this we traverse the parse tree of
1848 regular expressions and assign timestamps to action embeddings. This algorithm
1849 is recursive in nature and quite simple. When it visits a parse tree node it
1850 assigns timestamps to all {\em starting} action embeddings, recurses on the
1851 parse tree, then assigns timestamps to the remaining {\em all}, {\em
1852 finishing}, and {\em leaving} embeddings in the order in which they appear.
1853
1854 Ragel does not permit actions (defined or unnamed) to appear multiple times in
1855 an action list.  When the final machine has been created, actions that appear
1856 more than once in a single transition or EOF action list have their duplicates
1857 removed. The first appearance of the action is preserved. This is useful in a
1858 number of scenarios.  First, it allows us to union machines with common
1859 prefixes without worrying about the action embeddings in the prefix being
1860 duplicated.  Second, it prevents pending out actions from being transferred multiple times
1861 when a concatenation follows a kleene star and the two machines begin with a common
1862 character.
1863
1864 \verbspace
1865 \begin{verbatim}
1866 word = [a-z]+ %act;
1867 main := word ( '\n' word )* '\n\n';
1868 \end{verbatim}
1869
1870 \section{Values and Statements Available in Code Blocks}
1871 \label{vals}
1872
1873 \noindent The following values are available in code blocks:
1874
1875 \begin{itemize}
1876 \item \verb|fpc| -- A pointer to the current character. This is equivalent to
1877 accessing the \verb|p| variable.
1878
1879 \item \verb|fc| -- The current character. This is equivalent to the expression \verb|(*p)|.
1880
1881 \item \verb|fcurs| -- An integer value representing the current state. This
1882 value should only be read from. To move to a different place in the machine
1883 from action code use the \verb|fgoto|, \verb|fnext| or \verb|fcall| statements.
1884 Outside of the machine execution code the \verb|cs| variable may be modified.
1885
1886 \item \verb|ftargs| -- An integer value representing the target state. This
1887 value should only be read from. Again, \verb|fgoto|, \verb|fnext| and
1888 \verb|fcall| can be used to move to a specific entry point.
1889
1890 \item \verb|fentry(<label>)| -- Retrieve an integer value representing the
1891 entry point \verb|label|. The integer value returned will be a compile time
1892 constant. This number is suitable for later use in control flow transfer
1893 statements that take an expression. This value should not be compared against
1894 the current state because any given label can have multiple states representing
1895 it. The value returned by \verb|fentry| will be one of the possibly multiple states the
1896 label represents.
1897 \end{itemize}
1898
1899 \noindent The following statements are available in code blocks:
1900
1901 \begin{itemize}
1902
1903 \item \verb|fhold;| -- Do not advance over the current character. If processing
1904 data in multiple buffer blocks, the \verb|fhold| statement should only be used
1905 once in the set of actions executed on a character.  Multiple calls may result
1906 in backing up over the beginning of the buffer block. The \verb|fhold|
1907 statement does not imply any transfer of control. It is equivalent to the
1908 \verb|p--;| statement. 
1909
1910 \item \verb|fexec <expr>;| -- Set the next character to process. This can be
1911 used to backtrack to previous input or advance ahead.
1912 Unlike \verb|fhold|, which can be used
1913 anywhere, \verb|fexec| requires the user to ensure that the target of the
1914 backtrack is in the current buffer block or is known to be somewhere ahead of
1915 it. The machine will continue iterating forward until \verb|pe| is arrived at,
1916 \verb|fbreak| is called or the machine moves into the error state. In actions
1917 embedded into transitions, the \verb|fexec| statement is equivalent to setting
1918 \verb|p| to one position ahead of the next character to process.  If the user
1919 also modifies \verb|pe|, it is possible to change the buffer block entirely.
1920
1921 \item \verb|fgoto <label>;| -- Jump to an entry point defined by
1922 \verb|<label>|.  The \verb|fgoto| statement immediately transfers control to
1923 the destination state.
1924
1925 \item \verb|fgoto *<expr>;| -- Jump to an entry point given by \verb|<expr>|.
1926 The expression must evaluate to an integer value representing a state.
1927
1928 \item \verb|fnext <label>;| -- Set the next state to be the entry point defined
1929 by \verb|label|.  The \verb|fnext| statement does not immediately jump to the
1930 specified state. Any action code following the statement is executed.
1931
1932 \item \verb|fnext *<expr>;| -- Set the next state to be the entry point given
1933 by \verb|<expr>|. The expression must evaluate to an integer value representing
1934 a state.
1935
1936 \item \verb|fcall <label>;| -- Push the target state and jump to the entry
1937 point defined by \verb|<label>|.  The next \verb|fret| will jump to the target
1938 of the transition on which the call was made. Use of \verb|fcall| requires
1939 the declaration of a call stack. An array of integers named \verb|stack| and a
1940 single integer named \verb|top| must be declared. With the \verb|fcall|
1941 construct, control is immediately transferred to the destination state.
1942
1943 \item \verb|fcall *<expr>;| -- Push the current state and jump to the entry
1944 point given by \verb|<expr>|. The expression must evaluate to an integer value
1945 representing a state.
1946
1947 \item \verb|fret;| -- Return to the target state of the transition on which the
1948 last \verb|fcall| was made.  Use of \verb|fret| requires the declaration of a
1949 call stack with \verb|fstack| in the struct block.  Control is immediately
1950 transferred to the destination state.
1951
1952 \item \verb|fbreak;| -- Save the current state and immediately break out of the
1953 execute loop. This statement is useful in conjunction with the \verb|noend|
1954 write option. Rather than process input until the end marker of the input
1955 buffer is arrived at, the fbreak statement can be used to stop processing input
1956 upon seeing some end-of-string marker.  It can also be used for handling
1957 exceptional circumstances.  The fbreak statement does not change the pointer to
1958 the current character. After an \verb|fbreak| call the \verb|p| variable will point to
1959 the character that was being traversed over when the action was
1960 executed. The current state will be the target of the current transition.
1961
1962 \end{itemize}
1963
1964 \noindent {\bf Note:} Once actions with control-flow commands are embedded into a
1965 machine, the user must exercise caution when using the machine as the operand
1966 to other machine construction operators. If an action jumps to another state
1967 then unioning any transition that executes that action with another transition
1968 that follows some other path will cause that other path to be lost. Using
1969 commands that manually jump around a machine takes us out of the domain of
1970 regular languages because transitions that may be conditional and that the
1971 machine construction operators are not aware of are introduced.  These
1972 commands should therefore be used with caution.
1973
1974
1975 \chapter{Controlling Nondeterminism}
1976 \label{controlling-nondeterminism}
1977
1978 Along with the flexibility of arbitrary action embeddings comes a need to
1979 control nondeterminism in regular expressions. If a regular expression is
1980 ambiguous, then sub-components of a parser other than the intended parts may become
1981 active. This means that actions that are irrelevant to the
1982 current subset of the parser may be executed, causing problems for the
1983 programmer.
1984
1985 Tools that are based on regular expression engines and used for
1986 recognition tasks will usually function as intended regardless of the presence
1987 of ambiguities. It is quite common for users of scripting languages to write
1988 regular expressions that are heavily ambiguous and it generally does not
1989 matter. As long as one of the potential matches is recognized, there can be any
1990 number of other matches present.  In some parsing systems the run-time engine
1991 can employ a strategy for resolving ambiguities, for example always pursuing
1992 the longest possible match and discarding others.
1993
1994 In Ragel, there is no regular expression run-time engine, just a simple state
1995 machine execution model. When we begin to embed actions and face the
1996 possibility of spurious action execution, it becomes clear that controlling
1997 nondeterminism at the machine construction level is very important. Consider
1998 the following example.
1999
2000 % GENERATE: lines1
2001 % OPT: -p
2002 % %%{
2003 % machine lines1;
2004 % action first {}
2005 % action tail {}
2006 % word = [a-z]+;
2007 \begin{inline_code}
2008 \begin{verbatim}
2009 ws = [\n\t ];
2010 line = word $first ( ws word $tail )* '\n';
2011 lines = line*;
2012 \end{verbatim}
2013 \end{inline_code}
2014 % main := lines;
2015 % }%%
2016 % END GENERATE
2017
2018 \begin{center}
2019 \includegraphics[scale=0.53]{lines1}
2020 \end{center}
2021 \graphspace
2022
2023 Since the \verb|ws| expression includes the newline character, we will
2024 not finish the \verb|line| expression when a newline character is seen. We will
2025 simultaneously pursue the possibility of matching further words on the same
2026 line and the possibility of matching a second line. Evidence of this fact is 
2027 in the state tables. On several transitions both the \verb|first| and
2028 \verb|tail| actions are executed.  The solution here is simple: exclude
2029 the newline character from the \verb|ws| expression. 
2030
2031 % GENERATE: lines2
2032 % OPT: -p
2033 % %%{
2034 % machine lines2;
2035 % action first {}
2036 % action tail {}
2037 % word = [a-z]+;
2038 \begin{inline_code}
2039 \begin{verbatim}
2040 ws = [\t ];
2041 line = word $first ( ws word $tail )* '\n';
2042 lines = line*;
2043 \end{verbatim}
2044 \end{inline_code}
2045 % main := lines;
2046 % }%%
2047 % END GENERATE
2048
2049 \begin{center}
2050 \includegraphics[scale=0.55]{lines2}
2051 \end{center}
2052 \graphspace
2053
2054 Solving this kind of problem is straightforward when the ambiguity is created
2055 by strings that are a single character long.  When the ambiguity is created by
2056 strings that are multiple characters long we have a more difficult problem.
2057 The following example is an incorrect attempt at a regular expression for C
2058 language comments. 
2059
2060 % GENERATE: comments1
2061 % OPT: -p
2062 % %%{
2063 % machine comments1;
2064 % action comm {}
2065 \begin{inline_code}
2066 \begin{verbatim}
2067 comment = '/*' ( any @comm )* '*/';
2068 main := comment ' ';
2069 \end{verbatim}
2070 \end{inline_code}
2071 % }%%
2072 % END GENERATE
2073
2074 \begin{center}
2075 \includegraphics[scale=0.55]{comments1}
2076 \end{center}
2077 \graphspace
2078
2079 Using standard concatenation, we will never leave the \verb|any*| expression.
2080 We will forever entertain the possibility that a \verb|'*/'| string that we see
2081 is contained in a longer comment and that, simultaneously, the comment has
2082 ended.  The concatenation of the \verb|comment| machine with \verb|SP| is done
2083 to show this. When we match space, we are also still matching the comment body.
2084
2085 One way to approach the problem is to exclude the terminating string
2086 from the \verb|any*| expression using set difference. We must be careful to
2087 exclude not just the terminating string, but any string that contains it as a
2088 substring. A verbose, but proper specification of a C comment parser is given
2089 by the following regular expression. 
2090
2091 % GENERATE: comments2
2092 % OPT: -p
2093 % %%{
2094 % machine comments2;
2095 % action comm {}
2096 \begin{inline_code}
2097 \begin{verbatim}
2098 comment = '/*' ( ( any @comm )* - ( any* '*/' any* ) ) '*/';
2099 \end{verbatim}
2100 \end{inline_code}
2101 % main := comment;
2102 % }%%
2103 % END GENERATE
2104
2105 \graphspace
2106 \begin{center}
2107 \includegraphics[scale=0.55]{comments2}
2108 \end{center}
2109 \graphspace
2110
2111 Note that Ragel's strong subtraction operator \verb|--| can also be used here.
2112 In doing this subtraction we have phrased the problem of controlling non-determinism in
2113 terms of excluding strings common to two expressions that interact when
2114 combined.
2115 We can also phrase the problem in terms of the transitions of the state
2116 machines that implement these expressions. During the concatenation of
2117 \verb|any*| and \verb|'*/'| we will be making transitions that are composed of
2118 both the loop of the first expression and the final character of the second.
2119 At this time we want the transition on the \verb|'/'| character to take precedence
2120 over and disallow the transition that originated in the \verb|any*| loop.
2121
2122 In another parsing problem, we wish to implement a lightweight tokenizer that we can
2123 utilize in the composition of a larger machine. For example, some HTTP headers
2124 have a token stream as a sub-language. The following example is an attempt
2125 at a regular expression-based tokenizer that does not function correctly due to
2126 unintended nondeterminism.
2127
2128 \newpage
2129
2130 % GENERATE: smallscanner
2131 % OPT: -p
2132 % %%{
2133 % machine smallscanner;
2134 % action start_str {}
2135 % action on_char {}
2136 % action finish_str {}
2137 \begin{inline_code}
2138 \begin{verbatim}
2139 header_contents = ( 
2140     lower+ >start_str $on_char %finish_str | 
2141     ' '
2142 )*;
2143 \end{verbatim}
2144 \end{inline_code}
2145 % main := header_contents;
2146 % }%%
2147 % END GENERATE
2148
2149 \begin{center}
2150 \includegraphics[scale=0.55]{smallscanner}
2151 \end{center}
2152 \graphspace
2153
2154 In this case, the problem with using a standard kleene star operation is that
2155 there is an ambiguity between extending a token and wrapping around the machine
2156 to begin a new token. Using the standard operator, we get an undesirable
2157 nondeterministic behaviour. Evidence of this can be seen on the transition out
2158 of state one to itself.  The transition extends the string, and simultaneously,
2159 finishes the string only to immediately begin a new one.  What is required is
2160 for the
2161 transitions that represent an extension of a token to take precedence over the
2162 transitions that represent the beginning of a new token. For this problem
2163 there is no simple solution that uses standard regular expression operators.
2164
2165 \section{Priorities}
2166
2167 A priority mechanism was devised and built into the determinization
2168 process, specifically for the purpose of allowing the user to control
2169 nondeterminism.  Priorities are integer values embedded into transitions. When
2170 the determinization process is combining transitions that have different
2171 priorities, the transition with the higher priority is preserved and the
2172 transition with the lower priority is dropped.
2173
2174 Unfortunately, priorities can have unintended side effects because their
2175 operation requires that they linger in transitions indefinitely. They must linger
2176 because the Ragel program cannot know when the user is finished with a priority
2177 embedding.  A solution whereby they are explicitly deleted after use is
2178 conceivable; however this is not very user-friendly.  Priorities were therefore
2179 made into named entities. Only priorities with the same name are allowed to
2180 interact.  This allows any number of priorities to coexist in one machine for
2181 the purpose of controlling various different regular expression operations and
2182 eliminates the need to ever delete them. Such a scheme allows the user to
2183 choose a unique name, embed two different priority values using that name
2184 and be confident that the priority embedding will be free of any side effects.
2185
2186 In the first form of priority embedding the name defaults to the name of the machine
2187 definition that the priority is assigned in. In this sense priorities are by
2188 default local to the current machine definition or instantiation. Beware of
2189 using this form in a longest-match machine, since there is only one name for
2190 the entire set of longest match patterns. In the second form the priority's
2191 name can be specified, allowing priority interaction across machine definition
2192 boundaries.
2193
2194 \begin{itemize}
2195 \setlength{\parskip}{0in}
2196 \item \verb|expr > int| -- Sets starting transitions to have priority int.
2197 \item \verb|expr @ int| -- Sets transitions that go into a final state to have priority int. 
2198 \item \verb|expr $ int| -- Sets all transitions to have priority int.
2199 \item \verb|expr % int| -- Sets pending out transitions from final states to
2200 have priority int.\\ When a transition is made going out of the machine (either
2201 by concatenation or kleene star) its priority is immediately set to the pending
2202 out priority.  
2203 \end{itemize}
2204
2205 The second form of priority assignment allows the programmer to specify the name
2206 to which the priority is assigned.
2207
2208 \begin{itemize}
2209 \setlength{\parskip}{0in}
2210 \item \verb|expr > (name, int)| -- Starting transitions.
2211 \item \verb|expr @ (name, int)| -- Finishing transitions (into a final state).
2212 \item \verb|expr $ (name, int)| -- All transitions.
2213 \item \verb|expr % (name, int)| -- Pending out transitions.
2214 \end{itemize}
2215
2216 \section{Guarded Operators that Encapsulate Priorities}
2217
2218 Priority embeddings are a very expressive mechanism. At the same time they
2219 can be very confusing for the user. They force the user to imagine
2220 the transitions inside two interacting expressions and work out the precise
2221 effects of the operations between them. When we consider
2222 that this problem is worsened by the
2223 potential for side effects caused by unintended priority name collisions, we
2224 see that exposing the user to priorities is rather undesirable.
2225
2226 Fortunately, in practice the use of priorities has been necessary only in a
2227 small number of scenarios.  This allows us to encapsulate their functionality
2228 into a small set of operators and fully hide them from the user. This is
2229 advantageous from a language design point of view because it greatly simplifies
2230 the design.  
2231
2232 Going back to the C comment example, we can now properly specify
2233 it using a guarded concatenation operator which we call {\em finish-guarded
2234 concatenation}. From the user's point of view, this operator terminates the
2235 first machine when the second machine moves into a final state.  It chooses a
2236 unique name and uses it to embed a low priority into all
2237 transitions of the first machine. A higher priority is then embedded into the
2238 transitions of the second machine that enter into a final state. The following
2239 example yields a machine identical to the example in Section 
2240 \ref{controlling-nondeterminism}.
2241
2242 \begin{inline_code}
2243 \begin{verbatim}
2244 comment = '/*' ( any @comm )* :>> '*/';
2245 \end{verbatim}
2246 \end{inline_code}
2247
2248 \graphspace
2249 \begin{center}
2250 \includegraphics[scale=0.55]{comments2}
2251 \end{center}
2252 \graphspace
2253
2254 Another guarded operator is {\em left-guarded concatenation}, given by the
2255 \verb|<:| compound symbol. This operator places a higher priority on all
2256 transitions of the first machine. This is useful if one must forcibly separate
2257 two lists that contain common elements. For example, one may need to tokenize a
2258 stream, but first consume leading whitespace.
2259
2260 Ragel also includes a {\em longest-match kleene star} operator, given by the
2261 \verb|**| compound symbol. This 
2262 guarded operator embeds a high
2263 priority into all transitions of the machine. 
2264 A lower priority is then embedded into pending out transitions
2265 (in a manner similar to pending out action embeddings, described in Section
2266 \ref{out-actions}).  When the kleene star operator makes the epsilon transitions from
2267 the final states into the start state, the lower priority will be transferred
2268 to the epsilon transitions. In cases where following an epsilon transition
2269 out of a final state conflicts with an existing transition out of a final
2270 state, the epsilon transition will be dropped.
2271
2272 Other guarded operators are conceivable, such as guards on union that cause one
2273 alternative to take precedence over another. These may be implemented when it
2274 is clear they constitute a frequently used operation.
2275 In the next section we discuss the explicit specification of state machines
2276 using state charts.
2277
2278 \subsection{Entry-Guarded Concatenation}
2279
2280 \verb|expr :> expr| 
2281 \verbspace
2282
2283 This operator concatenates two machines, but first assigns a low
2284 priority to all transitions
2285 of the first machine and a high priority to the starting transitions of the
2286 second machine. This operator is useful if from the final states of the first
2287 machine, it is possible to accept the characters in the start transitions of
2288 the second machine. This operator effectively terminates the first machine
2289 immediately upon starting the second machine, where otherwise they would be
2290 pursued concurrently. In the following example, entry-guarded concatenation is
2291 used to move out of a machine that matches everything at the first sign of an
2292 end-of-input marker.
2293
2294 % GENERATE: entryguard
2295 % OPT: -p
2296 % %%{
2297 % machine entryguard;
2298 \begin{inline_code}
2299 \begin{verbatim}
2300 # Leave the catch-all machine on the first character of FIN.
2301 main := any* :> 'FIN';
2302 \end{verbatim}
2303 \end{inline_code}
2304 % }%%
2305 % END GENERATE
2306
2307 \begin{center}
2308 \includegraphics[scale=0.55]{entryguard}
2309 \end{center}
2310 \graphspace
2311
2312 Entry-guarded concatenation is equivalent to the following:
2313
2314 \verbspace
2315 \begin{verbatim}
2316 expr $(unique_name,0) . expr >(unique_name,1)
2317 \end{verbatim}
2318
2319 \subsection{Finish-Guarded Concatenation}
2320
2321 \verb|expr :>> expr|
2322 \verbspace
2323
2324 This operator is
2325 like the previous operator, except the higher priority is placed on the final
2326 transitions of the second machine. This is useful if one wishes to entertain
2327 the possibility of continuing to match the first machine right up until the
2328 second machine enters a final state. In other words it terminates the first
2329 machine only when the second accepts. In the following example, finish-guarded
2330 concatenation causes the move out of the machine that matches everything to be
2331 delayed until the full end-of-input marker has been matched.
2332
2333 % GENERATE: finguard
2334 % OPT: -p
2335 % %%{
2336 % machine finguard;
2337 \begin{inline_code}
2338 \begin{verbatim}
2339 # Leave the catch-all machine on the last character of FIN.
2340 main := any* :>> 'FIN';
2341 \end{verbatim}
2342 \end{inline_code}
2343 % }%%
2344 % END GENERATE
2345
2346 \begin{center}
2347 \includegraphics[scale=0.55]{finguard}
2348 \end{center}
2349 \graphspace
2350
2351 Finish-guarded concatenation is equivalent to the following:
2352
2353 \verbspace
2354 \begin{verbatim}
2355 expr $(unique_name,0) . expr @(unique_name,1)
2356 \end{verbatim}
2357
2358 \subsection{Left-Guarded Concatenation}
2359
2360 \verb|expr <: expr| 
2361 \verbspace
2362
2363 This operator places
2364 a higher priority on the left expression. It is useful if you want to prefix a
2365 sequence with another sequence composed of some of the same characters. For
2366 example, one can consume leading whitespace before tokenizing a sequence of
2367 whitespace-separated words as in:
2368
2369 % GENERATE: leftguard
2370 % OPT: -p
2371 % %%{
2372 % machine leftguard;
2373 % action alpha {}
2374 % action ws {}
2375 % action start {}
2376 % action fin {}
2377 \begin{inline_code}
2378 \begin{verbatim}
2379 main := ( ' '* >start %fin ) <: ( ' ' $ws | [a-z] $alpha )*;
2380 \end{verbatim}
2381 \end{inline_code}
2382 % }%%
2383 % END GENERATE
2384
2385 \graphspace
2386 \begin{center}
2387 \includegraphics[scale=0.55]{leftguard}
2388 \end{center}
2389 \graphspace
2390
2391 Left-guarded concatenation is equivalent to the following:
2392
2393 \verbspace
2394 \begin{verbatim}
2395 expr $(unique_name,1) . expr >(unique_name,0)
2396 \end{verbatim}
2397 \verbspace
2398
2399 \subsection{Longest-Match Kleene Star}
2400 \label{longest_match_kleene_star}
2401
2402 \verb|expr**| 
2403 \verbspace
2404
2405 This version of kleene star puts a higher priority on staying in the
2406 machine versus wrapping around and starting over. The LM kleene star is useful
2407 when writing simple tokenizers.  These machines are built by applying the
2408 longest-match kleene star to an alternation of token patterns, as in the
2409 following.
2410
2411 \verbspace
2412
2413 % GENERATE: lmkleene
2414 % OPT: -p
2415 % %%{
2416 % machine exfinpri;
2417 % action A {}
2418 % action B {}
2419 \begin{inline_code}
2420 \begin{verbatim}
2421 # Repeat tokens, but make sure to get the longest match.
2422 main := (
2423     lower ( lower | digit )* %A | 
2424     digit+ %B | 
2425     ' '
2426 )**;
2427 \end{verbatim}
2428 \end{inline_code}
2429 % }%%
2430 % END GENERATE
2431
2432 \begin{center}
2433 \includegraphics[scale=0.55]{lmkleene}
2434 \end{center}
2435 \graphspace
2436
2437 If a regular kleene star were used the machine above would not be able to
2438 distinguish between extending a word and beginning a new one.  This operator is
2439 equivalent to:
2440
2441 \verbspace
2442 \begin{verbatim}
2443 ( expr $(unique_name,1) %(unique_name,0) )*
2444 \end{verbatim}
2445 \verbspace
2446
2447 When the kleene star is applied, transitions that go out of the machine and
2448 back into it are made. These are assigned a priority of zero by the pending out
2449 transition mechanism. This is less than the priority of one assigned to the
2450 transitions leaving the final states but not leaving the machine. When two of
2451 these transitions clash on the same character, the differing priorities cause
2452 the transition that stays in the machine to take precedence.  The transition
2453 that wraps around is dropped.
2454
2455 Note that this operator does not build a scanner in the traditional sense
2456 because there is never any backtracking. To build a scanner in the traditional
2457 sense use the Longest-Match machine construction described in Section
2458 \ref{generating-scanners}.
2459
2460 \chapter{Interface to Host Program}
2461
2462 The Ragel code generator is very flexible. The generated code has no
2463 dependencies and can be inserted in any function, perhaps inside a loop if so
2464 desired.  The user is responsible for declaring and initializing a number of
2465 required variables, including the current state and the pointer to the input
2466 stream. These can live in any scope. Control of the input processing loop is
2467 also possible: the user may break out of the processing loop and return to it
2468 at any time.
2469
2470 In the case of C and D host languages, Ragel is able to generate very
2471 fast-running code that implements state machines as directly executable code.
2472 Since very large files strain the host language compiler, table-based code
2473 generation is also supported. In the future we hope to provide a partitioned,
2474 directly executable format that is able to reduce the burden on the host
2475 compiler by splitting large machines across multiple functions.
2476
2477 In the case of Java and Ruby, table-based code generation is the only code
2478 style supported. In the future this may be expanded to include other code
2479 styles.
2480
2481 Ragel can be used to parse input in one block, or it can be used to parse input
2482 in a sequence of blocks as it arrives from a file or socket.  Parsing the input
2483 in a sequence of blocks brings with it a few responsibilities. If the parser
2484 utilizes a scanner, care must be taken to not break the input stream anywhere
2485 but token boundaries.  If pointers to the input stream are taken during
2486 parsing, care must be taken to not use a pointer that has been invalidated by
2487 movement to a subsequent block.  If the current input data pointer is moved
2488 backwards it must not be moved past the beginning of the current block.
2489
2490 Figure \ref{basic-example} shows a simple Ragel program that does not have any
2491 actions. The example tests the first argument of the program against a number
2492 pattern and then prints the machine's acceptance status.
2493
2494 \begin{figure}
2495 \small
2496 \begin{verbatim}
2497 #include <stdio.h>
2498 #include <string.h>
2499 %%{
2500     machine foo;
2501     write data;
2502 }%%
2503 int main( int argc, char **argv )
2504 {
2505     int cs;
2506     if ( argc > 1 ) {
2507         char *p = argv[1];
2508         char *pe = p + strlen( p );
2509         %%{ 
2510             main := [0-9]+ ( '.' [0-9]+ )?;
2511
2512             write init;
2513             write exec;
2514             write eof;
2515         }%%
2516     }
2517     printf("result = %i\n", cs >= foo_first_final );
2518     return 0;
2519 }
2520 \end{verbatim}
2521 \caption{A basic Ragel example without any actions.}
2522 \label{basic-example}
2523 \end{figure}
2524
2525 \section{Variables Used by Ragel}
2526
2527 There are a number of variables which Ragel expects the user to declare. At a
2528 very minimum the \verb|cs|, \verb|p| and \verb|pe| variables must be declared.
2529 In Java and Ruby code the \verb|data| variable must also be declared. If
2530 stack-based state machine control flow statements are used then the
2531 \verb|stack| and \verb|top| variables are required. If a scanner is declared
2532 then the \verb|act|, \verb|tokstart| and \verb|tokend| variables must be
2533 declared.
2534
2535 \begin{itemize}
2536
2537 \item \verb|cs| - Current state. This must be an integer and it should persist
2538 across invocations of the machine when the data is broken into blocks that are
2539 processed independently.
2540
2541 \item \verb|p| - Data pointer. In C/D code this variable is expected to be a
2542 pointer to the character data to process. It should be initialized to the
2543 beginning of the data block on every run of the machine. In Java and Ruby it is
2544 used as an offset to \verb|data| and must be an integer. In this case it should
2545 be initialized to zero on every run of the machine.
2546
2547 \item \verb|pe| - Data end pointer. This should be initialized to \verb|p| plus
2548 the data length on every run of the machine. In Java and Ruby code this should
2549 be initialized to the data length.
2550
2551 \item \verb|data| - This variable is only required in Java and Ruby code. It
2552 must be an array containting the data to process.
2553
2554 \item \verb|stack| - This must be an array of integers. It is used to store
2555 integer values representing states. If the stack must resize dynamically the
2556 Pre-push and Post-Pop statements can be used to do this (Sections
2557 \ref{prepush} and \ref{postpop}).
2558
2559 \item \verb|top| - This must be an integer value and will be used as an offset
2560 to \verb|stack|, giving the next available spot on the top of the stack.
2561
2562 \item \verb|act| - This must be an integer value. It is a variable sometimes
2563 used by scanner code to keep track of the most recent successful pattern match.
2564
2565 \item \verb|tokstart| - This must be a pointer to character data. In Java and
2566 Ruby code this must be an integer. See Section \ref{generating-scanners} for
2567 more information.
2568
2569 \item \verb|tokend| - Also a pointer to character data.
2570
2571 \end{itemize}
2572
2573 \section{Alphtype Statement}
2574
2575 \begin{verbatim}
2576 alphtype unsigned int;
2577 \end{verbatim}
2578 \verbspace
2579
2580 The alphtype statement specifies the alphabet data type that the machine
2581 operates on. During the compilation of the machine, integer literals are expected to
2582 be in the range of possible values of the alphtype.  Supported alphabet types
2583 are \verb|char|, \verb|unsigned char|, \verb|short|, \verb|unsigned short|,
2584 \verb|int|, \verb|unsigned int|, \verb|long|, and \verb|unsigned long|. 
2585 The default is \verb|char|.
2586
2587 \section{Getkey Statement}
2588
2589 \begin{verbatim}
2590 getkey fpc->id;
2591 \end{verbatim}
2592 \verbspace
2593
2594 Specify to Ragel how to retrieve the character that the machine operates on
2595 from the pointer to the current element (\verb|p|). Any expression that returns
2596 a value of the alphabet type
2597 may be used. The getkey statement may be used for looking into element
2598 structures or for translating the character to process. The getkey expression
2599 defaults to \verb|(*p)|. In goto-driven machines the getkey expression may be
2600 evaluated more than once per element processed, therefore it should not incur a
2601 large cost nor preclude optimization.
2602
2603 \section{Access Statement}
2604
2605 \begin{verbatim}
2606 access fsm->;
2607 \end{verbatim}
2608 \verbspace
2609
2610 The access statement allows one to tell Ragel how the generated code should
2611 access the machine data that is persistent across processing buffer blocks.
2612 This includes all variables except \verb|p| and \verb|pe|. This includes
2613 \verb|cs|, \verb|top|, \verb|stack|, \verb|tokstart|, \verb|tokend| and \verb|act|.
2614 This is useful if a machine is to be encapsulated inside a
2615 structure in C code. The access statement can be used to give the name of
2616 a pointer to the structure.
2617
2618 \section{Variable Statement}
2619
2620 \begin{verbatim}
2621 variable p fsm->p;
2622 \end{verbatim}
2623 \verbspace
2624
2625 The variable statement allows one to tell ragel how to access a specific
2626 variable. All of the variables that are declared by the user and
2627 used by Ragel can be changed. This includes \verb|p|, \verb|pe|, \verb|cs|,
2628 \verb|top|, \verb|stack|, \verb|tokstart|, \verb|tokend| and \verb|act|.
2629 In Ruby and Java code generation the \verb|data| variable can also be changed.
2630
2631 \section{Pre-Push Statement}
2632 \label{prepush}
2633
2634 \begin{verbatim}
2635 prepush { 
2636         /* stack growing code */
2637 }
2638 \end{verbatim}
2639 \verbspace
2640
2641 The prepush statement allows the user to supply stack management code that is
2642 written out during the generation of fcall, immediately before the current
2643 state is pushed to the stack. This statement can be used to test the number of
2644 available spaces and dynamically grow the stack if necessary.
2645
2646 \section{Post-Pop Statement}
2647 \label{postpop}
2648
2649 \begin{verbatim}
2650 postpop { 
2651         /* stack shrinking code */
2652 }
2653 \end{verbatim}
2654 \verbspace
2655
2656 The postpop statement allows the user to supply stack management code that is
2657 written out during the generation of fret, immediately after the next state is
2658 popped from the stack. This statement can be used to dynamically shrink the
2659 stack.
2660
2661 \section{Write Statement}
2662 \label{write-statement}
2663
2664 \begin{verbatim}
2665 write <component> [options];
2666 \end{verbatim}
2667 \verbspace
2668
2669
2670 The write statement is used to generate parts of the machine. 
2671 There are four
2672 components that can be generated by a write statement. These components are the
2673 state machine's data, initialization code, execution code and EOF action
2674 execution code. A write statement may appear before a machine is fully defined.
2675 This allows one to write out the data first then later define the machine where
2676 it is used. An example of this is shown in Figure \ref{fbreak-example}.
2677
2678 \subsection{Write Data}
2679 \begin{verbatim}
2680 write data [options];
2681 \end{verbatim}
2682 \verbspace
2683
2684 The write data statement causes Ragel to emit the constant static data needed
2685 by the machine. In table-driven output styles (see Section \ref{genout}) this
2686 is a collection of arrays that represent the states and transitions of the
2687 machine.  In goto-driven machines much less data is emitted. At the very
2688 minimum a start state \verb|name_start| is generated.  All variables written
2689 out in machine data have both the \verb|static| and \verb|const| properties and
2690 are prefixed with the name of the machine and an
2691 underscore. The data can be placed inside a class, inside a function, or it can
2692 be defined as global data.
2693
2694 Two variables are written that may be used to test the state of the machine
2695 after a buffer block has been processed. The \verb|name_error| variable gives
2696 the id of the state that the machine moves into when it cannot find a valid
2697 transition to take. The machine immediately breaks out of the processing loop when
2698 it finds itself in the error state. The error variable can be compared to the
2699 current state to determine if the machine has failed to parse the input. If the
2700 machine is complete, that is from every state there is a transition to a proper
2701 state on every possible character of the alphabet, then no error state is required
2702 and this variable will be set to -1.
2703
2704 The \verb|name_first_final| variable stores the id of the first final state. All of the
2705 machine's states are sorted by their final state status before having their ids
2706 assigned. Checking if the machine has accepted its input can then be done by
2707 checking if the current state is greater-than or equal to the first final
2708 state.
2709
2710 Data generation has several options:
2711
2712 \begin{itemize}
2713 \setlength{\itemsep}{-2mm}
2714 \item \verb|noerror  | - Do not generate the integer variable that gives the
2715 id of the error state.
2716 \item \verb|nofinal  | - Do not generate the integer variable that gives the
2717 id of the first final state.
2718 \item \verb|noprefix | - Do not prefix the variable names with the name of the
2719 machine.
2720 \end{itemize}
2721
2722 \subsection{Write Init}
2723 \begin{verbatim}
2724 write init;
2725 \end{verbatim}
2726 \verbspace
2727
2728 The write init statement causes Ragel to emit initialization code. This should
2729 be executed once before the machine is started. At a very minimum this sets the
2730 current state to the start state. If other variables are needed by the
2731 generated code, such as call stack variables or scanner management
2732 variables, they are also initialized here.
2733
2734 The \verb|nocs| option to the write init statement will cause ragel to skip
2735 intialization of the cs variable. This is useful if the user wishes to use
2736 custom logic to decide which state the specification should start in.
2737
2738 \subsection{Write Exec}
2739 \begin{verbatim}
2740 write exec [options];
2741 \end{verbatim}
2742 \verbspace
2743
2744 The write exec statement causes Ragel to emit the state machine's execution code.
2745 Ragel expects several variables to be available to this code. At a very minimum, the
2746 generated code needs access to the current character position \verb|p|, the ending
2747 position \verb|pe| and the current state \verb|cs|, though \verb|pe|
2748 can be excluded by specifying the \verb|noend| write option.
2749 The \verb|p| variable is the cursor that the execute code will
2750 used to traverse the input. The \verb|pe| variable should be set up to point to one
2751 position past the last valid character in the buffer.
2752
2753 Other variables are needed when certain features are used. For example using
2754 the \verb|fcall| or \verb|fret| statements requires \verb|stack| and
2755 \verb|top| variables to be defined. If a longest-match construction is used,
2756 variables for managing backtracking are required.
2757
2758 The write exec statement has one option. The \verb|noend| option tells Ragel
2759 to generate code that ignores the end position \verb|pe|. In this
2760 case the user must explicitly break out of the processing loop using
2761 \verb|fbreak|, otherwise the machine will continue to process characters until
2762 it moves into the error state. This option is useful if one wishes to process a
2763 null terminated string. Rather than traverse the string to discover then length
2764 before processing the input, the user can break out when the null character is
2765 seen.  The example in Figure \ref{fbreak-example} shows the use of the
2766 \verb|noend| write option and the \verb|fbreak| statement for processing a string.
2767
2768 \begin{figure}
2769 \small
2770 \begin{verbatim}
2771 #include <stdio.h>
2772 %% machine foo;
2773 int main( int argc, char **argv )
2774 {
2775     %% write data noerror nofinal;
2776     int cs, res = 0;
2777     if ( argc > 1 ) {
2778         char *p = argv[1];
2779         %%{ 
2780             main := 
2781                 [a-z]+ 
2782                 0 @{ res = 1; fbreak; };
2783             write init;
2784             write exec noend;
2785         }%%
2786     }
2787     printf("execute = %i\n", res );
2788     return 0;
2789 }
2790 \end{verbatim}
2791 \caption{Use of {\tt noend} write option and the {\tt fbreak} statement for
2792 processing a string.}
2793 \label{fbreak-example}
2794 \end{figure}
2795
2796
2797 \subsection{Write EOF Actions}
2798 \begin{verbatim}
2799 write eof;
2800 \end{verbatim}
2801 \verbspace
2802
2803 The write EOF statement causes Ragel to emit code that executes EOF actions.
2804 This write statement is only relevant if EOF actions have been embedded,
2805 otherwise it does not generate anything. The EOF action code requires access to
2806 the current state.
2807
2808 \subsection{Write Exports}
2809 \label{export}
2810
2811 \begin{verbatim}
2812 write exports;
2813 \end{verbatim}
2814 \verbspace
2815
2816 The export feature can be used to export simple machine definitions. Machine definitions
2817 are marked for export using the \verb|export| keyword.
2818
2819 \verbspace
2820 \begin{verbatim}
2821 export machine_to_export = 0x44;
2822 \end{verbatim}
2823 \verbspace
2824
2825 When the write exports statement is used these machines are 
2826 written out in the generated code. Defines are used for C and constant integers
2827 are used for D, Java and Ruby. See Section \ref{import} for a description of the
2828 import statement.
2829   
2830 \section{Maintaining Pointers to Input Data}
2831
2832 In the creation of any parser it is not uncommon to require the collection of
2833 the data being parsed.  It is always possible to collect data into a growable
2834 buffer as the machine moves over it, however the copying of data is a somewhat
2835 wasteful use of processor cycles. The most efficient way to collect data from
2836 the parser is to set pointers into the input then later reference them.  This
2837 poses a problem for uses of Ragel where the input data arrives in blocks, such
2838 as over a socket or from a file. If a pointer is set in one buffer block but
2839 must be used while parsing a following buffer block, some extra consideration
2840 to correctness must be made.
2841
2842 The scanner constructions exhibit this problem, requiring the maintenance
2843 code described in Section \ref{generating-scanners}. If a longest-match
2844 construction has been used somewhere in the machine then it is possible to
2845 take advantage of the required prefix maintenance code in the driver program to
2846 ensure pointers to the input are always valid. If laying down a pointer one can
2847 set \verb|tokstart| at the same spot or ahead of it. When data is shifted in
2848 between loops the user must also shift the pointer.  In this way it is possible
2849 to maintain pointers to the input that will always be consistent.
2850
2851 \begin{figure}
2852 \small
2853 \begin{verbatim}
2854     int have = 0;
2855     while ( 1 ) {
2856         char *p, *pe, *data = buf + have;
2857         int len, space = BUFSIZE - have;
2858
2859         if ( space == 0 ) { 
2860             fprintf(stderr, "BUFFER OUT OF SPACE\n");
2861             exit(1);
2862         }
2863
2864         len = fread( data, 1, space, stdin );
2865         if ( len == 0 )
2866             break;
2867
2868         /* Find the last newline by searching backwards. */
2869         p = buf;
2870         pe = data + len - 1;
2871         while ( *pe != '\n' && pe >= buf )
2872             pe--;
2873         pe += 1;
2874
2875         %% write exec;
2876
2877         /* How much is still in the buffer? */
2878         have = data + len - pe;
2879         if ( have > 0 )
2880             memmove( buf, pe, have );
2881
2882         if ( len < space )
2883             break;
2884     }
2885 \end{verbatim}
2886 \caption{An example of line-oriented processing.}
2887 \label{line-oriented}
2888 \end{figure}
2889
2890 In general, there are two approaches for guaranteeing the consistency of
2891 pointers to input data. The first approach is the one just described;
2892 lay down a marker from an action,
2893 then later ensure that the data the marker points to is preserved ahead of
2894 the buffer on the next execute invocation. This approach is good because it
2895 allows the parser to decide on the pointer-use boundaries, which can be
2896 arbitrarily complex parsing conditions. A downside is that it requires any
2897 pointers that are set to be corrected in between execute invocations.
2898
2899 The alternative is to find the pointer-use boundaries before invoking the execute
2900 routine, then pass in the data using these boundaries. For example, if the
2901 program must perform line-oriented processing, the user can scan backwards from
2902 the end of an input block that has just been read in and process only up to the
2903 first found newline. On the next input read, the new data is placed after the
2904 partially read line and processing continues from the beginning of the line.
2905 An example of line-oriented processing is given in Figure \ref{line-oriented}.
2906
2907
2908 \section{Running the Executables}
2909
2910 Ragel is broken down into two parts: a frontend that compiles machines
2911 and emits them in an XML format, and a backend that generates code or a
2912 Graphviz Dot file from the XML data. The purpose of the XML-based intermediate
2913 format is to allow users to inspect their compiled state machines and to
2914 interface Ragel to other tools such as custom visualizers, code generators or
2915 analysis tools. The split also serves to reduce the complexity of the Ragel
2916 program by strictly separating the data structures and algorithms that are used
2917 to compile machines from those that are used to generate code. 
2918
2919 \vspace{10pt}
2920
2921 \noindent The frontend program is called \verb|ragel|. It takes as an argument the host
2922 language. This can be:
2923
2924 \begin{itemize}
2925 \item \verb|-C  | for C/C++/Objective-C code (default)
2926 \item \verb|-D  | for D code.
2927 \item \verb|-J  | for Java code.
2928 \item \verb|-R  | for Ruby code.
2929 \end{itemize}
2930
2931 \noindent There are four code backend programs. These are:
2932
2933 \begin{itemize}
2934 \item \verb|rlgen-cd    | generate code for the C-based and D languages.
2935 \item \verb|rlgen-java  | generate code for the Java language.
2936 \item \verb|rlgen-ruby  | generate code for the Ruby language.
2937 \item \verb|rlgen-dot   | generate a Graphviz Dot file.
2938 \end{itemize}
2939
2940 \section{Choosing a Generated Code Style (C/D only)}
2941 \label{genout}
2942
2943 There are three styles of code output to choose from. Code style affects the
2944 size and speed of the compiled binary. Changing code style does not require any
2945 change to the Ragel program. There are two table-driven formats and a goto
2946 driven format.
2947
2948 In addition to choosing a style to emit, there are various levels of action
2949 code reuse to choose from.  The maximum reuse levels (\verb|-T0|, \verb|-F0|
2950 and \verb|-G0|) ensure that no FSM action code is ever duplicated by encoding
2951 each transition's action list as static data and iterating
2952 through the lists on every transition. This will normally result in a smaller
2953 binary. The less action reuse options (\verb|-T1|, \verb|-F1| and \verb|-G1|)
2954 will usually produce faster running code by expanding each transition's action
2955 list into a single block of code, eliminating the need to iterate through the
2956 lists. This duplicates action code instead of generating the logic necessary
2957 for reuse. Consequently the binary will be larger. However, this tradeoff applies to
2958 machines with moderate to dense action lists only. If a machine's transitions
2959 frequently have less than two actions then the less reuse options will actually
2960 produce both a smaller and a faster running binary due to less action sharing
2961 overhead. The best way to choose the appropriate code style for your
2962 application is to perform your own tests.
2963
2964 The table-driven FSM represents the state machine as constant static data. There are
2965 tables of states, transitions, indices and actions. The current state is
2966 stored in a variable. The execution is simply a loop that looks up the current
2967 state, looks up the transition to take, executes any actions and moves to the
2968 target state. In general, the table-driven FSM can handle any machine, produces
2969 a smaller binary and requires a less expensive host language compile, but
2970 results in slower running code.  Since the table-driven format is the most
2971 flexible it is the default code style.
2972
2973 The flat table-driven machine is a table-based machine that is optimized for
2974 small alphabets. Where the regular table machine uses the current character as
2975 the key in a binary search for the transition to take, the flat table machine
2976 uses the current character as an index into an array of transitions. This is
2977 faster in general, however is only suitable if the span of possible characters
2978 is small.
2979
2980 The goto-driven FSM represents the state machine using goto and switch
2981 statements. The execution is a flat code block where the transition to take is
2982 computed using switch statements and directly executable binary searches.  In
2983 general, the goto FSM produces faster code but results in a larger binary and a
2984 more expensive host language compile.
2985
2986 The goto-driven format has an additional action reuse level (\verb|-G2|) that
2987 writes actions directly into the state transitioning logic rather than putting
2988 all the actions together into a single switch. Generally this produces faster
2989 running code because it allows the machine to encode the current state using
2990 the processor's instruction pointer. Again, sparse machines may actually
2991 compile to smaller binaries when \verb|-G2| is used due to less state and
2992 action management overhead. For many parsing applications \verb|-G2| is the
2993 preferred output format.
2994
2995 \verbspace
2996 \begin{center}
2997 \begin{tabular}{|c|c|}
2998 \hline
2999 \multicolumn{2}{|c|}{\bf Code Output Style Options} \\
3000 \hline
3001 \verb|-T0|&binary search table-driven\\
3002 \hline
3003 \verb|-T1|&binary search, expanded actions\\
3004 \hline
3005 \verb|-F0|&flat table-driven\\
3006 \hline
3007 \verb|-F1|&flat table, expanded actions\\
3008 \hline
3009 \verb|-G0|&goto-driven\\
3010 \hline
3011 \verb|-G1|&goto, expanded actions\\
3012 \hline
3013 \verb|-G2|&goto, in-place actions\\
3014 \hline
3015 \end{tabular}
3016 \end{center}
3017
3018 \chapter{Beyond the Basic Model}
3019
3020 \section{Parser Modularization}
3021
3022 It is possible to use Ragel's machine construction and action embedding
3023 operators to specify an entire parser using a single regular expression. In
3024 many cases this is the desired way to specify a parser in Ragel. However, in
3025 some scenarios, the language to parse may be so large that it is difficult to
3026 think about it as a single regular expression. It may shift between distinct
3027 parsing strategies, in which case modularization into several coherent blocks
3028 of the language may be appropriate.
3029
3030 It may also be the case that patterns that compile to a large number of states
3031 must be used in a number of different contexts and referencing them in each
3032 context results in a very large state machine. In this case, an ability to reuse
3033 parsers would reduce code size.
3034
3035 To address this, distinct regular expressions may be instantiated and linked
3036 together by means of a jumping and calling mechanism. This mechanism is
3037 analogous to the jumping to and calling of processor instructions. A jump
3038 command, given in action code, causes control to be immediately passed to
3039 another portion of the machine by way of setting the current state variable. A
3040 call command causes the target state of the current transition to be pushed to
3041 a state stack before control is transferred.  Later on, the original location
3042 may be returned to with a return statement. In the following example, distinct
3043 state machines are used to handle the parsing of two types of headers.
3044
3045 % GENERATE: call
3046 % %%{
3047 %       machine call;
3048 \begin{inline_code}
3049 \begin{verbatim}
3050 action return { fret; }
3051 action call_date { fcall date; }
3052 action call_name { fcall name; }
3053
3054 # A parser for date strings.
3055 date := [0-9][0-9] '/' 
3056         [0-9][0-9] '/' 
3057         [0-9][0-9][0-9][0-9] '\n' @return;
3058
3059 # A parser for name strings.
3060 name := ( [a-zA-Z]+ | ' ' )** '\n' @return;
3061
3062 # The main parser.
3063 headers = 
3064     ( 'from' | 'to' ) ':' @call_name | 
3065     ( 'departed' | 'arrived' ) ':' @call_date;
3066
3067 main := headers*;
3068 \end{verbatim}
3069 \end{inline_code}
3070 % }%%
3071 % %% write data;
3072 % void f()
3073 % {
3074 %       %% write init;
3075 %       %% write exec;
3076 % }
3077 % END GENERATE
3078
3079 Calling and jumping should be used carefully as they are operations that take
3080 one out of the domain of regular languages. A machine that contains a call or
3081 jump statement in one of its actions should be used as an argument to a machine
3082 construction operator only with considerable care. Since DFA transitions may
3083 actually represent several NFA transitions, a call or jump embedded in one
3084 machine can inadvertently terminate another machine that it shares prefixes
3085 with. Despite this danger, theses statements have proven useful for tying
3086 together sub-parsers of a language into a parser for the full language,
3087 especially for the purpose of modularizing code and reducing the number of
3088 states when the machine contains frequently recurring patterns.
3089
3090 Section \ref{vals} describes the jump and call statements that are used to
3091 transfer control. These statements make use of two variables that must be
3092 declared by the user, \verb|stack| and \verb|top|. The \verb|stack| variable
3093 must be an array of integers and \verb|top| must be a single integer, which
3094 will point to the next available space in \verb|stack|. Sections \ref{prepush}
3095 and \ref{postpop} describe the Pre-Push and Post-Pop statements which can be
3096 used to implement a dynamically resizable array.
3097
3098 \section{Referencing Names}
3099 \label{labels}
3100
3101 This section describes how to reference names in epsilon transitions and
3102 action-based control-flow statements such as \verb|fgoto|. There is a hierarchy
3103 of names implied in a Ragel specification.  At the top level are the machine
3104 instantiations. Beneath the instantiations are labels and references to machine
3105 definitions. Beneath those are more labels and references to definitions, and
3106 so on.
3107
3108 Any name reference may contain multiple components separated with the \verb|::|
3109 compound symbol.  The search for the first component of a name reference is
3110 rooted at the join expression that the epsilon transition or action embedding
3111 is contained in. If the name reference is not contained in a join,
3112 the search is rooted at the machine definition that the epsilon transition or
3113 action embedding is contained in. Each component after the first is searched
3114 for beginning at the location in the name tree that the previous reference
3115 component refers to.
3116
3117 In the case of action-based references, if the action is embedded more than
3118 once, the local search is performed for each embedding and the result is the
3119 union of all the searches. If no result is found for action-based references then
3120 the search is repeated at the root of the name tree.  Any action-based name
3121 search may be forced into a strictly global search by prefixing the name
3122 reference with \verb|::|.
3123
3124 The final component of the name reference must resolve to a unique entry point.
3125 If a name is unique in the entire name tree it can be referenced as is. If it
3126 is not unique it can be specified by qualifying it with names above it in the
3127 name tree. However, it can always be renamed.
3128
3129 % FIXME: Should fit this in somewhere.
3130 % Some kinds of name references are illegal. Cannot call into longest-match
3131 % machine, can only call its start state. Cannot make a call to anywhere from
3132 % any part of a longest-match machine except a rule's action. This would result
3133 % in an eventual return to some point inside a longest-match other than the
3134 % start state. This is banned for the same reason a call into the LM machine is
3135 % banned.
3136
3137
3138 \section{Scanners}
3139 \label{generating-scanners}
3140
3141 Scanners are very much intertwined with regular-languages and their
3142 corresponding processors. For this reason Ragel supports the definition of
3143 Scanners.  The generated code will repeatedly attempt to match patterns from a
3144 list, favouring longer patterns over shorter patterns.  In the case of
3145 equal-length matches, the generated code will favour patterns that appear ahead
3146 of others. When a scanner makes a match it executes the user code associated
3147 with the match, consumes the input then resumes scanning.
3148
3149 \verbspace
3150 \begin{verbatim}
3151 <machine_name> := |* 
3152         pattern1 => action1;
3153         pattern2 => action2;
3154         ...
3155     *|;
3156 \end{verbatim}
3157 \verbspace
3158
3159 On the surface, Ragel scanners are similar to those defined by Lex. Though
3160 there is a key distinguishing feature: patterns may be arbitrary Ragel
3161 expressions and can therefore contain embedded code. With a Ragel-based scanner
3162 the user need not wait until the end of a pattern before user code can be
3163 executed.
3164
3165 Scanners can be used to process sub-languages, as well as for tokenizing
3166 programming languages. In the following example a scanner is used to tokenize
3167 the contents of a header field.
3168
3169 \begin{inline_code}
3170 \begin{verbatim}
3171 word = [a-z]+;
3172 head_name = 'Header';
3173
3174 header := |*
3175     word;
3176     ' ';
3177     '\n' => { fret; };
3178 *|;
3179
3180 main := ( head_name ':' @{ fcall header; } )*;
3181 \end{verbatim}
3182 \end{inline_code}
3183 \verbspace
3184
3185 The scanner construction has a purpose similar to the longest-match kleene star
3186 operator \verb|**|. The key
3187 difference is that a scanner is able to backtrack to match a previously matched
3188 shorter string when the pursuit of a longer string fails.  For this reason the
3189 scanner construction operator is not a pure state machine construction
3190 operator. It relies on several variables which enable it to backtrack and make
3191 pointers to the matched input text available to the user.  For this reason
3192 scanners must be immediately instantiated. They cannot be defined inline or
3193 referenced by another expression. Scanners must be jumped to or called.
3194
3195 Scanners rely on the \verb|tokstart|, \verb|tokend| and \verb|act|
3196 variables to be present so that it can backtrack and make pointers to the
3197 matched text available to the user. If input is processed using multiple calls
3198 to the execute code then the user must ensure that when a token is only
3199 partially matched that the prefix is preserved on the subsequent invocation of
3200 the execute code.
3201
3202 The \verb|tokstart| variable must be defined as a pointer to the input data.
3203 It is used for recording where the current token match begins. This variable
3204 may be used in action code for retrieving the text of the current match.  Ragel
3205 ensures that in between tokens and outside of the longest-match machines that
3206 this pointer is set to null. In between calls to the execute code the user must
3207 check if \verb|tokstart| is set and if so, ensure that the data it points to is
3208 preserved ahead of the next buffer block. This is described in more detail
3209 below.
3210
3211 The \verb|tokend| variable must also be defined as a pointer to the input data.
3212 It is used for recording where a match ends and where scanning of the next
3213 token should begin. This can also be used in action code for retrieving the
3214 text of the current match.
3215
3216 The \verb|act| variable must be defined as an integer type. It is used for
3217 recording the identity of the last pattern matched when the scanner must go
3218 past a matched pattern in an attempt to make a longer match. If the longer
3219 match fails it may need to consult the \verb|act| variable. In some cases, use 
3220 of the \verb|act|
3221 variable can be avoided because the value of the current state is enough
3222 information to determine which token to accept, however in other cases this is
3223 not enough and so the \verb|act| variable is used. 
3224
3225 When the longest-match operator is in use, the user's driver code must take on
3226 some buffer management functions. The following algorithm gives an overview of
3227 the steps that should be taken to properly use the longest-match operator.
3228
3229 \begin{itemize}
3230 \setlength{\parskip}{0pt}
3231 \item Read a block of input data.
3232 \item Run the execute code.
3233 \item If \verb|tokstart| is set, the execute code will expect the incomplete
3234 token to be preserved ahead of the buffer on the next invocation of the execute
3235 code.  
3236 \begin{itemize}
3237 \item Shift the data beginning at \verb|tokstart| and ending at \verb|pe| to the
3238 beginning of the input buffer.
3239 \item Reset \verb|tokstart| to the beginning of the buffer. 
3240 \item Shift \verb|tokend| by the distance from the old value of \verb|tokstart|
3241 to the new value. The \verb|tokend| variable may or may not be valid.  There is
3242 no way to know if it holds a meaningful value because it is not kept at null
3243 when it is not in use. It can be shifted regardless.
3244 \end{itemize}
3245 \item Read another block of data into the buffer, immediately following any
3246 preserved data.
3247 \item Run the scanner on the new data.
3248 \end{itemize}
3249
3250 Figure \ref{preserve_example} shows the required handling of an input stream in
3251 which a token is broken by the input block boundaries. After processing up to
3252 and including the ``t'' of ``characters'', the prefix of the string token must be
3253 retained and processing should resume at the ``e'' on the next iteration of
3254 the execute code.
3255
3256 If one uses a large input buffer for collecting input then the number of times
3257 the shifting must be done will be small. Furthermore, if one takes care not to
3258 define tokens that are allowed to be very long and instead processes these
3259 items using pure state machines or sub-scanners, then only a small amount of
3260 data will ever need to be shifted.
3261
3262 \begin{figure}
3263 \begin{verbatim}
3264       a)           A stream "of characters" to be scanned.
3265                    |        |          |
3266                    p        tokstart   pe
3267
3268       b)           "of characters" to be scanned.
3269                    |          |        |
3270                    tokstart   p        pe
3271 \end{verbatim}
3272 \caption{Following an invocation of the execute code there may be a partially
3273 matched token (a). The data of the partially matched token 
3274 must be preserved ahead of the new data on the next invocation (b).}
3275 \label{preserve_example}
3276 \end{figure}
3277
3278 Since scanners attempt to make the longest possible match of input, in some
3279 cases they are not able to identify a token upon parsing its final character,
3280 they must wait for a lookahead character. For example if trying to match words,
3281 the token match must be triggered on following whitespace in case more
3282 characters of the word have yet to come. The user must therefore arrange for an
3283 EOF character to be sent to the scanner to flush out any token that has not yet
3284 been matched.  The user can exclude a single character from the entire scanner
3285 and use this character as the EOF character, possibly specifying an EOF action.
3286 For most scanners, zero is a suitable choice for the EOF character. 
3287
3288 Alternatively, if whitespace is not significant and ignored by the scanner, the
3289 final real token can be flushed out by simply sending an additional whitespace
3290 character on the end of the stream. If the real stream ends with whitespace
3291 then it will simply be extended and ignored. If it does not, then the last real token is
3292 guaranteed to be flushed and the dummy EOF whitespace ignored.
3293 An example scanner processing loop is given in Figure \ref{scanner-loop}.
3294
3295 \begin{figure}
3296 \small
3297 \begin{verbatim}
3298     int have = 0;
3299     bool done = false;
3300     while ( !done ) {
3301         /* How much space is in the buffer? */
3302         int space = BUFSIZE - have;
3303         if ( space == 0 ) {
3304             /* Buffer is full. */
3305             cerr << "TOKEN TOO BIG" << endl;
3306             exit(1);
3307         }
3308
3309         /* Read in a block after any data we already have. */
3310         char *p = inbuf + have;
3311         cin.read( p, space );
3312         int len = cin.gcount();
3313
3314         /* If no data was read, send the EOF character. */
3315         if ( len == 0 ) {
3316             p[0] = 0, len++;
3317             done = true;
3318         }
3319
3320         char *pe = p + len;
3321         %% write exec;
3322
3323         if ( cs == RagelScan_error ) {
3324             /* Machine failed before finding a token. */
3325             cerr << "PARSE ERROR" << endl;
3326             exit(1);
3327         }
3328
3329         if ( tokstart == 0 )
3330             have = 0;
3331         else {
3332             /* There is a prefix to preserve, shift it over. */
3333             have = pe - tokstart;
3334             memmove( inbuf, tokstart, have );
3335             tokend = inbuf + (tokend-tokstart);
3336             tokstart = inbuf;
3337         }
3338     }
3339 \end{verbatim}
3340 \caption{A processing loop for a scanner.}
3341 \label{scanner-loop}
3342 \end{figure}
3343
3344 \section{State Charts}
3345
3346 In addition to supporting the construction of state machines using regular
3347 languages, Ragel provides a way to manually specify state machines using
3348 state charts.  The comma operator combines machines together without any
3349 implied transitions. The user can then manually link machines by specifying
3350 epsilon transitions with the \verb|->| operator.  Epsilon transitions are drawn
3351 between the final states of a machine and entry points defined by labels.  This
3352 makes it possible to build machines using the explicit state-chart method while
3353 making minimal changes to the Ragel language. 
3354
3355 An interesting feature of Ragel's state chart construction method is that it
3356 can be mixed freely with regular expression constructions. A state chart may be
3357 referenced from within a regular expression, or a regular expression may be
3358 used in the definition of a state chart transition.
3359
3360 \subsection{Join}
3361
3362 \verb|expr , expr , ...|
3363 \verbspace
3364
3365 Join a list of machines together without
3366 drawing any transitions, without setting up a start state, and without
3367 designating any final states. Transitions between the machines may be specified
3368 using labels and epsilon transitions. The start state must be explicity
3369 specified with the ``start'' label. Final states may be specified with an
3370 epsilon transition to the implicitly created ``final'' state. The join
3371 operation allows one to build machines using a state chart model.
3372
3373 \subsection{Label}
3374
3375 \verb|label: expr| 
3376 \verbspace
3377
3378 Attaches a label to an expression. Labels can be
3379 used as the target of epsilon transitions and explicit control transfer
3380 statements such as \verb|fgoto| and \verb|fnext| in action
3381 code.
3382
3383 \subsection{Epsilon}
3384
3385 \verb|expr -> label| 
3386 \verbspace
3387
3388 Draws an epsilon transition to the state defined
3389 by \verb|label|.  Epsilon transitions are made deterministic when join
3390 operators are evaluated. Epsilon transitions that are not in a join operation
3391 are made deterministic when the machine definition that contains the epsilon is
3392 complete. See Section \ref{labels} for information on referencing labels.
3393
3394 \subsection{Simplifying State Charts}
3395
3396 There are two benefits to providing state charts in Ragel. The first is that it
3397 allows us to take a state chart with a full listing of states and transitions
3398 and simplify it in selective places using regular expressions.
3399
3400 The state chart method of specifying parsers is very common.  It is an
3401 effective programming technique for producing robust code. The key disadvantage
3402 becomes clear when one attempts to comprehend a large parser specified in this
3403 way.  These programs usually require many lines, causing logic to be spread out
3404 over large distances in the source file. Remembering the function of a large
3405 number of states can be difficult and organizing the parser in a sensible way
3406 requires discipline because branches and repetition present many file layout
3407 options.  This kind of programming takes a specification with inherent
3408 structure such as looping, alternation and concatenation and expresses it in a
3409 flat form. 
3410
3411 If we could take an isolated component of a manually programmed state chart,
3412 that is, a subset of states that has only one entry point, and implement it
3413 using regular language operators then we could eliminate all the explicit
3414 naming of the states contained in it. By eliminating explicitly named states
3415 and replacing them with higher-level specifications we simplify a state machine
3416 specification.
3417
3418 For example, sometimes chains of states are needed, with only a small number of
3419 possible characters appearing along the chain. These can easily be replaced
3420 with a concatenation of characters. Sometimes a group of common states
3421 implement a loop back to another single portion of the machine. Rather than
3422 manually duplicate all the transitions that loop back, we may be able to
3423 express the loop using a kleene star operator.
3424
3425 Ragel allows one to take this state map simplification approach. We can build
3426 state machines using a state map model and implement portions of the state map
3427 using regular languages. In place of any transition in the state machine,
3428 entire sub-state machines can be given. These can encapsulate functionality
3429 defined elsewhere. An important aspect of the Ragel approach is that when we
3430 wrap up a collection of states using a regular expression we do not lose
3431 access to the states and transitions. We can still execute code on the
3432 transitions that we have encapsulated.
3433
3434 \subsection{Dropping Down One Level of Abstraction}
3435 \label{down}
3436
3437 The second benefit of incorporating state charts into Ragel is that it permits
3438 us to bypass the regular language abstraction if we need to. Ragel's action
3439 embedding operators are sometimes insufficient for expressing certain parsing
3440 tasks.  In the same way that is useful for C language programmers to drop down
3441 to assembly language programming using embedded assembler, it is sometimes
3442 useful for the Ragel programmer to drop down to programming with state charts.
3443
3444 In the following example, we wish to buffer the characters of an XML CDATA
3445 sequence. The sequence is terminated by the string \verb|]]>|. The challenge
3446 in our application is that we do not wish the terminating characters to be
3447 buffered. An expression of the form \verb|any* @buffer :>> ']]>'| will not work
3448 because the buffer will always contain the characters \verb|]]| on the end.
3449 Instead, what we need is to delay the buffering of \hspace{0.25mm} \verb|]|
3450 characters until a time when we
3451 abandon the terminating sequence and go back into the main loop. There is no
3452 easy way to express this using Ragel's regular expression and action embedding
3453 operators, and so an ability to drop down to the state chart method is useful.
3454
3455 % GENERATE: dropdown
3456 % OPT: -p
3457 % %%{
3458 % machine dropdown;
3459 \begin{inline_code}
3460 \begin{verbatim}
3461 action bchar { buff( fpc ); }    # Buffer the current character.
3462 action bbrack1 { buff( "]" ); }
3463 action bbrack2 { buff( "]]" ); }
3464
3465 CDATA_body =
3466 start: (
3467      ']' -> one |
3468      (any-']') @bchar ->start
3469 ),
3470 one: (
3471      ']' -> two |
3472      [^\]] @bbrack1 @bchar ->start
3473 ),
3474 two: (
3475      '>' -> final |
3476      ']' @bbrack1 -> two |
3477      [^>\]] @bbrack2 @bchar ->start
3478 );
3479 \end{verbatim}
3480 \end{inline_code}
3481 % main := CDATA_body;
3482 % }%%
3483 % END GENERATE
3484
3485 \graphspace
3486 \begin{center}
3487 \includegraphics[scale=0.55]{dropdown}
3488 \end{center}
3489
3490
3491 \section{Semantic Conditions}
3492 \label{semantic}
3493
3494 Many communication protocols contain variable-length fields, where the length
3495 of the field is given ahead of the field as a value. This
3496 problem cannot be expressed using regular languages because of its
3497 context-dependent nature. The prevalence of variable-length fields in
3498 communication protocols motivated us to introduce semantic conditions into
3499 the Ragel language.
3500
3501 A semantic condition is a block of user code that is executed immediately
3502 before a transition is taken. If the code returns a value of true, the
3503 transition may be taken.  We can now embed code that extracts the length of a
3504 field, then proceed to match $n$ data values.
3505
3506 % GENERATE: conds1
3507 % OPT: -p
3508 % %%{
3509 % machine conds1;
3510 % number = digit+;
3511 \begin{inline_code}
3512 \begin{verbatim}
3513 action rec_num { i = 0; n = getnumber(); }
3514 action test_len { i++ < n }
3515 data_fields = (
3516     'd' 
3517     [0-9]+ %rec_num 
3518     ':'
3519     ( [a-z] when test_len )*
3520 )**;
3521 \end{verbatim}
3522 \end{inline_code}
3523 % main := data_fields;
3524 % }%%
3525 % END GENERATE
3526
3527 \begin{center}
3528 \includegraphics[scale=0.55]{conds1}
3529 \end{center}
3530 \graphspace
3531
3532 The Ragel implementation of semantic conditions does not force us to give up the
3533 compositional property of Ragel definitions. For example, a machine that tests
3534 the length of a field using conditions can be unioned with another machine
3535 that accepts some of the same strings, without the two machines interfering with
3536 one another. The user need not be concerned about whether or not the result of the
3537 semantic condition will affect the matching of the second machine.
3538
3539 To see this, first consider that when a user associates a condition with an
3540 existing transition, the transition's label is translated from the base character
3541 to its corresponding value in the space that represents ``condition $c$ true''. Should
3542 the determinization process combine a state that has a conditional transition
3543 with another state that has a transition on the same input character but
3544 without a condition, then the condition-less transition first has its label
3545 translated into two values, one to its corresponding value in the space that
3546 represents ``condition $c$ true'' and another to its corresponding value in the
3547 space that represents ``condition $c$ false''. It
3548 is then safe to combine the two transitions. This is shown in the following
3549 example.  Two intersecting patterns are unioned, one with a condition and one
3550 without. The condition embedded in the first pattern does not affect the second
3551 pattern.
3552
3553 % GENERATE: conds2
3554 % OPT: -p
3555 % %%{
3556 % machine conds2;
3557 % number = digit+;
3558 \begin{inline_code}
3559 \begin{verbatim}
3560 action test_len { i++ < n }
3561 action one { /* accept pattern one */ }
3562 action two { /* accept pattern two */ }
3563 patterns = 
3564     ( [a-z] when test_len )+ %one |
3565     [a-z][a-z0-9]* %two;
3566 main := patterns '\n';
3567 \end{verbatim}
3568 \end{inline_code}
3569 % }%%
3570 % END GENERATE
3571
3572 \begin{center}
3573 \includegraphics[scale=0.55]{conds2}
3574 \end{center}
3575 \graphspace
3576
3577 There are many more potential uses for semantic conditions. The user is free to
3578 use arbitrary code and may therefore perform actions such as looking up names
3579 in dictionaries, validating input using external parsing mechanisms or
3580 performing checks on the semantic structure of input seen so far. In the
3581 next section we describe how Ragel accommodates several common parser
3582 engineering problems.
3583
3584 \vspace{10pt}
3585
3586 \noindent {\large\bf Note:} The semantic condition feature works only with
3587 alphabet types that are smaller in width than the \verb|long| type. To
3588 implement semantic conditions Ragel needs to be able to allocate characters
3589 from the alphabet space. Ragel uses these allocated characters to express
3590 "character C with condition P true" or "C with P false." Since internally Ragel
3591 uses longs to store characters there is no room left in the alphabet space
3592 unless an alphabet type smaller than long is used.
3593
3594 \section{Implementing Lookahead}
3595
3596 There are a few strategies for implementing lookahead in Ragel programs.
3597 Pending out actions, which are described in Section \ref{out-actions}, can be
3598 used as a form of lookahead.  Ragel also provides the \verb|fhold| directive
3599 which can be used in actions to prevent the machine from advancing over the
3600 current character. It is also possible to manually adjust the current character
3601 position by shifting it backwards using \verb|fexec|, however when this is
3602 done, care must be taken not to overstep the beginning of the current buffer
3603 block. In both the use of \verb|fhold| and \verb|fexec| the user must be
3604 cautious of combining the resulting machine with another in such a way that the
3605 transition on which the current position is adjusted is not combined with a
3606 transition from the other machine.
3607
3608 \section{Parsing Recursive Language Structures}
3609
3610 In general Ragel cannot handle recursive structures because the grammar is
3611 interpreted as a regular language. However, depending on what needs to be
3612 parsed it is sometimes practical to implement the recursive parts using manual
3613 coding techniques. This often works in cases where the recursive structures are
3614 simple and easy to recognize, such as in the balancing of parentheses
3615
3616 One approach to parsing recursive structures is to use actions that increment
3617 and decrement counters or otherwise recognize the entry to and exit from
3618 recursive structures and then jump to the appropriate machine defnition using
3619 \verb|fcall| and \verb|fret|. Alternatively, semantic conditions can be used to
3620 test counter variables.
3621
3622 A more traditional approach is to call a separate parsing function (expressed
3623 in the host language) when a recursive structure is entered, then later return
3624 when the end is recognized.
3625
3626 \end{document}