Import a stripped down version of gcc-4.1.1
[dragonfly.git] / contrib / gcc-4.1 / gcc / doc / cppinternals.info
1 This is doc/cppinternals.info, produced by makeinfo version 4.8 from
2 /scratch/mitchell/gcc-releases/gcc-4.1.1/gcc-4.1.1/gcc/doc/cppinternals.texi.
3
4 INFO-DIR-SECTION Programming
5 START-INFO-DIR-ENTRY
6 * Cpplib: (cppinternals).      Cpplib internals.
7 END-INFO-DIR-ENTRY
8
9    This file documents the internals of the GNU C Preprocessor.
10
11    Copyright 2000, 2001, 2002, 2004, 2005 Free Software Foundation, Inc.
12
13    Permission is granted to make and distribute verbatim copies of this
14 manual provided the copyright notice and this permission notice are
15 preserved on all copies.
16
17    Permission is granted to copy and distribute modified versions of
18 this manual under the conditions for verbatim copying, provided also
19 that the entire resulting derived work is distributed under the terms
20 of a permission notice identical to this one.
21
22    Permission is granted to copy and distribute translations of this
23 manual into another language, under the above conditions for modified
24 versions.
25
26 \1f
27 File: cppinternals.info,  Node: Top,  Next: Conventions,  Up: (dir)
28
29 The GNU C Preprocessor Internals
30 ********************************
31
32 1 Cpplib--the GNU C Preprocessor
33 ********************************
34
35 The GNU C preprocessor is implemented as a library, "cpplib", so it can
36 be easily shared between a stand-alone preprocessor, and a preprocessor
37 integrated with the C, C++ and Objective-C front ends.  It is also
38 available for use by other programs, though this is not recommended as
39 its exposed interface has not yet reached a point of reasonable
40 stability.
41
42    The library has been written to be re-entrant, so that it can be used
43 to preprocess many files simultaneously if necessary.  It has also been
44 written with the preprocessing token as the fundamental unit; the
45 preprocessor in previous versions of GCC would operate on text strings
46 as the fundamental unit.
47
48    This brief manual documents the internals of cpplib, and explains
49 some of the tricky issues.  It is intended that, along with the
50 comments in the source code, a reasonably competent C programmer should
51 be able to figure out what the code is doing, and why things have been
52 implemented the way they have.
53
54 * Menu:
55
56 * Conventions::         Conventions used in the code.
57 * Lexer::               The combined C, C++ and Objective-C Lexer.
58 * Hash Nodes::          All identifiers are entered into a hash table.
59 * Macro Expansion::     Macro expansion algorithm.
60 * Token Spacing::       Spacing and paste avoidance issues.
61 * Line Numbering::      Tracking location within files.
62 * Guard Macros::        Optimizing header files with guard macros.
63 * Files::               File handling.
64 * Concept Index::       Index.
65
66 \1f
67 File: cppinternals.info,  Node: Conventions,  Next: Lexer,  Prev: Top,  Up: Top
68
69 Conventions
70 ***********
71
72 cpplib has two interfaces--one is exposed internally only, and the
73 other is for both internal and external use.
74
75    The convention is that functions and types that are exposed to
76 multiple files internally are prefixed with `_cpp_', and are to be
77 found in the file `internal.h'.  Functions and types exposed to external
78 clients are in `cpplib.h', and prefixed with `cpp_'.  For historical
79 reasons this is no longer quite true, but we should strive to stick to
80 it.
81
82    We are striving to reduce the information exposed in `cpplib.h' to
83 the bare minimum necessary, and then to keep it there.  This makes clear
84 exactly what external clients are entitled to assume, and allows us to
85 change internals in the future without worrying whether library clients
86 are perhaps relying on some kind of undocumented implementation-specific
87 behavior.
88
89 \1f
90 File: cppinternals.info,  Node: Lexer,  Next: Hash Nodes,  Prev: Conventions,  Up: Top
91
92 The Lexer
93 *********
94
95 Overview
96 ========
97
98 The lexer is contained in the file `lex.c'.  It is a hand-coded lexer,
99 and not implemented as a state machine.  It can understand C, C++ and
100 Objective-C source code, and has been extended to allow reasonably
101 successful preprocessing of assembly language.  The lexer does not make
102 an initial pass to strip out trigraphs and escaped newlines, but handles
103 them as they are encountered in a single pass of the input file.  It
104 returns preprocessing tokens individually, not a line at a time.
105
106    It is mostly transparent to users of the library, since the library's
107 interface for obtaining the next token, `cpp_get_token', takes care of
108 lexing new tokens, handling directives, and expanding macros as
109 necessary.  However, the lexer does expose some functionality so that
110 clients of the library can easily spell a given token, such as
111 `cpp_spell_token' and `cpp_token_len'.  These functions are useful when
112 generating diagnostics, and for emitting the preprocessed output.
113
114 Lexing a token
115 ==============
116
117 Lexing of an individual token is handled by `_cpp_lex_direct' and its
118 subroutines.  In its current form the code is quite complicated, with
119 read ahead characters and such-like, since it strives to not step back
120 in the character stream in preparation for handling non-ASCII file
121 encodings.  The current plan is to convert any such files to UTF-8
122 before processing them.  This complexity is therefore unnecessary and
123 will be removed, so I'll not discuss it further here.
124
125    The job of `_cpp_lex_direct' is simply to lex a token.  It is not
126 responsible for issues like directive handling, returning lookahead
127 tokens directly, multiple-include optimization, or conditional block
128 skipping.  It necessarily has a minor ro^le to play in memory
129 management of lexed lines.  I discuss these issues in a separate section
130 (*note Lexing a line::).
131
132    The lexer places the token it lexes into storage pointed to by the
133 variable `cur_token', and then increments it.  This variable is
134 important for correct diagnostic positioning.  Unless a specific line
135 and column are passed to the diagnostic routines, they will examine the
136 `line' and `col' values of the token just before the location that
137 `cur_token' points to, and use that location to report the diagnostic.
138
139    The lexer does not consider whitespace to be a token in its own
140 right.  If whitespace (other than a new line) precedes a token, it sets
141 the `PREV_WHITE' bit in the token's flags.  Each token has its `line'
142 and `col' variables set to the line and column of the first character
143 of the token.  This line number is the line number in the translation
144 unit, and can be converted to a source (file, line) pair using the line
145 map code.
146
147    The first token on a logical, i.e. unescaped, line has the flag
148 `BOL' set for beginning-of-line.  This flag is intended for internal
149 use, both to distinguish a `#' that begins a directive from one that
150 doesn't, and to generate a call-back to clients that want to be
151 notified about the start of every non-directive line with tokens on it.
152 Clients cannot reliably determine this for themselves: the first token
153 might be a macro, and the tokens of a macro expansion do not have the
154 `BOL' flag set.  The macro expansion may even be empty, and the next
155 token on the line certainly won't have the `BOL' flag set.
156
157    New lines are treated specially; exactly how the lexer handles them
158 is context-dependent.  The C standard mandates that directives are
159 terminated by the first unescaped newline character, even if it appears
160 in the middle of a macro expansion.  Therefore, if the state variable
161 `in_directive' is set, the lexer returns a `CPP_EOF' token, which is
162 normally used to indicate end-of-file, to indicate end-of-directive.
163 In a directive a `CPP_EOF' token never means end-of-file.
164 Conveniently, if the caller was `collect_args', it already handles
165 `CPP_EOF' as if it were end-of-file, and reports an error about an
166 unterminated macro argument list.
167
168    The C standard also specifies that a new line in the middle of the
169 arguments to a macro is treated as whitespace.  This white space is
170 important in case the macro argument is stringified.  The state variable
171 `parsing_args' is nonzero when the preprocessor is collecting the
172 arguments to a macro call.  It is set to 1 when looking for the opening
173 parenthesis to a function-like macro, and 2 when collecting the actual
174 arguments up to the closing parenthesis, since these two cases need to
175 be distinguished sometimes.  One such time is here: the lexer sets the
176 `PREV_WHITE' flag of a token if it meets a new line when `parsing_args'
177 is set to 2.  It doesn't set it if it meets a new line when
178 `parsing_args' is 1, since then code like
179
180      #define foo() bar
181      foo
182      baz
183
184 would be output with an erroneous space before `baz':
185
186      foo
187       baz
188
189    This is a good example of the subtlety of getting token spacing
190 correct in the preprocessor; there are plenty of tests in the testsuite
191 for corner cases like this.
192
193    The lexer is written to treat each of `\r', `\n', `\r\n' and `\n\r'
194 as a single new line indicator.  This allows it to transparently
195 preprocess MS-DOS, Macintosh and Unix files without their needing to
196 pass through a special filter beforehand.
197
198    We also decided to treat a backslash, either `\' or the trigraph
199 `??/', separated from one of the above newline indicators by
200 non-comment whitespace only, as intending to escape the newline.  It
201 tends to be a typing mistake, and cannot reasonably be mistaken for
202 anything else in any of the C-family grammars.  Since handling it this
203 way is not strictly conforming to the ISO standard, the library issues a
204 warning wherever it encounters it.
205
206    Handling newlines like this is made simpler by doing it in one place
207 only.  The function `handle_newline' takes care of all newline
208 characters, and `skip_escaped_newlines' takes care of arbitrarily long
209 sequences of escaped newlines, deferring to `handle_newline' to handle
210 the newlines themselves.
211
212    The most painful aspect of lexing ISO-standard C and C++ is handling
213 trigraphs and backlash-escaped newlines.  Trigraphs are processed before
214 any interpretation of the meaning of a character is made, and
215 unfortunately there is a trigraph representation for a backslash, so it
216 is possible for the trigraph `??/' to introduce an escaped newline.
217
218    Escaped newlines are tedious because theoretically they can occur
219 anywhere--between the `+' and `=' of the `+=' token, within the
220 characters of an identifier, and even between the `*' and `/' that
221 terminates a comment.  Moreover, you cannot be sure there is just
222 one--there might be an arbitrarily long sequence of them.
223
224    So, for example, the routine that lexes a number, `parse_number',
225 cannot assume that it can scan forwards until the first non-number
226 character and be done with it, because this could be the `\'
227 introducing an escaped newline, or the `?' introducing the trigraph
228 sequence that represents the `\' of an escaped newline.  If it
229 encounters a `?' or `\', it calls `skip_escaped_newlines' to skip over
230 any potential escaped newlines before checking whether the number has
231 been finished.
232
233    Similarly code in the main body of `_cpp_lex_direct' cannot simply
234 check for a `=' after a `+' character to determine whether it has a
235 `+=' token; it needs to be prepared for an escaped newline of some
236 sort.  Such cases use the function `get_effective_char', which returns
237 the first character after any intervening escaped newlines.
238
239    The lexer needs to keep track of the correct column position,
240 including counting tabs as specified by the `-ftabstop=' option.  This
241 should be done even within C-style comments; they can appear in the
242 middle of a line, and we want to report diagnostics in the correct
243 position for text appearing after the end of the comment.
244
245    Some identifiers, such as `__VA_ARGS__' and poisoned identifiers,
246 may be invalid and require a diagnostic.  However, if they appear in a
247 macro expansion we don't want to complain with each use of the macro.
248 It is therefore best to catch them during the lexing stage, in
249 `parse_identifier'.  In both cases, whether a diagnostic is needed or
250 not is dependent upon the lexer's state.  For example, we don't want to
251 issue a diagnostic for re-poisoning a poisoned identifier, or for using
252 `__VA_ARGS__' in the expansion of a variable-argument macro.  Therefore
253 `parse_identifier' makes use of state flags to determine whether a
254 diagnostic is appropriate.  Since we change state on a per-token basis,
255 and don't lex whole lines at a time, this is not a problem.
256
257    Another place where state flags are used to change behavior is whilst
258 lexing header names.  Normally, a `<' would be lexed as a single token.
259 After a `#include' directive, though, it should be lexed as a single
260 token as far as the nearest `>' character.  Note that we don't allow
261 the terminators of header names to be escaped; the first `"' or `>'
262 terminates the header name.
263
264    Interpretation of some character sequences depends upon whether we
265 are lexing C, C++ or Objective-C, and on the revision of the standard in
266 force.  For example, `::' is a single token in C++, but in C it is two
267 separate `:' tokens and almost certainly a syntax error.  Such cases
268 are handled by `_cpp_lex_direct' based upon command-line flags stored
269 in the `cpp_options' structure.
270
271    Once a token has been lexed, it leads an independent existence.  The
272 spelling of numbers, identifiers and strings is copied to permanent
273 storage from the original input buffer, so a token remains valid and
274 correct even if its source buffer is freed with `_cpp_pop_buffer'.  The
275 storage holding the spellings of such tokens remains until the client
276 program calls cpp_destroy, probably at the end of the translation unit.
277
278 Lexing a line
279 =============
280
281 When the preprocessor was changed to return pointers to tokens, one
282 feature I wanted was some sort of guarantee regarding how long a
283 returned pointer remains valid.  This is important to the stand-alone
284 preprocessor, the future direction of the C family front ends, and even
285 to cpplib itself internally.
286
287    Occasionally the preprocessor wants to be able to peek ahead in the
288 token stream.  For example, after the name of a function-like macro, it
289 wants to check the next token to see if it is an opening parenthesis.
290 Another example is that, after reading the first few tokens of a
291 `#pragma' directive and not recognizing it as a registered pragma, it
292 wants to backtrack and allow the user-defined handler for unknown
293 pragmas to access the full `#pragma' token stream.  The stand-alone
294 preprocessor wants to be able to test the current token with the
295 previous one to see if a space needs to be inserted to preserve their
296 separate tokenization upon re-lexing (paste avoidance), so it needs to
297 be sure the pointer to the previous token is still valid.  The
298 recursive-descent C++ parser wants to be able to perform tentative
299 parsing arbitrarily far ahead in the token stream, and then to be able
300 to jump back to a prior position in that stream if necessary.
301
302    The rule I chose, which is fairly natural, is to arrange that the
303 preprocessor lex all tokens on a line consecutively into a token buffer,
304 which I call a "token run", and when meeting an unescaped new line
305 (newlines within comments do not count either), to start lexing back at
306 the beginning of the run.  Note that we do _not_ lex a line of tokens
307 at once; if we did that `parse_identifier' would not have state flags
308 available to warn about invalid identifiers (*note Invalid
309 identifiers::).
310
311    In other words, accessing tokens that appeared earlier in the current
312 line is valid, but since each logical line overwrites the tokens of the
313 previous line, tokens from prior lines are unavailable.  In particular,
314 since a directive only occupies a single logical line, this means that
315 the directive handlers like the `#pragma' handler can jump around in
316 the directive's tokens if necessary.
317
318    Two issues remain: what about tokens that arise from macro
319 expansions, and what happens when we have a long line that overflows
320 the token run?
321
322    Since we promise clients that we preserve the validity of pointers
323 that we have already returned for tokens that appeared earlier in the
324 line, we cannot reallocate the run.  Instead, on overflow it is
325 expanded by chaining a new token run on to the end of the existing one.
326
327    The tokens forming a macro's replacement list are collected by the
328 `#define' handler, and placed in storage that is only freed by
329 `cpp_destroy'.  So if a macro is expanded in the line of tokens, the
330 pointers to the tokens of its expansion that are returned will always
331 remain valid.  However, macros are a little trickier than that, since
332 they give rise to three sources of fresh tokens.  They are the built-in
333 macros like `__LINE__', and the `#' and `##' operators for
334 stringification and token pasting.  I handled this by allocating space
335 for these tokens from the lexer's token run chain.  This means they
336 automatically receive the same lifetime guarantees as lexed tokens, and
337 we don't need to concern ourselves with freeing them.
338
339    Lexing into a line of tokens solves some of the token memory
340 management issues, but not all.  The opening parenthesis after a
341 function-like macro name might lie on a different line, and the front
342 ends definitely want the ability to look ahead past the end of the
343 current line.  So cpplib only moves back to the start of the token run
344 at the end of a line if the variable `keep_tokens' is zero.
345 Line-buffering is quite natural for the preprocessor, and as a result
346 the only time cpplib needs to increment this variable is whilst looking
347 for the opening parenthesis to, and reading the arguments of, a
348 function-like macro.  In the near future cpplib will export an
349 interface to increment and decrement this variable, so that clients can
350 share full control over the lifetime of token pointers too.
351
352    The routine `_cpp_lex_token' handles moving to new token runs,
353 calling `_cpp_lex_direct' to lex new tokens, or returning
354 previously-lexed tokens if we stepped back in the token stream.  It also
355 checks each token for the `BOL' flag, which might indicate a directive
356 that needs to be handled, or require a start-of-line call-back to be
357 made.  `_cpp_lex_token' also handles skipping over tokens in failed
358 conditional blocks, and invalidates the control macro of the
359 multiple-include optimization if a token was successfully lexed outside
360 a directive.  In other words, its callers do not need to concern
361 themselves with such issues.
362
363 \1f
364 File: cppinternals.info,  Node: Hash Nodes,  Next: Macro Expansion,  Prev: Lexer,  Up: Top
365
366 Hash Nodes
367 **********
368
369 When cpplib encounters an "identifier", it generates a hash code for it
370 and stores it in the hash table.  By "identifier" we mean tokens with
371 type `CPP_NAME'; this includes identifiers in the usual C sense, as
372 well as keywords, directive names, macro names and so on.  For example,
373 all of `pragma', `int', `foo' and `__GNUC__' are identifiers and hashed
374 when lexed.
375
376    Each node in the hash table contain various information about the
377 identifier it represents.  For example, its length and type.  At any one
378 time, each identifier falls into exactly one of three categories:
379
380    * Macros
381
382      These have been declared to be macros, either on the command line
383      or with `#define'.  A few, such as `__TIME__' are built-ins
384      entered in the hash table during initialization.  The hash node
385      for a normal macro points to a structure with more information
386      about the macro, such as whether it is function-like, how many
387      arguments it takes, and its expansion.  Built-in macros are
388      flagged as special, and instead contain an enum indicating which
389      of the various built-in macros it is.
390
391    * Assertions
392
393      Assertions are in a separate namespace to macros.  To enforce
394      this, cpp actually prepends a `#' character before hashing and
395      entering it in the hash table.  An assertion's node points to a
396      chain of answers to that assertion.
397
398    * Void
399
400      Everything else falls into this category--an identifier that is not
401      currently a macro, or a macro that has since been undefined with
402      `#undef'.
403
404      When preprocessing C++, this category also includes the named
405      operators, such as `xor'.  In expressions these behave like the
406      operators they represent, but in contexts where the spelling of a
407      token matters they are spelt differently.  This spelling
408      distinction is relevant when they are operands of the stringizing
409      and pasting macro operators `#' and `##'.  Named operator hash
410      nodes are flagged, both to catch the spelling distinction and to
411      prevent them from being defined as macros.
412
413    The same identifiers share the same hash node.  Since each identifier
414 token, after lexing, contains a pointer to its hash node, this is used
415 to provide rapid lookup of various information.  For example, when
416 parsing a `#define' statement, CPP flags each argument's identifier
417 hash node with the index of that argument.  This makes duplicated
418 argument checking an O(1) operation for each argument.  Similarly, for
419 each identifier in the macro's expansion, lookup to see if it is an
420 argument, and which argument it is, is also an O(1) operation.  Further,
421 each directive name, such as `endif', has an associated directive enum
422 stored in its hash node, so that directive lookup is also O(1).
423
424 \1f
425 File: cppinternals.info,  Node: Macro Expansion,  Next: Token Spacing,  Prev: Hash Nodes,  Up: Top
426
427 Macro Expansion Algorithm
428 *************************
429
430 Macro expansion is a tricky operation, fraught with nasty corner cases
431 and situations that render what you thought was a nifty way to optimize
432 the preprocessor's expansion algorithm wrong in quite subtle ways.
433
434    I strongly recommend you have a good grasp of how the C and C++
435 standards require macros to be expanded before diving into this
436 section, let alone the code!.  If you don't have a clear mental picture
437 of how things like nested macro expansion, stringification and token
438 pasting are supposed to work, damage to your sanity can quickly result.
439
440 Internal representation of macros
441 =================================
442
443 The preprocessor stores macro expansions in tokenized form.  This saves
444 repeated lexing passes during expansion, at the cost of a small
445 increase in memory consumption on average.  The tokens are stored
446 contiguously in memory, so a pointer to the first one and a token count
447 is all you need to get the replacement list of a macro.
448
449    If the macro is a function-like macro the preprocessor also stores
450 its parameters, in the form of an ordered list of pointers to the hash
451 table entry of each parameter's identifier.  Further, in the macro's
452 stored expansion each occurrence of a parameter is replaced with a
453 special token of type `CPP_MACRO_ARG'.  Each such token holds the index
454 of the parameter it represents in the parameter list, which allows
455 rapid replacement of parameters with their arguments during expansion.
456 Despite this optimization it is still necessary to store the original
457 parameters to the macro, both for dumping with e.g., `-dD', and to warn
458 about non-trivial macro redefinitions when the parameter names have
459 changed.
460
461 Macro expansion overview
462 ========================
463
464 The preprocessor maintains a "context stack", implemented as a linked
465 list of `cpp_context' structures, which together represent the macro
466 expansion state at any one time.  The `struct cpp_reader' member
467 variable `context' points to the current top of this stack.  The top
468 normally holds the unexpanded replacement list of the innermost macro
469 under expansion, except when cpplib is about to pre-expand an argument,
470 in which case it holds that argument's unexpanded tokens.
471
472    When there are no macros under expansion, cpplib is in "base
473 context".  All contexts other than the base context contain a
474 contiguous list of tokens delimited by a starting and ending token.
475 When not in base context, cpplib obtains the next token from the list
476 of the top context.  If there are no tokens left in the list, it pops
477 that context off the stack, and subsequent ones if necessary, until an
478 unexhausted context is found or it returns to base context.  In base
479 context, cpplib reads tokens directly from the lexer.
480
481    If it encounters an identifier that is both a macro and enabled for
482 expansion, cpplib prepares to push a new context for that macro on the
483 stack by calling the routine `enter_macro_context'.  When this routine
484 returns, the new context will contain the unexpanded tokens of the
485 replacement list of that macro.  In the case of function-like macros,
486 `enter_macro_context' also replaces any parameters in the replacement
487 list, stored as `CPP_MACRO_ARG' tokens, with the appropriate macro
488 argument.  If the standard requires that the parameter be replaced with
489 its expanded argument, the argument will have been fully macro expanded
490 first.
491
492    `enter_macro_context' also handles special macros like `__LINE__'.
493 Although these macros expand to a single token which cannot contain any
494 further macros, for reasons of token spacing (*note Token Spacing::)
495 and simplicity of implementation, cpplib handles these special macros
496 by pushing a context containing just that one token.
497
498    The final thing that `enter_macro_context' does before returning is
499 to mark the macro disabled for expansion (except for special macros
500 like `__TIME__').  The macro is re-enabled when its context is later
501 popped from the context stack, as described above.  This strict
502 ordering ensures that a macro is disabled whilst its expansion is being
503 scanned, but that it is _not_ disabled whilst any arguments to it are
504 being expanded.
505
506 Scanning the replacement list for macros to expand
507 ==================================================
508
509 The C standard states that, after any parameters have been replaced
510 with their possibly-expanded arguments, the replacement list is scanned
511 for nested macros.  Further, any identifiers in the replacement list
512 that are not expanded during this scan are never again eligible for
513 expansion in the future, if the reason they were not expanded is that
514 the macro in question was disabled.
515
516    Clearly this latter condition can only apply to tokens resulting from
517 argument pre-expansion.  Other tokens never have an opportunity to be
518 re-tested for expansion.  It is possible for identifiers that are
519 function-like macros to not expand initially but to expand during a
520 later scan.  This occurs when the identifier is the last token of an
521 argument (and therefore originally followed by a comma or a closing
522 parenthesis in its macro's argument list), and when it replaces its
523 parameter in the macro's replacement list, the subsequent token happens
524 to be an opening parenthesis (itself possibly the first token of an
525 argument).
526
527    It is important to note that when cpplib reads the last token of a
528 given context, that context still remains on the stack.  Only when
529 looking for the _next_ token do we pop it off the stack and drop to a
530 lower context.  This makes backing up by one token easy, but more
531 importantly ensures that the macro corresponding to the current context
532 is still disabled when we are considering the last token of its
533 replacement list for expansion (or indeed expanding it).  As an
534 example, which illustrates many of the points above, consider
535
536      #define foo(x) bar x
537      foo(foo) (2)
538
539 which fully expands to `bar foo (2)'.  During pre-expansion of the
540 argument, `foo' does not expand even though the macro is enabled, since
541 it has no following parenthesis [pre-expansion of an argument only uses
542 tokens from that argument; it cannot take tokens from whatever follows
543 the macro invocation].  This still leaves the argument token `foo'
544 eligible for future expansion.  Then, when re-scanning after argument
545 replacement, the token `foo' is rejected for expansion, and marked
546 ineligible for future expansion, since the macro is now disabled.  It
547 is disabled because the replacement list `bar foo' of the macro is
548 still on the context stack.
549
550    If instead the algorithm looked for an opening parenthesis first and
551 then tested whether the macro were disabled it would be subtly wrong.
552 In the example above, the replacement list of `foo' would be popped in
553 the process of finding the parenthesis, re-enabling `foo' and expanding
554 it a second time.
555
556 Looking for a function-like macro's opening parenthesis
557 =======================================================
558
559 Function-like macros only expand when immediately followed by a
560 parenthesis.  To do this cpplib needs to temporarily disable macros and
561 read the next token.  Unfortunately, because of spacing issues (*note
562 Token Spacing::), there can be fake padding tokens in-between, and if
563 the next real token is not a parenthesis cpplib needs to be able to
564 back up that one token as well as retain the information in any
565 intervening padding tokens.
566
567    Backing up more than one token when macros are involved is not
568 permitted by cpplib, because in general it might involve issues like
569 restoring popped contexts onto the context stack, which are too hard.
570 Instead, searching for the parenthesis is handled by a special
571 function, `funlike_invocation_p', which remembers padding information
572 as it reads tokens.  If the next real token is not an opening
573 parenthesis, it backs up that one token, and then pushes an extra
574 context just containing the padding information if necessary.
575
576 Marking tokens ineligible for future expansion
577 ==============================================
578
579 As discussed above, cpplib needs a way of marking tokens as
580 unexpandable.  Since the tokens cpplib handles are read-only once they
581 have been lexed, it instead makes a copy of the token and adds the flag
582 `NO_EXPAND' to the copy.
583
584    For efficiency and to simplify memory management by avoiding having
585 to remember to free these tokens, they are allocated as temporary tokens
586 from the lexer's current token run (*note Lexing a line::) using the
587 function `_cpp_temp_token'.  The tokens are then re-used once the
588 current line of tokens has been read in.
589
590    This might sound unsafe.  However, tokens runs are not re-used at the
591 end of a line if it happens to be in the middle of a macro argument
592 list, and cpplib only wants to back-up more than one lexer token in
593 situations where no macro expansion is involved, so the optimization is
594 safe.
595
596 \1f
597 File: cppinternals.info,  Node: Token Spacing,  Next: Line Numbering,  Prev: Macro Expansion,  Up: Top
598
599 Token Spacing
600 *************
601
602 First, consider an issue that only concerns the stand-alone
603 preprocessor: there needs to be a guarantee that re-reading its
604 preprocessed output results in an identical token stream.  Without
605 taking special measures, this might not be the case because of macro
606 substitution.  For example:
607
608      #define PLUS +
609      #define EMPTY
610      #define f(x) =x=
611      +PLUS -EMPTY- PLUS+ f(=)
612              ==> + + - - + + = = =
613      _not_
614              ==> ++ -- ++ ===
615
616    One solution would be to simply insert a space between all adjacent
617 tokens.  However, we would like to keep space insertion to a minimum,
618 both for aesthetic reasons and because it causes problems for people who
619 still try to abuse the preprocessor for things like Fortran source and
620 Makefiles.
621
622    For now, just notice that when tokens are added (or removed, as
623 shown by the `EMPTY' example) from the original lexed token stream, we
624 need to check for accidental token pasting.  We call this "paste
625 avoidance".  Token addition and removal can only occur because of macro
626 expansion, but accidental pasting can occur in many places: both before
627 and after each macro replacement, each argument replacement, and
628 additionally each token created by the `#' and `##' operators.
629
630    Look at how the preprocessor gets whitespace output correct
631 normally.  The `cpp_token' structure contains a flags byte, and one of
632 those flags is `PREV_WHITE'.  This is flagged by the lexer, and
633 indicates that the token was preceded by whitespace of some form other
634 than a new line.  The stand-alone preprocessor can use this flag to
635 decide whether to insert a space between tokens in the output.
636
637    Now consider the result of the following macro expansion:
638
639      #define add(x, y, z) x + y +z;
640      sum = add (1,2, 3);
641              ==> sum = 1 + 2 +3;
642
643    The interesting thing here is that the tokens `1' and `2' are output
644 with a preceding space, and `3' is output without a preceding space,
645 but when lexed none of these tokens had that property.  Careful
646 consideration reveals that `1' gets its preceding whitespace from the
647 space preceding `add' in the macro invocation, _not_ replacement list.
648 `2' gets its whitespace from the space preceding the parameter `y' in
649 the macro replacement list, and `3' has no preceding space because
650 parameter `z' has none in the replacement list.
651
652    Once lexed, tokens are effectively fixed and cannot be altered, since
653 pointers to them might be held in many places, in particular by
654 in-progress macro expansions.  So instead of modifying the two tokens
655 above, the preprocessor inserts a special token, which I call a
656 "padding token", into the token stream to indicate that spacing of the
657 subsequent token is special.  The preprocessor inserts padding tokens
658 in front of every macro expansion and expanded macro argument.  These
659 point to a "source token" from which the subsequent real token should
660 inherit its spacing.  In the above example, the source tokens are `add'
661 in the macro invocation, and `y' and `z' in the macro replacement list,
662 respectively.
663
664    It is quite easy to get multiple padding tokens in a row, for
665 example if a macro's first replacement token expands straight into
666 another macro.
667
668      #define foo bar
669      #define bar baz
670      [foo]
671              ==> [baz]
672
673    Here, two padding tokens are generated with sources the `foo' token
674 between the brackets, and the `bar' token from foo's replacement list,
675 respectively.  Clearly the first padding token is the one to use, so
676 the output code should contain a rule that the first padding token in a
677 sequence is the one that matters.
678
679    But what if a macro expansion is left?  Adjusting the above example
680 slightly:
681
682      #define foo bar
683      #define bar EMPTY baz
684      #define EMPTY
685      [foo] EMPTY;
686              ==> [ baz] ;
687
688    As shown, now there should be a space before `baz' and the semicolon
689 in the output.
690
691    The rules we decided above fail for `baz': we generate three padding
692 tokens, one per macro invocation, before the token `baz'.  We would
693 then have it take its spacing from the first of these, which carries
694 source token `foo' with no leading space.
695
696    It is vital that cpplib get spacing correct in these examples since
697 any of these macro expansions could be stringified, where spacing
698 matters.
699
700    So, this demonstrates that not just entering macro and argument
701 expansions, but leaving them requires special handling too.  I made
702 cpplib insert a padding token with a `NULL' source token when leaving
703 macro expansions, as well as after each replaced argument in a macro's
704 replacement list.  It also inserts appropriate padding tokens on either
705 side of tokens created by the `#' and `##' operators.  I expanded the
706 rule so that, if we see a padding token with a `NULL' source token,
707 _and_ that source token has no leading space, then we behave as if we
708 have seen no padding tokens at all.  A quick check shows this rule will
709 then get the above example correct as well.
710
711    Now a relationship with paste avoidance is apparent: we have to be
712 careful about paste avoidance in exactly the same locations we have
713 padding tokens in order to get white space correct.  This makes
714 implementation of paste avoidance easy: wherever the stand-alone
715 preprocessor is fixing up spacing because of padding tokens, and it
716 turns out that no space is needed, it has to take the extra step to
717 check that a space is not needed after all to avoid an accidental paste.
718 The function `cpp_avoid_paste' advises whether a space is required
719 between two consecutive tokens.  To avoid excessive spacing, it tries
720 hard to only require a space if one is likely to be necessary, but for
721 reasons of efficiency it is slightly conservative and might recommend a
722 space where one is not strictly needed.
723
724 \1f
725 File: cppinternals.info,  Node: Line Numbering,  Next: Guard Macros,  Prev: Token Spacing,  Up: Top
726
727 Line numbering
728 **************
729
730 Just which line number anyway?
731 ==============================
732
733 There are three reasonable requirements a cpplib client might have for
734 the line number of a token passed to it:
735
736    * The source line it was lexed on.
737
738    * The line it is output on.  This can be different to the line it was
739      lexed on if, for example, there are intervening escaped newlines or
740      C-style comments.  For example:
741
742           foo /* A long
743           comment */ bar \
744           baz
745           =>
746           foo bar baz
747
748    * If the token results from a macro expansion, the line of the macro
749      name, or possibly the line of the closing parenthesis in the case
750      of function-like macro expansion.
751
752    The `cpp_token' structure contains `line' and `col' members.  The
753 lexer fills these in with the line and column of the first character of
754 the token.  Consequently, but maybe unexpectedly, a token from the
755 replacement list of a macro expansion carries the location of the token
756 within the `#define' directive, because cpplib expands a macro by
757 returning pointers to the tokens in its replacement list.  The current
758 implementation of cpplib assigns tokens created from built-in macros
759 and the `#' and `##' operators the location of the most recently lexed
760 token.  This is a because they are allocated from the lexer's token
761 runs, and because of the way the diagnostic routines infer the
762 appropriate location to report.
763
764    The diagnostic routines in cpplib display the location of the most
765 recently _lexed_ token, unless they are passed a specific line and
766 column to report.  For diagnostics regarding tokens that arise from
767 macro expansions, it might also be helpful for the user to see the
768 original location in the macro definition that the token came from.
769 Since that is exactly the information each token carries, such an
770 enhancement could be made relatively easily in future.
771
772    The stand-alone preprocessor faces a similar problem when determining
773 the correct line to output the token on: the position attached to a
774 token is fairly useless if the token came from a macro expansion.  All
775 tokens on a logical line should be output on its first physical line, so
776 the token's reported location is also wrong if it is part of a physical
777 line other than the first.
778
779    To solve these issues, cpplib provides a callback that is generated
780 whenever it lexes a preprocessing token that starts a new logical line
781 other than a directive.  It passes this token (which may be a `CPP_EOF'
782 token indicating the end of the translation unit) to the callback
783 routine, which can then use the line and column of this token to
784 produce correct output.
785
786 Representation of line numbers
787 ==============================
788
789 As mentioned above, cpplib stores with each token the line number that
790 it was lexed on.  In fact, this number is not the number of the line in
791 the source file, but instead bears more resemblance to the number of the
792 line in the translation unit.
793
794    The preprocessor maintains a monotonic increasing line count, which
795 is incremented at every new line character (and also at the end of any
796 buffer that does not end in a new line).  Since a line number of zero is
797 useful to indicate certain special states and conditions, this variable
798 starts counting from one.
799
800    This variable therefore uniquely enumerates each line in the
801 translation unit.  With some simple infrastructure, it is straight
802 forward to map from this to the original source file and line number
803 pair, saving space whenever line number information needs to be saved.
804 The code the implements this mapping lies in the files `line-map.c' and
805 `line-map.h'.
806
807    Command-line macros and assertions are implemented by pushing a
808 buffer containing the right hand side of an equivalent `#define' or
809 `#assert' directive.  Some built-in macros are handled similarly.
810 Since these are all processed before the first line of the main input
811 file, it will typically have an assigned line closer to twenty than to
812 one.
813
814 \1f
815 File: cppinternals.info,  Node: Guard Macros,  Next: Files,  Prev: Line Numbering,  Up: Top
816
817 The Multiple-Include Optimization
818 *********************************
819
820 Header files are often of the form
821
822      #ifndef FOO
823      #define FOO
824      ...
825      #endif
826
827 to prevent the compiler from processing them more than once.  The
828 preprocessor notices such header files, so that if the header file
829 appears in a subsequent `#include' directive and `FOO' is defined, then
830 it is ignored and it doesn't preprocess or even re-open the file a
831 second time.  This is referred to as the "multiple include
832 optimization".
833
834    Under what circumstances is such an optimization valid?  If the file
835 were included a second time, it can only be optimized away if that
836 inclusion would result in no tokens to return, and no relevant
837 directives to process.  Therefore the current implementation imposes
838 requirements and makes some allowances as follows:
839
840   1. There must be no tokens outside the controlling `#if'-`#endif'
841      pair, but whitespace and comments are permitted.
842
843   2. There must be no directives outside the controlling directive
844      pair, but the "null directive" (a line containing nothing other
845      than a single `#' and possibly whitespace) is permitted.
846
847   3. The opening directive must be of the form
848
849           #ifndef FOO
850
851      or
852
853           #if !defined FOO     [equivalently, #if !defined(FOO)]
854
855   4. In the second form above, the tokens forming the `#if' expression
856      must have come directly from the source file--no macro expansion
857      must have been involved.  This is because macro definitions can
858      change, and tracking whether or not a relevant change has been
859      made is not worth the implementation cost.
860
861   5. There can be no `#else' or `#elif' directives at the outer
862      conditional block level, because they would probably contain
863      something of interest to a subsequent pass.
864
865    First, when pushing a new file on the buffer stack,
866 `_stack_include_file' sets the controlling macro `mi_cmacro' to `NULL',
867 and sets `mi_valid' to `true'.  This indicates that the preprocessor
868 has not yet encountered anything that would invalidate the
869 multiple-include optimization.  As described in the next few
870 paragraphs, these two variables having these values effectively
871 indicates top-of-file.
872
873    When about to return a token that is not part of a directive,
874 `_cpp_lex_token' sets `mi_valid' to `false'.  This enforces the
875 constraint that tokens outside the controlling conditional block
876 invalidate the optimization.
877
878    The `do_if', when appropriate, and `do_ifndef' directive handlers
879 pass the controlling macro to the function `push_conditional'.  cpplib
880 maintains a stack of nested conditional blocks, and after processing
881 every opening conditional this function pushes an `if_stack' structure
882 onto the stack.  In this structure it records the controlling macro for
883 the block, provided there is one and we're at top-of-file (as described
884 above).  If an `#elif' or `#else' directive is encountered, the
885 controlling macro for that block is cleared to `NULL'.  Otherwise, it
886 survives until the `#endif' closing the block, upon which `do_endif'
887 sets `mi_valid' to true and stores the controlling macro in `mi_cmacro'.
888
889    `_cpp_handle_directive' clears `mi_valid' when processing any
890 directive other than an opening conditional and the null directive.
891 With this, and requiring top-of-file to record a controlling macro, and
892 no `#else' or `#elif' for it to survive and be copied to `mi_cmacro' by
893 `do_endif', we have enforced the absence of directives outside the main
894 conditional block for the optimization to be on.
895
896    Note that whilst we are inside the conditional block, `mi_valid' is
897 likely to be reset to `false', but this does not matter since the the
898 closing `#endif' restores it to `true' if appropriate.
899
900    Finally, since `_cpp_lex_direct' pops the file off the buffer stack
901 at `EOF' without returning a token, if the `#endif' directive was not
902 followed by any tokens, `mi_valid' is `true' and `_cpp_pop_file_buffer'
903 remembers the controlling macro associated with the file.  Subsequent
904 calls to `stack_include_file' result in no buffer being pushed if the
905 controlling macro is defined, effecting the optimization.
906
907    A quick word on how we handle the
908
909      #if !defined FOO
910
911 case.  `_cpp_parse_expr' and `parse_defined' take steps to see whether
912 the three stages `!', `defined-expression' and `end-of-directive' occur
913 in order in a `#if' expression.  If so, they return the guard macro to
914 `do_if' in the variable `mi_ind_cmacro', and otherwise set it to `NULL'.
915 `enter_macro_context' sets `mi_valid' to false, so if a macro was
916 expanded whilst parsing any part of the expression, then the
917 top-of-file test in `push_conditional' fails and the optimization is
918 turned off.
919
920 \1f
921 File: cppinternals.info,  Node: Files,  Next: Concept Index,  Prev: Guard Macros,  Up: Top
922
923 File Handling
924 *************
925
926 Fairly obviously, the file handling code of cpplib resides in the file
927 `files.c'.  It takes care of the details of file searching, opening,
928 reading and caching, for both the main source file and all the headers
929 it recursively includes.
930
931    The basic strategy is to minimize the number of system calls.  On
932 many systems, the basic `open ()' and `fstat ()' system calls can be
933 quite expensive.  For every `#include'-d file, we need to try all the
934 directories in the search path until we find a match.  Some projects,
935 such as glibc, pass twenty or thirty include paths on the command line,
936 so this can rapidly become time consuming.
937
938    For a header file we have not encountered before we have little
939 choice but to do this.  However, it is often the case that the same
940 headers are repeatedly included, and in these cases we try to avoid
941 repeating the filesystem queries whilst searching for the correct file.
942
943    For each file we try to open, we store the constructed path in a
944 splay tree.  This path first undergoes simplification by the function
945 `_cpp_simplify_pathname'.  For example, `/usr/include/bits/../foo.h' is
946 simplified to `/usr/include/foo.h' before we enter it in the splay tree
947 and try to `open ()' the file.  CPP will then find subsequent uses of
948 `foo.h', even as `/usr/include/foo.h', in the splay tree and save
949 system calls.
950
951    Further, it is likely the file contents have also been cached,
952 saving a `read ()' system call.  We don't bother caching the contents of
953 header files that are re-inclusion protected, and whose re-inclusion
954 macro is defined when we leave the header file for the first time.  If
955 the host supports it, we try to map suitably large files into memory,
956 rather than reading them in directly.
957
958    The include paths are internally stored on a null-terminated
959 singly-linked list, starting with the `"header.h"' directory search
960 chain, which then links into the `<header.h>' directory chain.
961
962    Files included with the `<foo.h>' syntax start the lookup directly
963 in the second half of this chain.  However, files included with the
964 `"foo.h"' syntax start at the beginning of the chain, but with one
965 extra directory prepended.  This is the directory of the current file;
966 the one containing the `#include' directive.  Prepending this directory
967 on a per-file basis is handled by the function `search_from'.
968
969    Note that a header included with a directory component, such as
970 `#include "mydir/foo.h"' and opened as
971 `/usr/local/include/mydir/foo.h', will have the complete path minus the
972 basename `foo.h' as the current directory.
973
974    Enough information is stored in the splay tree that CPP can
975 immediately tell whether it can skip the header file because of the
976 multiple include optimization, whether the file didn't exist or
977 couldn't be opened for some reason, or whether the header was flagged
978 not to be re-used, as it is with the obsolete `#import' directive.
979
980    For the benefit of MS-DOS filesystems with an 8.3 filename
981 limitation, CPP offers the ability to treat various include file names
982 as aliases for the real header files with shorter names.  The map from
983 one to the other is found in a special file called `header.gcc', stored
984 in the command line (or system) include directories to which the mapping
985 applies.  This may be higher up the directory tree than the full path to
986 the file minus the base name.
987
988 \1f
989 File: cppinternals.info,  Node: Concept Index,  Prev: Files,  Up: Top
990
991 Concept Index
992 *************
993
994 \0\b[index\0\b]
995 * Menu:
996
997 * assertions:                            Hash Nodes.          (line   6)
998 * controlling macros:                    Guard Macros.        (line   6)
999 * escaped newlines:                      Lexer.               (line   6)
1000 * files:                                 Files.               (line   6)
1001 * guard macros:                          Guard Macros.        (line   6)
1002 * hash table:                            Hash Nodes.          (line   6)
1003 * header files:                          Conventions.         (line   6)
1004 * identifiers:                           Hash Nodes.          (line   6)
1005 * interface:                             Conventions.         (line   6)
1006 * lexer:                                 Lexer.               (line   6)
1007 * line numbers:                          Line Numbering.      (line   6)
1008 * macro expansion:                       Macro Expansion.     (line   6)
1009 * macro representation (internal):       Macro Expansion.     (line  19)
1010 * macros:                                Hash Nodes.          (line   6)
1011 * multiple-include optimization:         Guard Macros.        (line   6)
1012 * named operators:                       Hash Nodes.          (line   6)
1013 * newlines:                              Lexer.               (line   6)
1014 * paste avoidance:                       Token Spacing.       (line   6)
1015 * spacing:                               Token Spacing.       (line   6)
1016 * token run:                             Lexer.               (line 192)
1017 * token spacing:                         Token Spacing.       (line   6)
1018
1019
1020 \1f
1021 Tag Table:
1022 Node: Top\7f977
1023 Node: Conventions\7f2662
1024 Node: Lexer\7f3604
1025 Ref: Invalid identifiers\7f11517
1026 Ref: Lexing a line\7f13466
1027 Node: Hash Nodes\7f18239
1028 Node: Macro Expansion\7f21118
1029 Node: Token Spacing\7f30065
1030 Node: Line Numbering\7f35925
1031 Node: Guard Macros\7f40010
1032 Node: Files\7f44805
1033 Node: Concept Index\7f48271
1034 \1f
1035 End Tag Table