0fbb00bb717d18a07994059a8ddafabcced03182
[ghc-hetmet.git] / ghc / docs / users_guide / glasgow_exts.sgml
1 <para>
2 <indexterm><primary>language, GHC</primary></indexterm>
3 <indexterm><primary>extensions, GHC</primary></indexterm>
4 As with all known Haskell systems, GHC implements some extensions to
5 the language.  To use them, you'll need to give a <option>-fglasgow-exts</option>
6 <indexterm><primary>-fglasgow-exts option</primary></indexterm> option.
7 </para>
8
9 <para>
10 Virtually all of the Glasgow extensions serve to give you access to
11 the underlying facilities with which we implement Haskell.  Thus, you
12 can get at the Raw Iron, if you are willing to write some non-standard
13 code at a more primitive level.  You need not be &ldquo;stuck&rdquo; on
14 performance because of the implementation costs of Haskell's
15 &ldquo;high-level&rdquo; features&mdash;you can always code &ldquo;under&rdquo; them.  In an extreme case, you can write all your time-critical code in C, and then just glue it together with Haskell!
16 </para>
17
18 <para>
19 Executive summary of our extensions:
20 </para>
21
22   <variablelist>
23
24     <varlistentry>
25       <term>Unboxed types and primitive operations:</Term>
26       <listitem>
27         <para>You can get right down to the raw machine types and
28         operations; included in this are &ldquo;primitive
29         arrays&rdquo; (direct access to Big Wads of Bytes).  Please
30         see <XRef LinkEnd="glasgow-unboxed"> and following.</para>
31       </listitem>
32     </varlistentry>
33
34     <varlistentry>
35       <term>Type system extensions:</term>
36       <listitem>
37         <para> GHC supports a large number of extensions to Haskell's
38         type system.  Specifically:</para>
39
40         <variablelist>
41           <varlistentry>
42             <term>Multi-parameter type classes:</term>
43             <listitem>
44               <para><xref LinkEnd="multi-param-type-classes"></para>
45             </listitem>
46           </varlistentry>
47
48           <varlistentry>
49             <term>Functional dependencies:</term>
50             <listitem>
51               <para><xref LinkEnd="functional-dependencies"></para>
52             </listitem>
53           </varlistentry>
54
55           <varlistentry>
56             <term>Implicit parameters:</term>
57             <listitem>
58               <para><xref LinkEnd="implicit-parameters"></para>
59             </listitem>
60           </varlistentry>
61
62           <varlistentry>
63             <term>Linear implicit parameters:</term>
64             <listitem>
65               <para><xref LinkEnd="linear-implicit-parameters"></para>
66             </listitem>
67           </varlistentry>
68
69           <varlistentry>
70             <term>Local universal quantification:</term>
71             <listitem>
72               <para><xref LinkEnd="universal-quantification"></para>
73             </listitem>
74           </varlistentry>
75
76           <varlistentry>
77             <term>Extistentially quantification in data types:</term>
78             <listitem>
79               <para><xref LinkEnd="existential-quantification"></para>
80             </listitem>
81           </varlistentry>
82
83           <varlistentry>
84             <term>Scoped type variables:</term>
85             <listitem>
86               <para>Scoped type variables enable the programmer to
87               supply type signatures for some nested declarations,
88               where this would not be legal in Haskell 98.  Details in
89               <xref LinkEnd="scoped-type-variables">.</para>
90             </listitem>
91           </varlistentry>
92         </variablelist>
93       </listitem>
94     </varlistentry>
95
96     <varlistentry>
97       <term>Pattern guards</term>
98       <listitem>
99         <para>Instead of being a boolean expression, a guard is a list
100         of qualifiers, exactly as in a list comprehension. See <xref
101         LinkEnd="pattern-guards">.</para>
102       </listitem>
103     </varlistentry>
104
105     <varlistentry>
106       <term>Data types with no constructors</term>
107       <listitem>
108         <para>See <xref LinkEnd="nullary-types">.</para>
109       </listitem>
110     </varlistentry>
111
112     <varlistentry>
113       <term>Parallel list comprehensions</term>
114       <listitem>
115         <para>An extension to the list comprehension syntax to support
116         <literal>zipWith</literal>-like functionality.  See <xref
117         linkend="parallel-list-comprehensions">.</para>
118       </listitem>
119     </varlistentry>
120
121     <varlistentry>
122       <term>Foreign calling:</term>
123       <listitem>
124         <para>Just what it sounds like.  We provide
125         <emphasis>lots</emphasis> of rope that you can dangle around
126         your neck.  Please see <xref LinkEnd="ffi">.</para>
127       </listitem>
128     </varlistentry>
129
130     <varlistentry>
131       <term>Pragmas</term>
132       <listitem>
133         <para>Pragmas are special instructions to the compiler placed
134         in the source file.  The pragmas GHC supports are described in
135         <xref LinkEnd="pragmas">.</para>
136       </listitem>
137     </varlistentry>
138
139     <varlistentry>
140       <term>Rewrite rules:</term>
141       <listitem>
142         <para>The programmer can specify rewrite rules as part of the
143         source program (in a pragma).  GHC applies these rewrite rules
144         wherever it can.  Details in <xref
145         LinkEnd="rewrite-rules">.</para>
146       </listitem>
147     </varlistentry>
148
149     <varlistentry>
150       <term>Generic classes:</term>
151       <listitem>
152         <para>(Note: support for generic classes is currently broken
153         in GHC 5.02).</para>
154
155         <para>Generic class declarations allow you to define a class
156         whose methods say how to work over an arbitrary data type.
157         Then it's really easy to make any new type into an instance of
158         the class.  This generalises the rather ad-hoc "deriving"
159         feature of Haskell 98.  Details in <xref
160         LinkEnd="generic-classes">.</para>
161       </listitem>
162     </varlistentry>
163   </variablelist>
164
165 <para>
166 Before you get too carried away working at the lowest level (e.g.,
167 sloshing <literal>MutableByteArray&num;</literal>s around your
168 program), you may wish to check if there are libraries that provide a
169 &ldquo;Haskellised veneer&rdquo; over the features you want.  See
170 <xref linkend="book-hslibs">.
171 </para>
172
173   <sect1 id="options-language">
174     <title>Language options</title>
175
176     <indexterm><primary>language</primary><secondary>option</secondary>
177     </indexterm>
178     <indexterm><primary>options</primary><secondary>language</secondary>
179     </indexterm>
180     <indexterm><primary>extensions</primary><secondary>options controlling</secondary>
181     </indexterm>
182
183     <para> These flags control what variation of the language are
184     permitted.  Leaving out all of them gives you standard Haskell
185     98.</para>
186
187     <variablelist>
188
189       <varlistentry>
190         <term><option>-fglasgow-exts</option>:</term>
191         <indexterm><primary><option>-fglasgow-exts</option></primary></indexterm>
192         <listitem>
193           <para>This simultaneously enables all of the extensions to
194           Haskell 98 described in <xref
195           linkend="ghc-language-features">, except where otherwise
196           noted. </para>
197         </listitem>
198       </varlistentry>
199
200       <varlistentry>
201         <term><option>-fno-monomorphism-restriction</option>:</term>
202         <indexterm><primary><option>-fno-monomorphism-restriction</option></primary></indexterm>
203         <listitem>
204           <para> Switch off the Haskell 98 monomorphism restriction.
205           Independent of the <option>-fglasgow-exts</option>
206           flag. </para>
207         </listitem>
208       </varlistentry>
209
210       <varlistentry>
211         <term><option>-fallow-overlapping-instances</option></term>
212         <term><option>-fallow-undecidable-instances</option></term>
213         <term><option>-fallow-incoherent-instances</option></term>
214         <term><option>-fcontext-stack</option></term>
215         <indexterm><primary><option>-fallow-overlapping-instances</option></primary></indexterm>
216         <indexterm><primary><option>-fallow-undecidable-instances</option></primary></indexterm>
217         <indexterm><primary><option>-fcontext-stack</option></primary></indexterm>
218         <listitem>
219           <para> See <xref LinkEnd="instance-decls">.  Only relevant
220           if you also use <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
221         </listitem>
222       </varlistentry>
223
224       <varlistentry>
225         <term><option>-finline-phase</option></term>
226         <indexterm><primary><option>-finline-phase</option></primary></indexterm>
227         <listitem>
228           <para>See <xref LinkEnd="rewrite-rules">.  Only relevant if
229           you also use <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
230         </listitem>
231       </varlistentry>
232
233       <varlistentry>
234         <term><option>-fgenerics</option></term>
235         <indexterm><primary><option>-fgenerics</option></primary></indexterm>
236         <listitem>
237           <para>See <xref LinkEnd="generic-classes">.  Independent of
238           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
239         </listitem>
240       </varlistentry>
241
242         <varlistentry>
243           <term><option>-fno-implicit-prelude</option></term>
244           <listitem>
245             <para><indexterm><primary>-fno-implicit-prelude
246             option</primary></indexterm> GHC normally imports
247             <filename>Prelude.hi</filename> files for you.  If you'd
248             rather it didn't, then give it a
249             <option>-fno-implicit-prelude</option> option.  The idea
250             is that you can then import a Prelude of your own.  (But
251             don't call it <literal>Prelude</literal>; the Haskell
252             module namespace is flat, and you must not conflict with
253             any Prelude module.)</para>
254
255             <para>Even though you have not imported the Prelude, all
256             the built-in syntax still refers to the built-in Haskell
257             Prelude types and values, as specified by the Haskell
258             Report.  For example, the type <literal>[Int]</literal>
259             still means <literal>Prelude.[] Int</literal>; tuples
260             continue to refer to the standard Prelude tuples; the
261             translation for list comprehensions continues to use
262             <literal>Prelude.map</literal> etc.</para>
263
264             <para> With one group of exceptions!  You may want to
265             define your own numeric class hierarchy.  It completely
266             defeats that purpose if the literal "1" means
267             "<literal>Prelude.fromInteger 1</literal>", which is what
268             the Haskell Report specifies.  So the
269             <option>-fno-implicit-prelude</option> flag causes the
270             following pieces of built-in syntax to refer to <emphasis>whatever
271             is in scope</emphasis>, not the Prelude versions:</para>
272
273             <itemizedlist>
274               <listitem>
275                 <para>Integer and fractional literals mean
276                 "<literal>fromInteger 1</literal>" and
277                 "<literal>fromRational 3.2</literal>", not the
278                 Prelude-qualified versions; both in expressions and in
279                 patterns.</para>
280               </listitem>
281
282               <listitem>
283                 <para>Negation (e.g. "<literal>- (f x)</literal>")
284                 means "<literal>negate (f x)</literal>" (not
285                 <literal>Prelude.negate</literal>).</para>
286               </listitem>
287
288               <listitem>
289                 <para>In an n+k pattern, the standard Prelude
290                 <literal>Ord</literal> class is still used for comparison,
291                 but the necessary subtraction uses whatever
292                 "<literal>(-)</literal>" is in scope (not
293                 "<literal>Prelude.(-)</literal>").</para>
294               </listitem>
295             </itemizedlist>
296
297              <para>Note: Negative literals, such as <literal>-3</literal>, are
298              specified by (a careful reading of) the Haskell Report as 
299              meaning <literal>Prelude.negate (Prelude.fromInteger 3)</literal>.
300              However, GHC deviates from this slightly, and treats them as meaning
301              <literal>fromInteger (-3)</literal>.  One particular effect of this
302              slightly-non-standard reading is that there is no difficulty with
303              the literal <literal>-2147483648</literal> at type <literal>Int</literal>;
304              it means <literal>fromInteger (-2147483648)</literal>.  The strict interpretation
305              would be <literal>negate (fromInteger 2147483648)</literal>,
306              and the call to <literal>fromInteger</literal> would overflow
307              (at type <literal>Int</literal>, remember).
308              </para>
309
310           </listitem>
311         </varlistentry>
312
313     </variablelist>
314   </sect1>
315
316 <!-- UNBOXED TYPES AND PRIMITIVE OPERATIONS -->
317 &primitives;
318
319 <sect1 id="glasgow-ST-monad">
320 <title>Primitive state-transformer monad</title>
321
322 <para>
323 <indexterm><primary>state transformers (Glasgow extensions)</primary></indexterm>
324 <indexterm><primary>ST monad (Glasgow extension)</primary></indexterm>
325 </para>
326
327 <para>
328 This monad underlies our implementation of arrays, mutable and
329 immutable, and our implementation of I/O, including &ldquo;C calls&rdquo;.
330 </para>
331
332 <para>
333 The <literal>ST</literal> library, which provides access to the
334 <function>ST</function> monad, is described in <xref
335 linkend="sec-ST">.
336 </para>
337
338 </sect1>
339
340 <sect1 id="glasgow-prim-arrays">
341 <title>Primitive arrays, mutable and otherwise
342 </title>
343
344 <para>
345 <indexterm><primary>primitive arrays (Glasgow extension)</primary></indexterm>
346 <indexterm><primary>arrays, primitive (Glasgow extension)</primary></indexterm>
347 </para>
348
349 <para>
350 GHC knows about quite a few flavours of Large Swathes of Bytes.
351 </para>
352
353 <para>
354 First, GHC distinguishes between primitive arrays of (boxed) Haskell
355 objects (type <literal>Array&num; obj</literal>) and primitive arrays of bytes (type
356 <literal>ByteArray&num;</literal>).
357 </para>
358
359 <para>
360 Second, it distinguishes between&hellip;
361 <variablelist>
362
363 <varlistentry>
364 <term>Immutable:</term>
365 <listitem>
366 <para>
367 Arrays that do not change (as with &ldquo;standard&rdquo; Haskell arrays); you
368 can only read from them.  Obviously, they do not need the care and
369 attention of the state-transformer monad.
370 </para>
371 </listitem>
372 </varlistentry>
373 <varlistentry>
374 <term>Mutable:</term>
375 <listitem>
376 <para>
377 Arrays that may be changed or &ldquo;mutated.&rdquo;  All the operations on them
378 live within the state-transformer monad and the updates happen
379 <emphasis>in-place</emphasis>.
380 </para>
381 </listitem>
382 </varlistentry>
383 <varlistentry>
384 <term>&ldquo;Static&rdquo; (in C land):</term>
385 <listitem>
386 <para>
387 A C routine may pass an <literal>Addr&num;</literal> pointer back into Haskell land.  There
388 are then primitive operations with which you may merrily grab values
389 over in C land, by indexing off the &ldquo;static&rdquo; pointer.
390 </para>
391 </listitem>
392 </varlistentry>
393 <varlistentry>
394 <term>&ldquo;Stable&rdquo; pointers:</term>
395 <listitem>
396 <para>
397 If, for some reason, you wish to hand a Haskell pointer (i.e.,
398 <emphasis>not</emphasis> an unboxed value) to a C routine, you first make the
399 pointer &ldquo;stable,&rdquo; so that the garbage collector won't forget that it
400 exists.  That is, GHC provides a safe way to pass Haskell pointers to
401 C.
402 </para>
403
404 <para>
405 Please see <xref LinkEnd="sec-stable-pointers"> for more details.
406 </para>
407 </listitem>
408 </varlistentry>
409 <varlistentry>
410 <term>&ldquo;Foreign objects&rdquo;:</term>
411 <listitem>
412 <para>
413 A &ldquo;foreign object&rdquo; is a safe way to pass an external object (a
414 C-allocated pointer, say) to Haskell and have Haskell do the Right
415 Thing when it no longer references the object.  So, for example, C
416 could pass a large bitmap over to Haskell and say &ldquo;please free this
417 memory when you're done with it.&rdquo;
418 </para>
419
420 <para>
421 Please see <xref LinkEnd="sec-ForeignObj"> for more details.
422 </para>
423 </listitem>
424 </varlistentry>
425 </variablelist>
426 </para>
427
428 <para>
429 The libraries documentatation gives more details on all these
430 &ldquo;primitive array&rdquo; types and the operations on them.
431 </para>
432
433 </sect1>
434
435
436 <sect1 id="nullary-types">
437 <title>Data types with no constructors</title>
438
439 <para>With the <option>-fglasgow-exts</option> flag, GHC lets you declare
440 a data type with no constructors.  For example:</para>
441 <programlisting>
442   data S      -- S :: *
443   data T a    -- T :: * -> *
444 </programlisting>
445 <para>Syntactically, the declaration lacks the "= constrs" part.  The 
446 type can be parameterised, but only over ordinary types, of kind *; since
447 Haskell does not have kind signatures, you cannot parameterise over higher-kinded
448 types.</para>
449
450 <para>Such data types have only one value, namely bottom.
451 Nevertheless, they can be useful when defining "phantom types".</para>
452 </sect1>
453
454 <sect1 id="pattern-guards">
455 <title>Pattern guards</title>
456
457 <para>
458 <indexterm><primary>Pattern guards (Glasgow extension)</primary></indexterm>
459 The discussion that follows is an abbreviated version of Simon Peyton Jones's original <ULink URL="http://research.microsoft.com/~simonpj/Haskell/guards.html">proposal</ULink>. (Note that the proposal was written before pattern guards were implemented, so refers to them as unimplemented.)
460 </para>
461
462 <para>
463 Suppose we have an abstract data type of finite maps, with a
464 lookup operation:
465
466 <programlisting>
467 lookup :: FiniteMap -> Int -> Maybe Int
468 </programlisting>
469
470 The lookup returns <function>Nothing</function> if the supplied key is not in the domain of the mapping, and <function>(Just v)</function> otherwise,
471 where <VarName>v</VarName> is the value that the key maps to.  Now consider the following definition:
472 </para>
473
474 <programlisting>
475 clunky env var1 var2 | ok1 && ok2 = val1 + val2
476 | otherwise  = var1 + var2
477 where
478   m1 = lookup env var1
479   m2 = lookup env var2
480   ok1 = maybeToBool m1
481   ok2 = maybeToBool m2
482   val1 = expectJust m1
483   val2 = expectJust m2
484 </programlisting>
485
486 <para>
487 The auxiliary functions are 
488 </para>
489
490 <programlisting>
491 maybeToBool :: Maybe a -&gt; Bool
492 maybeToBool (Just x) = True
493 maybeToBool Nothing  = False
494
495 expectJust :: Maybe a -&gt; a
496 expectJust (Just x) = x
497 expectJust Nothing  = error "Unexpected Nothing"
498 </programlisting>
499
500 <para>
501 What is <function>clunky</function> doing? The guard <literal>ok1 &&
502 ok2</literal> checks that both lookups succeed, using
503 <function>maybeToBool</function> to convert the <function>Maybe</function>
504 types to booleans. The (lazily evaluated) <function>expectJust</function>
505 calls extract the values from the results of the lookups, and binds the
506 returned values to <VarName>val1</VarName> and <VarName>val2</VarName>
507 respectively.  If either lookup fails, then clunky takes the
508 <literal>otherwise</literal> case and returns the sum of its arguments.
509 </para>
510
511 <para>
512 This is certainly legal Haskell, but it is a tremendously verbose and
513 un-obvious way to achieve the desired effect.  Arguably, a more direct way
514 to write clunky would be to use case expressions:
515 </para>
516
517 <programlisting>
518 clunky env var1 var1 = case lookup env var1 of
519   Nothing -&gt; fail
520   Just val1 -&gt; case lookup env var2 of
521     Nothing -&gt; fail
522     Just val2 -&gt; val1 + val2
523 where
524   fail = val1 + val2
525 </programlisting>
526
527 <para>
528 This is a bit shorter, but hardly better.  Of course, we can rewrite any set
529 of pattern-matching, guarded equations as case expressions; that is
530 precisely what the compiler does when compiling equations! The reason that
531 Haskell provides guarded equations is because they allow us to write down
532 the cases we want to consider, one at a time, independently of each other. 
533 This structure is hidden in the case version.  Two of the right-hand sides
534 are really the same (<function>fail</function>), and the whole expression
535 tends to become more and more indented. 
536 </para>
537
538 <para>
539 Here is how I would write clunky:
540 </para>
541
542 <programlisting>
543 clunky env var1 var1
544   | Just val1 &lt;- lookup env var1
545   , Just val2 &lt;- lookup env var2
546   = val1 + val2
547 ...other equations for clunky...
548 </programlisting>
549
550 <para>
551 The semantics should be clear enough.  The qualifers are matched in order. 
552 For a <literal>&lt;-</literal> qualifier, which I call a pattern guard, the
553 right hand side is evaluated and matched against the pattern on the left. 
554 If the match fails then the whole guard fails and the next equation is
555 tried.  If it succeeds, then the appropriate binding takes place, and the
556 next qualifier is matched, in the augmented environment.  Unlike list
557 comprehensions, however, the type of the expression to the right of the
558 <literal>&lt;-</literal> is the same as the type of the pattern to its
559 left.  The bindings introduced by pattern guards scope over all the
560 remaining guard qualifiers, and over the right hand side of the equation.
561 </para>
562
563 <para>
564 Just as with list comprehensions, boolean expressions can be freely mixed
565 with among the pattern guards.  For example:
566 </para>
567
568 <programlisting>
569 f x | [y] <- x
570     , y > 3
571     , Just z <- h y
572     = ...
573 </programlisting>
574
575 <para>
576 Haskell's current guards therefore emerge as a special case, in which the
577 qualifier list has just one element, a boolean expression.
578 </para>
579 </sect1>
580
581   <sect1 id="parallel-list-comprehensions">
582     <title>Parallel List Comprehensions</title>
583     <indexterm><primary>list comprehensions</primary><secondary>parallel</secondary>
584     </indexterm>
585     <indexterm><primary>parallel list comprehensions</primary>
586     </indexterm>
587
588     <para>Parallel list comprehensions are a natural extension to list
589     comprehensions.  List comprehensions can be thought of as a nice
590     syntax for writing maps and filters.  Parallel comprehensions
591     extend this to include the zipWith family.</para>
592
593     <para>A parallel list comprehension has multiple independent
594     branches of qualifier lists, each separated by a `|' symbol.  For
595     example, the following zips together two lists:</para>
596
597 <programlisting>
598    [ (x, y) | x <- xs | y <- ys ] 
599 </programlisting>
600
601     <para>The behavior of parallel list comprehensions follows that of
602     zip, in that the resulting list will have the same length as the
603     shortest branch.</para>
604
605     <para>We can define parallel list comprehensions by translation to
606     regular comprehensions.  Here's the basic idea:</para>
607
608     <para>Given a parallel comprehension of the form: </para>
609
610 <programlisting>
611    [ e | p1 <- e11, p2 <- e12, ... 
612        | q1 <- e21, q2 <- e22, ... 
613        ... 
614    ] 
615 </programlisting>
616
617     <para>This will be translated to: </para>
618
619 <programlisting>
620    [ e | ((p1,p2), (q1,q2), ...) <- zipN [(p1,p2) | p1 <- e11, p2 <- e12, ...] 
621                                          [(q1,q2) | q1 <- e21, q2 <- e22, ...] 
622                                          ... 
623    ] 
624 </programlisting>
625
626     <para>where `zipN' is the appropriate zip for the given number of
627     branches.</para>
628
629   </sect1>
630
631 <sect1 id="multi-param-type-classes">
632 <title>Multi-parameter type classes
633 </title>
634
635 <para>
636 This section documents GHC's implementation of multi-parameter type
637 classes.  There's lots of background in the paper <ULink
638 URL="http://research.microsoft.com/~simonpj/multi.ps.gz" >Type
639 classes: exploring the design space</ULink > (Simon Peyton Jones, Mark
640 Jones, Erik Meijer).
641 </para>
642
643 <para>
644 I'd like to thank people who reported shorcomings in the GHC 3.02
645 implementation.  Our default decisions were all conservative ones, and
646 the experience of these heroic pioneers has given useful concrete
647 examples to support several generalisations.  (These appear below as
648 design choices not implemented in 3.02.)
649 </para>
650
651 <para>
652 I've discussed these notes with Mark Jones, and I believe that Hugs
653 will migrate towards the same design choices as I outline here.
654 Thanks to him, and to many others who have offered very useful
655 feedback.
656 </para>
657
658 <sect2>
659 <title>Types</title>
660
661 <para>
662 There are the following restrictions on the form of a qualified
663 type:
664 </para>
665
666 <para>
667
668 <programlisting>
669   forall tv1..tvn (c1, ...,cn) => type
670 </programlisting>
671
672 </para>
673
674 <para>
675 (Here, I write the "foralls" explicitly, although the Haskell source
676 language omits them; in Haskell 1.4, all the free type variables of an
677 explicit source-language type signature are universally quantified,
678 except for the class type variables in a class declaration.  However,
679 in GHC, you can give the foralls if you want.  See <xref LinkEnd="universal-quantification">).
680 </para>
681
682 <para>
683
684 <OrderedList>
685 <listitem>
686
687 <para>
688  <emphasis>Each universally quantified type variable
689 <literal>tvi</literal> must be mentioned (i.e. appear free) in <literal>type</literal></emphasis>.
690
691 The reason for this is that a value with a type that does not obey
692 this restriction could not be used without introducing
693 ambiguity. Here, for example, is an illegal type:
694
695
696 <programlisting>
697   forall a. Eq a => Int
698 </programlisting>
699
700
701 When a value with this type was used, the constraint <literal>Eq tv</literal>
702 would be introduced where <literal>tv</literal> is a fresh type variable, and
703 (in the dictionary-translation implementation) the value would be
704 applied to a dictionary for <literal>Eq tv</literal>.  The difficulty is that we
705 can never know which instance of <literal>Eq</literal> to use because we never
706 get any more information about <literal>tv</literal>.
707
708 </para>
709 </listitem>
710 <listitem>
711
712 <para>
713  <emphasis>Every constraint <literal>ci</literal> must mention at least one of the
714 universally quantified type variables <literal>tvi</literal></emphasis>.
715
716 For example, this type is OK because <literal>C a b</literal> mentions the
717 universally quantified type variable <literal>b</literal>:
718
719
720 <programlisting>
721   forall a. C a b => burble
722 </programlisting>
723
724
725 The next type is illegal because the constraint <literal>Eq b</literal> does not
726 mention <literal>a</literal>:
727
728
729 <programlisting>
730   forall a. Eq b => burble
731 </programlisting>
732
733
734 The reason for this restriction is milder than the other one.  The
735 excluded types are never useful or necessary (because the offending
736 context doesn't need to be witnessed at this point; it can be floated
737 out).  Furthermore, floating them out increases sharing. Lastly,
738 excluding them is a conservative choice; it leaves a patch of
739 territory free in case we need it later.
740
741 </para>
742 </listitem>
743
744 </OrderedList>
745
746 </para>
747
748 <para>
749 These restrictions apply to all types, whether declared in a type signature
750 or inferred.
751 </para>
752
753 <para>
754 Unlike Haskell 1.4, constraints in types do <emphasis>not</emphasis> have to be of
755 the form <emphasis>(class type-variables)</emphasis>.  Thus, these type signatures
756 are perfectly OK
757 </para>
758
759 <para>
760
761 <programlisting>
762   f :: Eq (m a) => [m a] -> [m a]
763   g :: Eq [a] => ...
764 </programlisting>
765
766 </para>
767
768 <para>
769 This choice recovers principal types, a property that Haskell 1.4 does not have.
770 </para>
771
772 </sect2>
773
774 <sect2>
775 <title>Class declarations</title>
776
777 <para>
778
779 <OrderedList>
780 <listitem>
781
782 <para>
783  <emphasis>Multi-parameter type classes are permitted</emphasis>. For example:
784
785
786 <programlisting>
787   class Collection c a where
788     union :: c a -> c a -> c a
789     ...etc.
790 </programlisting>
791
792
793
794 </para>
795 </listitem>
796 <listitem>
797
798 <para>
799  <emphasis>The class hierarchy must be acyclic</emphasis>.  However, the definition
800 of "acyclic" involves only the superclass relationships.  For example,
801 this is OK:
802
803
804 <programlisting>
805   class C a where {
806     op :: D b => a -> b -> b
807   }
808
809   class C a => D a where { ... }
810 </programlisting>
811
812
813 Here, <literal>C</literal> is a superclass of <literal>D</literal>, but it's OK for a
814 class operation <literal>op</literal> of <literal>C</literal> to mention <literal>D</literal>.  (It
815 would not be OK for <literal>D</literal> to be a superclass of <literal>C</literal>.)
816
817 </para>
818 </listitem>
819 <listitem>
820
821 <para>
822  <emphasis>There are no restrictions on the context in a class declaration
823 (which introduces superclasses), except that the class hierarchy must
824 be acyclic</emphasis>.  So these class declarations are OK:
825
826
827 <programlisting>
828   class Functor (m k) => FiniteMap m k where
829     ...
830
831   class (Monad m, Monad (t m)) => Transform t m where
832     lift :: m a -> (t m) a
833 </programlisting>
834
835
836 </para>
837 </listitem>
838 <listitem>
839
840 <para>
841  <emphasis>In the signature of a class operation, every constraint
842 must mention at least one type variable that is not a class type
843 variable</emphasis>.
844
845 Thus:
846
847
848 <programlisting>
849   class Collection c a where
850     mapC :: Collection c b => (a->b) -> c a -> c b
851 </programlisting>
852
853
854 is OK because the constraint <literal>(Collection a b)</literal> mentions
855 <literal>b</literal>, even though it also mentions the class variable
856 <literal>a</literal>.  On the other hand:
857
858
859 <programlisting>
860   class C a where
861     op :: Eq a => (a,b) -> (a,b)
862 </programlisting>
863
864
865 is not OK because the constraint <literal>(Eq a)</literal> mentions on the class
866 type variable <literal>a</literal>, but not <literal>b</literal>.  However, any such
867 example is easily fixed by moving the offending context up to the
868 superclass context:
869
870
871 <programlisting>
872   class Eq a => C a where
873     op ::(a,b) -> (a,b)
874 </programlisting>
875
876
877 A yet more relaxed rule would allow the context of a class-op signature
878 to mention only class type variables.  However, that conflicts with
879 Rule 1(b) for types above.
880
881 </para>
882 </listitem>
883 <listitem>
884
885 <para>
886  <emphasis>The type of each class operation must mention <emphasis>all</emphasis> of
887 the class type variables</emphasis>.  For example:
888
889
890 <programlisting>
891   class Coll s a where
892     empty  :: s
893     insert :: s -> a -> s
894 </programlisting>
895
896
897 is not OK, because the type of <literal>empty</literal> doesn't mention
898 <literal>a</literal>.  This rule is a consequence of Rule 1(a), above, for
899 types, and has the same motivation.
900
901 Sometimes, offending class declarations exhibit misunderstandings.  For
902 example, <literal>Coll</literal> might be rewritten
903
904
905 <programlisting>
906   class Coll s a where
907     empty  :: s a
908     insert :: s a -> a -> s a
909 </programlisting>
910
911
912 which makes the connection between the type of a collection of
913 <literal>a</literal>'s (namely <literal>(s a)</literal>) and the element type <literal>a</literal>.
914 Occasionally this really doesn't work, in which case you can split the
915 class like this:
916
917
918 <programlisting>
919   class CollE s where
920     empty  :: s
921
922   class CollE s => Coll s a where
923     insert :: s -> a -> s
924 </programlisting>
925
926
927 </para>
928 </listitem>
929
930 </OrderedList>
931
932 </para>
933
934 </sect2>
935
936 <sect2 id="instance-decls">
937 <title>Instance declarations</title>
938
939 <para>
940
941 <OrderedList>
942 <listitem>
943
944 <para>
945  <emphasis>Instance declarations may not overlap</emphasis>.  The two instance
946 declarations
947
948
949 <programlisting>
950   instance context1 => C type1 where ...
951   instance context2 => C type2 where ...
952 </programlisting>
953
954
955 "overlap" if <literal>type1</literal> and <literal>type2</literal> unify
956
957 However, if you give the command line option
958 <option>-fallow-overlapping-instances</option><indexterm><primary>-fallow-overlapping-instances
959 option</primary></indexterm> then overlapping instance declarations are permitted.
960 However, GHC arranges never to commit to using an instance declaration
961 if another instance declaration also applies, either now or later.
962
963 <itemizedlist>
964 <listitem>
965
966 <para>
967  EITHER <literal>type1</literal> and <literal>type2</literal> do not unify
968 </para>
969 </listitem>
970 <listitem>
971
972 <para>
973  OR <literal>type2</literal> is a substitution instance of <literal>type1</literal>
974 (but not identical to <literal>type1</literal>), or vice versa.
975 </para>
976 </listitem>
977 </itemizedlist>
978 Notice that these rules
979 <itemizedlist>
980 <listitem>
981
982 <para>
983  make it clear which instance decl to use
984 (pick the most specific one that matches)
985
986 </para>
987 </listitem>
988 <listitem>
989
990 <para>
991  do not mention the contexts <literal>context1</literal>, <literal>context2</literal>
992 Reason: you can pick which instance decl
993 "matches" based on the type.
994 </para>
995 </listitem>
996
997 </itemizedlist>
998 However the rules are over-conservative.  Two instance declarations can overlap,
999 but it can still be clear in particular situations which to use.  For example:
1000 <programlisting>
1001   instance C (Int,a) where ...
1002   instance C (a,Bool) where ...
1003 </programlisting>
1004 These are rejected by GHC's rules, but it is clear what to do when trying
1005 to solve the constraint <literal>C (Int,Int)</literal> because the second instance
1006 cannot apply.  Yell if this restriction bites you.
1007 </para>
1008 <para>
1009 GHC is also conservative about committing to an overlapping instance.  For example:
1010 <programlisting>
1011   class C a where { op :: a -> a }
1012   instance C [Int] where ...
1013   instance C a => C [a] where ...
1014   
1015   f :: C b => [b] -> [b]
1016   f x = op x
1017 </programlisting>
1018 From the RHS of f we get the constraint <literal>C [b]</literal>.  But
1019 GHC does not commit to the second instance declaration, because in a paricular
1020 call of f, b might be instantiate to Int, so the first instance declaration
1021 would be appropriate.  So GHC rejects the program.  If you add <option>-fallow-incoherent-instances</option>
1022 GHC will instead silently pick the second instance, without complaining about 
1023 the problem of subsequent instantiations.
1024 </para>
1025 <para>
1026 Regrettably, GHC doesn't guarantee to detect overlapping instance
1027 declarations if they appear in different modules.  GHC can "see" the
1028 instance declarations in the transitive closure of all the modules
1029 imported by the one being compiled, so it can "see" all instance decls
1030 when it is compiling <literal>Main</literal>.  However, it currently chooses not
1031 to look at ones that can't possibly be of use in the module currently
1032 being compiled, in the interests of efficiency.  (Perhaps we should
1033 change that decision, at least for <literal>Main</literal>.)
1034
1035 </para>
1036 </listitem>
1037 <listitem>
1038
1039 <para>
1040  <emphasis>There are no restrictions on the type in an instance
1041 <emphasis>head</emphasis>, except that at least one must not be a type variable</emphasis>.
1042 The instance "head" is the bit after the "=>" in an instance decl. For
1043 example, these are OK:
1044
1045
1046 <programlisting>
1047   instance C Int a where ...
1048
1049   instance D (Int, Int) where ...
1050
1051   instance E [[a]] where ...
1052 </programlisting>
1053
1054
1055 Note that instance heads <emphasis>may</emphasis> contain repeated type variables.
1056 For example, this is OK:
1057
1058
1059 <programlisting>
1060   instance Stateful (ST s) (MutVar s) where ...
1061 </programlisting>
1062
1063
1064 The "at least one not a type variable" restriction is to ensure that
1065 context reduction terminates: each reduction step removes one type
1066 constructor.  For example, the following would make the type checker
1067 loop if it wasn't excluded:
1068
1069
1070 <programlisting>
1071   instance C a => C a where ...
1072 </programlisting>
1073
1074
1075 There are two situations in which the rule is a bit of a pain. First,
1076 if one allows overlapping instance declarations then it's quite
1077 convenient to have a "default instance" declaration that applies if
1078 something more specific does not:
1079
1080
1081 <programlisting>
1082   instance C a where
1083     op = ... -- Default
1084 </programlisting>
1085
1086
1087 Second, sometimes you might want to use the following to get the
1088 effect of a "class synonym":
1089
1090
1091 <programlisting>
1092   class (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
1093
1094   instance (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
1095 </programlisting>
1096
1097
1098 This allows you to write shorter signatures:
1099
1100
1101 <programlisting>
1102   f :: C a => ...
1103 </programlisting>
1104
1105
1106 instead of
1107
1108
1109 <programlisting>
1110   f :: (C1 a, C2 a, C3 a) => ...
1111 </programlisting>
1112
1113
1114 I'm on the lookout for a simple rule that preserves decidability while
1115 allowing these idioms.  The experimental flag
1116 <option>-fallow-undecidable-instances</option><indexterm><primary>-fallow-undecidable-instances
1117 option</primary></indexterm> lifts this restriction, allowing all the types in an
1118 instance head to be type variables.
1119
1120 </para>
1121 </listitem>
1122 <listitem>
1123
1124 <para>
1125  <emphasis>Unlike Haskell 1.4, instance heads may use type
1126 synonyms</emphasis>.  As always, using a type synonym is just shorthand for
1127 writing the RHS of the type synonym definition.  For example:
1128
1129
1130 <programlisting>
1131   type Point = (Int,Int)
1132   instance C Point   where ...
1133   instance C [Point] where ...
1134 </programlisting>
1135
1136
1137 is legal.  However, if you added
1138
1139
1140 <programlisting>
1141   instance C (Int,Int) where ...
1142 </programlisting>
1143
1144
1145 as well, then the compiler will complain about the overlapping
1146 (actually, identical) instance declarations.  As always, type synonyms
1147 must be fully applied.  You cannot, for example, write:
1148
1149
1150 <programlisting>
1151   type P a = [[a]]
1152   instance Monad P where ...
1153 </programlisting>
1154
1155
1156 This design decision is independent of all the others, and easily
1157 reversed, but it makes sense to me.
1158
1159 </para>
1160 </listitem>
1161 <listitem>
1162
1163 <para>
1164 <emphasis>The types in an instance-declaration <emphasis>context</emphasis> must all
1165 be type variables</emphasis>. Thus
1166
1167
1168 <programlisting>
1169 instance C a b => Eq (a,b) where ...
1170 </programlisting>
1171
1172
1173 is OK, but
1174
1175
1176 <programlisting>
1177 instance C Int b => Foo b where ...
1178 </programlisting>
1179
1180
1181 is not OK.  Again, the intent here is to make sure that context
1182 reduction terminates.
1183
1184 Voluminous correspondence on the Haskell mailing list has convinced me
1185 that it's worth experimenting with a more liberal rule.  If you use
1186 the flag <option>-fallow-undecidable-instances</option> can use arbitrary
1187 types in an instance context.  Termination is ensured by having a
1188 fixed-depth recursion stack.  If you exceed the stack depth you get a
1189 sort of backtrace, and the opportunity to increase the stack depth
1190 with <option>-fcontext-stack</option><emphasis>N</emphasis>.
1191
1192 </para>
1193 </listitem>
1194
1195 </OrderedList>
1196
1197 </para>
1198
1199 </sect2>
1200
1201 </sect1>
1202
1203 <sect1 id="implicit-parameters">
1204 <title>Implicit parameters
1205 </title>
1206
1207 <para> Implicit paramters are implemented as described in 
1208 "Implicit parameters: dynamic scoping with static types", 
1209 J Lewis, MB Shields, E Meijer, J Launchbury,
1210 27th ACM Symposium on Principles of Programming Languages (POPL'00),
1211 Boston, Jan 2000.
1212 </para>
1213
1214 <para>
1215 There should be more documentation, but there isn't (yet).  Yell if you need it.
1216 </para>
1217 <itemizedlist>
1218 <listitem>
1219 <para> You can't have an implicit parameter in the context of a class or instance
1220 declaration.  For example, both these declarations are illegal:
1221 <programlisting>
1222   class (?x::Int) => C a where ...
1223   instance (?x::a) => Foo [a] where ...
1224 </programlisting>
1225 Reason: exactly which implicit parameter you pick up depends on exactly where
1226 you invoke a function. But the ``invocation'' of instance declarations is done
1227 behind the scenes by the compiler, so it's hard to figure out exactly where it is done.
1228 Easiest thing is to outlaw the offending types.</para>
1229 </listitem>
1230
1231 </itemizedlist>
1232
1233 </sect1>
1234
1235 <sect1 id="linear-implicit-parameters">
1236 <title>Linear implicit parameters
1237 </title>
1238 <para>
1239 Linear implicit parameters are an idea developed by Koen Claessen,
1240 Mark Shields, and Simon PJ.  They address the long-standing
1241 problem that monads seem over-kill for certain sorts of problem, notably:
1242 </para>
1243 <itemizedlist>
1244 <listitem> <para> distributing a supply of unique names </para> </listitem>
1245 <listitem> <para> distributing a suppply of random numbers </para> </listitem>
1246 <listitem> <para> distributing an oracle (as in QuickCheck) </para> </listitem>
1247 </itemizedlist>
1248
1249 <para>
1250 Linear implicit parameters are just like ordinary implicit parameters,
1251 except that they are "linear" -- that is, they cannot be copied, and
1252 must be explicitly "split" instead.  Linear implicit parameters are
1253 written '<literal>%x</literal>' instead of '<literal>?x</literal>'.  
1254 (The '/' in the '%' suggests the split!)
1255 </para>
1256 <para>
1257 For example:
1258 <programlisting>
1259     data NameSupply = ...
1260     
1261     splitNS :: NameSupply -> (NameSupply, NameSupply)
1262     newName :: NameSupply -> Name
1263
1264     instance PrelSplit.Splittable NameSupply where
1265         split = splitNS
1266
1267
1268     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
1269     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
1270                     where
1271                       x'   = newName %ns
1272                       env' = extend env x x'
1273     ...more equations for f...
1274 </programlisting>
1275 Notice that the implicit parameter %ns is consumed 
1276 <itemizedlist>
1277 <listitem> <para> once by the call to <literal>newName</literal> </para> </listitem>
1278 <listitem> <para> once by the recursive call to <literal>f</literal> </para></listitem>
1279 </itemizedlist>
1280 </para>
1281 <para>
1282 So the translation done by the type checker makes
1283 the parameter explicit:
1284 <programlisting>
1285     f :: NameSupply -> Env -> Expr -> Expr
1286     f ns env (Lam x e) = Lam x' (f ns1 env e)
1287                        where
1288                          (ns1,ns2) = splitNS ns
1289                          x' = newName ns2
1290                          env = extend env x x'
1291 </programlisting>
1292 Notice the call to 'split' introduced by the type checker.
1293 How did it know to use 'splitNS'?  Because what it really did
1294 was to introduce a call to the overloaded function 'split',
1295 defined by
1296 <programlisting>
1297         class Splittable a where
1298           split :: a -> (a,a)
1299 </programlisting>
1300 The instance for <literal>Splittable NameSupply</literal> tells GHC how to implement
1301 split for name supplies.  But we can simply write
1302 <programlisting>
1303         g x = (x, %ns, %ns)
1304 </programlisting>
1305 and GHC will infer
1306 <programlisting>
1307         g :: (Splittable a, %ns :: a) => b -> (b,a,a)
1308 </programlisting>
1309 The <literal>Splittable</literal> class is built into GHC.  It's defined in <literal>PrelSplit</literal>,
1310 and exported by <literal>GlaExts</literal>.
1311 </para>
1312 <para>
1313 Other points:
1314 <itemizedlist>
1315 <listitem> <para> '<literal>?x</literal>' and '<literal>%x</literal>' 
1316 are entirely distinct implicit parameters: you 
1317   can use them together and they won't intefere with each other. </para>
1318 </listitem>
1319
1320 <listitem> <para> You can bind linear implicit parameters in 'with' clauses. </para> </listitem>
1321
1322 <listitem> <para>You cannot have implicit parameters (whether linear or not)
1323   in the context of a class or instance declaration. </para></listitem>
1324 </itemizedlist>
1325 </para>
1326
1327 <sect2><title>Warnings</title>
1328
1329 <para>
1330 The monomorphism restriction is even more important than usual.
1331 Consider the example above:
1332 <programlisting>
1333     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
1334     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
1335                     where
1336                       x'   = newName %ns
1337                       env' = extend env x x'
1338 </programlisting>
1339 If we replaced the two occurrences of x' by (newName %ns), which is
1340 usually a harmless thing to do, we get:
1341 <programlisting>
1342     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
1343     f env (Lam x e) = Lam (newName %ns) (f env e)
1344                     where
1345                       env' = extend env x (newName %ns)
1346 </programlisting>
1347 But now the name supply is consumed in <emphasis>three</emphasis> places
1348 (the two calls to newName,and the recursive call to f), so
1349 the result is utterly different.  Urk!  We don't even have 
1350 the beta rule.
1351 </para>
1352 <para>
1353 Well, this is an experimental change.  With implicit
1354 parameters we have already lost beta reduction anyway, and
1355 (as John Launchbury puts it) we can't sensibly reason about
1356 Haskell programs without knowing their typing.
1357 </para>
1358
1359 </sect2>
1360
1361 </sect1>
1362
1363 <sect1 id="functional-dependencies">
1364 <title>Functional dependencies
1365 </title>
1366
1367 <para> Functional dependencies are implemented as described by Mark Jones
1368 in "Type Classes with Functional Dependencies", Mark P. Jones, 
1369 In Proceedings of the 9th European Symposium on Programming, 
1370 ESOP 2000, Berlin, Germany, March 2000, Springer-Verlag LNCS 1782.
1371 </para>
1372
1373 <para>
1374 There should be more documentation, but there isn't (yet).  Yell if you need it.
1375 </para>
1376 </sect1>
1377
1378
1379 <sect1 id="universal-quantification">
1380 <title>Explicit universal quantification
1381 </title>
1382
1383 <para>
1384 Haskell type signatures are implicitly quantified.  The new keyword <literal>forall</literal>
1385 allows us to say exactly what this means.  For example:
1386 </para>
1387 <para>
1388 <programlisting>
1389         g :: b -> b
1390 </programlisting>
1391 means this:
1392 <programlisting>
1393         g :: forall b. (b -> b)
1394 </programlisting>
1395 The two are treated identically.
1396 </para>
1397
1398 <para>
1399 However, GHC's type system supports <emphasis>arbitrary-rank</emphasis> 
1400 explicit universal quantification in
1401 types. 
1402 For example, all the following types are legal:
1403 <programlisting>
1404     f1 :: forall a b. a -> b -> a
1405     g1 :: forall a b. (Ord a, Eq  b) => a -> b -> a
1406
1407     f2 :: (forall a. a->a) -> Int -> Int
1408     g2 :: (forall a. Eq a => [a] -> a -> Bool) -> Int -> Int
1409
1410     f3 :: ((forall a. a->a) -> Int) -> Bool -> Bool
1411 </programlisting>
1412 Here, <literal>f1</literal> and <literal>g1</literal> are rank-1 types, and
1413 can be written in standard Haskell (e.g. <literal>f1 :: a->b->a</literal>).
1414 The <literal>forall</literal> makes explicit the universal quantification that
1415 is implicitly added by Haskell.
1416 </para>
1417 <para>
1418 The functions <literal>f2</literal> and <literal>g2</literal> have rank-2 types;
1419 the <literal>forall</literal> is on the left of a function arrrow.  As <literal>g2</literal>
1420 shows, the polymorphic type on the left of the function arrow can be overloaded.
1421 </para>
1422 <para>
1423 The functions <literal>f3</literal> and <literal>g3</literal> have rank-3 types;
1424 they have rank-2 types on the left of a function arrow.
1425 </para>
1426 <para>
1427 GHC allows types of arbitrary rank; you can nest <literal>forall</literal>s
1428 arbitrarily deep in function arrows.   (GHC used to be restricted to rank 2, but
1429 that restriction has now been lifted.)
1430 In particular, a forall-type (also called a "type scheme"),
1431 including an operational type class context, is legal:
1432 <itemizedlist>
1433 <listitem> <para> On the left of a function arrow </para> </listitem>
1434 <listitem> <para> On the right of a function arrow (see <xref linkend="hoist">) </para> </listitem>
1435 <listitem> <para> As the argument of a constructor, or type of a field, in a data type declaration. For
1436 example, any of the <literal>f1,f2,f3,g1,g2,g3</literal> above would be valid
1437 field type signatures.</para> </listitem>
1438 <listitem> <para> As the type of an implicit parameter </para> </listitem>
1439 <listitem> <para> In a pattern type signature (see <xref linkend="scoped-type-variables">) </para> </listitem>
1440 </itemizedlist>
1441 There is one place you cannot put a <literal>forall</literal>:
1442 you cannot instantiate a type variable with a forall-type.  So you cannot 
1443 make a forall-type the argument of a type constructor.  So these types are illegal:
1444 <programlisting>
1445     x1 :: [forall a. a->a]
1446     x2 :: (forall a. a->a, Int)
1447     x3 :: Maybe (forall a. a->a)
1448 </programlisting>
1449 Of course <literal>forall</literal> becomes a keyword; you can't use <literal>forall</literal> as
1450 a type variable any more!
1451 </para>
1452
1453
1454 <sect2 id="univ">
1455 <title>Examples
1456 </title>
1457
1458 <para>
1459 In a <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal> declaration one can quantify
1460 the types of the constructor arguments.  Here are several examples:
1461 </para>
1462
1463 <para>
1464
1465 <programlisting>
1466 data T a = T1 (forall b. b -> b -> b) a
1467
1468 data MonadT m = MkMonad { return :: forall a. a -> m a,
1469                           bind   :: forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b
1470                         }
1471
1472 newtype Swizzle = MkSwizzle (Ord a => [a] -> [a])
1473 </programlisting>
1474
1475 </para>
1476
1477 <para>
1478 The constructors have rank-2 types:
1479 </para>
1480
1481 <para>
1482
1483 <programlisting>
1484 T1 :: forall a. (forall b. b -> b -> b) -> a -> T a
1485 MkMonad :: forall m. (forall a. a -> m a)
1486                   -> (forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b)
1487                   -> MonadT m
1488 MkSwizzle :: (Ord a => [a] -> [a]) -> Swizzle
1489 </programlisting>
1490
1491 </para>
1492
1493 <para>
1494 Notice that you don't need to use a <literal>forall</literal> if there's an
1495 explicit context.  For example in the first argument of the
1496 constructor <function>MkSwizzle</function>, an implicit "<literal>forall a.</literal>" is
1497 prefixed to the argument type.  The implicit <literal>forall</literal>
1498 quantifies all type variables that are not already in scope, and are
1499 mentioned in the type quantified over.
1500 </para>
1501
1502 <para>
1503 As for type signatures, implicit quantification happens for non-overloaded
1504 types too.  So if you write this:
1505
1506 <programlisting>
1507   data T a = MkT (Either a b) (b -> b)
1508 </programlisting>
1509
1510 it's just as if you had written this:
1511
1512 <programlisting>
1513   data T a = MkT (forall b. Either a b) (forall b. b -> b)
1514 </programlisting>
1515
1516 That is, since the type variable <literal>b</literal> isn't in scope, it's
1517 implicitly universally quantified.  (Arguably, it would be better
1518 to <emphasis>require</emphasis> explicit quantification on constructor arguments
1519 where that is what is wanted.  Feedback welcomed.)
1520 </para>
1521
1522 <para>
1523 You construct values of types <literal>T1, MonadT, Swizzle</literal> by applying
1524 the constructor to suitable values, just as usual.  For example,
1525 </para>
1526
1527 <para>
1528
1529 <programlisting>
1530     a1 :: T Int
1531     a1 = T1 (\xy->x) 3
1532     
1533     a2, a3 :: Swizzle
1534     a2 = MkSwizzle sort
1535     a3 = MkSwizzle reverse
1536     
1537     a4 :: MonadT Maybe
1538     a4 = let r x = Just x
1539              b m k = case m of
1540                        Just y -> k y
1541                        Nothing -> Nothing
1542          in
1543          MkMonad r b
1544
1545     mkTs :: (forall b. b -> b -> b) -> a -> [T a]
1546     mkTs f x y = [T1 f x, T1 f y]
1547 </programlisting>
1548
1549 </para>
1550
1551 <para>
1552 The type of the argument can, as usual, be more general than the type
1553 required, as <literal>(MkSwizzle reverse)</literal> shows.  (<function>reverse</function>
1554 does not need the <literal>Ord</literal> constraint.)
1555 </para>
1556
1557 <para>
1558 When you use pattern matching, the bound variables may now have
1559 polymorphic types.  For example:
1560 </para>
1561
1562 <para>
1563
1564 <programlisting>
1565     f :: T a -> a -> (a, Char)
1566     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
1567
1568     g :: (Ord a, Ord b) => Swizzle -> [a] -> (a -> b) -> [b]
1569     g (MkSwizzle s) xs f = s (map f (s xs))
1570
1571     h :: MonadT m -> [m a] -> m [a]
1572     h m [] = return m []
1573     h m (x:xs) = bind m x          $ \y ->
1574                  bind m (h m xs)   $ \ys ->
1575                  return m (y:ys)
1576 </programlisting>
1577
1578 </para>
1579
1580 <para>
1581 In the function <function>h</function> we use the record selectors <literal>return</literal>
1582 and <literal>bind</literal> to extract the polymorphic bind and return functions
1583 from the <literal>MonadT</literal> data structure, rather than using pattern
1584 matching.
1585 </para>
1586 </sect2>
1587
1588 <sect2>
1589 <title>Type inference</title>
1590
1591 <para>
1592 In general, type inference for arbitrary-rank types is undecideable.
1593 GHC uses an algorithm proposed by Odersky and Laufer ("Putting type annotations to work", POPL'96)
1594 to get a decidable algorithm by requiring some help from the programmer.
1595 We do not yet have a formal specification of "some help" but the rule is this:
1596 </para>
1597 <para>
1598 <emphasis>For a lambda-bound or case-bound variable, x, either the programmer
1599 provides an explicit polymorphic type for x, or GHC's type inference will assume
1600 that x's type has no foralls in it</emphasis>.
1601 </para>
1602 <para>
1603 What does it mean to "provide" an explicit type for x?  You can do that by 
1604 giving a type signature for x directly, using a pattern type signature
1605 (<xref linkend="scoped-type-variables">), thus:
1606 <programlisting>
1607      \ f :: (forall a. a->a) -> (f True, f 'c')
1608 </programlisting>
1609 Alternatively, you can give a type signature to the enclosing
1610 context, which GHC can "push down" to find the type for the variable:
1611 <programlisting>
1612      (\ f -> (f True, f 'c')) :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
1613 </programlisting>
1614 Here the type signature on the expression can be pushed inwards
1615 to give a type signature for f.  Similarly, and more commonly,
1616 one can give a type signature for the function itself:
1617 <programlisting>
1618      h :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
1619      h f = (f True, f 'c')
1620 </programlisting>
1621 You don't need to give a type signature if the lambda bound variable
1622 is a constructor argument.  Here is an example we saw earlier:
1623 <programlisting>
1624     f :: T a -> a -> (a, Char)
1625     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
1626 </programlisting>
1627 Here we do not need to give a type signature to <literal>w</literal>, because
1628 it is an argument of constructor <literal>T1</literal> and that tells GHC all
1629 it needs to know.
1630 </para>
1631
1632 </sect2>
1633
1634
1635 <sect2 id="implicit-quant">
1636 <title>Implicit quantification</title>
1637
1638 <para>
1639 GHC performs implicit quantification as follows.  <emphasis>At the top level (only) of 
1640 user-written types, if and only if there is no explicit <literal>forall</literal>,
1641 GHC finds all the type variables mentioned in the type that are not already
1642 in scope, and universally quantifies them.</emphasis>  For example, the following pairs are 
1643 equivalent:
1644 <programlisting>
1645   f :: a -> a
1646   f :: forall a. a -> a
1647
1648   g (x::a) = let
1649                 h :: a -> b -> b
1650                 h x y = y
1651              in ...
1652   g (x::a) = let
1653                 h :: forall b. a -> b -> b
1654                 h x y = y
1655              in ...
1656 </programlisting>
1657 </para>
1658 <para>
1659 Notice that GHC does <emphasis>not</emphasis> find the innermost possible quantification
1660 point.  For example:
1661 <programlisting>
1662   f :: (a -> a) -> Int
1663            -- MEANS
1664   f :: forall a. (a -> a) -> Int
1665            -- NOT
1666   f :: (forall a. a -> a) -> Int
1667
1668
1669   g :: (Ord a => a -> a) -> Int
1670            -- MEANS the illegal type
1671   g :: forall a. (Ord a => a -> a) -> Int
1672            -- NOT
1673   g :: (forall a. Ord a => a -> a) -> Int
1674 </programlisting>
1675 The latter produces an illegal type, which you might think is silly,
1676 but at least the rule is simple.  If you want the latter type, you
1677 can write your for-alls explicitly.  Indeed, doing so is strongly advised
1678 for rank-2 types.
1679 </para>
1680 </sect2>
1681 </sect1>
1682
1683 <sect1 id="hoist">
1684 <title>Type synonyms and hoisting
1685 </title>
1686
1687 <para>
1688 Type synonmys are like macros at the type level, and GHC is much more liberal
1689 about them than Haskell 98.  In particular:
1690 <itemizedlist>
1691 <listitem> <para>You can write a <literal>forall</literal> (including overloading)
1692 in a type synonym, thus:
1693 <programlisting>
1694   type Discard a = forall b. Show b => a -> b -> (a, String)
1695
1696   f :: Discard a
1697   f x y = (x, show y)
1698
1699   g :: Discard Int -> (Int,Bool)    -- A rank-2 type
1700   g f = f Int True
1701 </programlisting>
1702 </para>
1703 </listitem>
1704
1705 <listitem><para>
1706 You can write an unboxed tuple in a type synonym:
1707 <programlisting>
1708   type Pr = (# Int, Int #)
1709
1710   h :: Int -> Pr
1711   h x = (# x, x #)
1712 </programlisting>
1713 </para></listitem>
1714 </itemizedlist>
1715 </para>
1716 <para>
1717 GHC does validity checking on types <emphasis>after expanding type synonyms</emphasis> 
1718 so, for example,
1719 this will be rejected:
1720 <programlisting>
1721   type Pr = (# Int, Int #)
1722
1723   h :: Pr -> Int
1724   h x = ...
1725 </programlisting>
1726 because GHC does not allow  unboxed tuples on the left of a function arrow.
1727 </para>
1728
1729 <para>
1730 However, it is often convenient to use these sort of generalised synonyms at the right hand
1731 end of an arrow, thus:
1732 <programlisting>
1733   type Discard a = forall b. a -> b -> a
1734
1735   g :: Int -> Discard Int
1736   g x y z = x+y
1737 </programlisting>
1738 Simply expanding the type synonym would give
1739 <programlisting>
1740   g :: Int -> (forall b. Int -> b -> Int)
1741 </programlisting>
1742 but GHC "hoists" the <literal>forall</literal> to give the isomorphic type
1743 <programlisting>
1744   g :: forall b. Int -> Int -> b -> Int
1745 </programlisting>
1746 In general, the rule is this: <emphasis>to determine the type specified by any explicit
1747 user-written type (e.g. in a type signature), GHC expands type synonyms and then repeatedly
1748 performs the transformation:</emphasis>
1749 <programlisting>
1750   <emphasis>type1</emphasis> -> forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type2</emphasis>
1751 ==>
1752   forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type1</emphasis> -> <emphasis>type2</emphasis>
1753 </programlisting>
1754 (In fact, GHC tries to retain as much synonym information as possible for use in
1755 error messages, but that is a usability issue.)  This rule applies, of course, whether
1756 or not the <literal>forall</literal> comes from a synonym. For example, here is another
1757 valid way to write <literal>g</literal>'s type signature:
1758 <programlisting>
1759   g :: Int -> Int -> forall b. b -> Int
1760 </programlisting>
1761 </para>
1762 </sect1>
1763
1764
1765 <sect1 id="existential-quantification">
1766 <title>Existentially quantified data constructors
1767 </title>
1768
1769 <para>
1770 The idea of using existential quantification in data type declarations
1771 was suggested by Laufer (I believe, thought doubtless someone will
1772 correct me), and implemented in Hope+. It's been in Lennart
1773 Augustsson's <Command>hbc</Command> Haskell compiler for several years, and
1774 proved very useful.  Here's the idea.  Consider the declaration:
1775 </para>
1776
1777 <para>
1778
1779 <programlisting>
1780   data Foo = forall a. MkFoo a (a -> Bool)
1781            | Nil
1782 </programlisting>
1783
1784 </para>
1785
1786 <para>
1787 The data type <literal>Foo</literal> has two constructors with types:
1788 </para>
1789
1790 <para>
1791
1792 <programlisting>
1793   MkFoo :: forall a. a -> (a -> Bool) -> Foo
1794   Nil   :: Foo
1795 </programlisting>
1796
1797 </para>
1798
1799 <para>
1800 Notice that the type variable <literal>a</literal> in the type of <function>MkFoo</function>
1801 does not appear in the data type itself, which is plain <literal>Foo</literal>.
1802 For example, the following expression is fine:
1803 </para>
1804
1805 <para>
1806
1807 <programlisting>
1808   [MkFoo 3 even, MkFoo 'c' isUpper] :: [Foo]
1809 </programlisting>
1810
1811 </para>
1812
1813 <para>
1814 Here, <literal>(MkFoo 3 even)</literal> packages an integer with a function
1815 <function>even</function> that maps an integer to <literal>Bool</literal>; and <function>MkFoo 'c'
1816 isUpper</function> packages a character with a compatible function.  These
1817 two things are each of type <literal>Foo</literal> and can be put in a list.
1818 </para>
1819
1820 <para>
1821 What can we do with a value of type <literal>Foo</literal>?.  In particular,
1822 what happens when we pattern-match on <function>MkFoo</function>?
1823 </para>
1824
1825 <para>
1826
1827 <programlisting>
1828   f (MkFoo val fn) = ???
1829 </programlisting>
1830
1831 </para>
1832
1833 <para>
1834 Since all we know about <literal>val</literal> and <function>fn</function> is that they
1835 are compatible, the only (useful) thing we can do with them is to
1836 apply <function>fn</function> to <literal>val</literal> to get a boolean.  For example:
1837 </para>
1838
1839 <para>
1840
1841 <programlisting>
1842   f :: Foo -> Bool
1843   f (MkFoo val fn) = fn val
1844 </programlisting>
1845
1846 </para>
1847
1848 <para>
1849 What this allows us to do is to package heterogenous values
1850 together with a bunch of functions that manipulate them, and then treat
1851 that collection of packages in a uniform manner.  You can express
1852 quite a bit of object-oriented-like programming this way.
1853 </para>
1854
1855 <sect2 id="existential">
1856 <title>Why existential?
1857 </title>
1858
1859 <para>
1860 What has this to do with <emphasis>existential</emphasis> quantification?
1861 Simply that <function>MkFoo</function> has the (nearly) isomorphic type
1862 </para>
1863
1864 <para>
1865
1866 <programlisting>
1867   MkFoo :: (exists a . (a, a -> Bool)) -> Foo
1868 </programlisting>
1869
1870 </para>
1871
1872 <para>
1873 But Haskell programmers can safely think of the ordinary
1874 <emphasis>universally</emphasis> quantified type given above, thereby avoiding
1875 adding a new existential quantification construct.
1876 </para>
1877
1878 </sect2>
1879
1880 <sect2>
1881 <title>Type classes</title>
1882
1883 <para>
1884 An easy extension (implemented in <Command>hbc</Command>) is to allow
1885 arbitrary contexts before the constructor.  For example:
1886 </para>
1887
1888 <para>
1889
1890 <programlisting>
1891 data Baz = forall a. Eq a => Baz1 a a
1892          | forall b. Show b => Baz2 b (b -> b)
1893 </programlisting>
1894
1895 </para>
1896
1897 <para>
1898 The two constructors have the types you'd expect:
1899 </para>
1900
1901 <para>
1902
1903 <programlisting>
1904 Baz1 :: forall a. Eq a => a -> a -> Baz
1905 Baz2 :: forall b. Show b => b -> (b -> b) -> Baz
1906 </programlisting>
1907
1908 </para>
1909
1910 <para>
1911 But when pattern matching on <function>Baz1</function> the matched values can be compared
1912 for equality, and when pattern matching on <function>Baz2</function> the first matched
1913 value can be converted to a string (as well as applying the function to it).
1914 So this program is legal:
1915 </para>
1916
1917 <para>
1918
1919 <programlisting>
1920   f :: Baz -> String
1921   f (Baz1 p q) | p == q    = "Yes"
1922                | otherwise = "No"
1923   f (Baz2 v fn)            = show (fn v)
1924 </programlisting>
1925
1926 </para>
1927
1928 <para>
1929 Operationally, in a dictionary-passing implementation, the
1930 constructors <function>Baz1</function> and <function>Baz2</function> must store the
1931 dictionaries for <literal>Eq</literal> and <literal>Show</literal> respectively, and
1932 extract it on pattern matching.
1933 </para>
1934
1935 <para>
1936 Notice the way that the syntax fits smoothly with that used for
1937 universal quantification earlier.
1938 </para>
1939
1940 </sect2>
1941
1942 <sect2>
1943 <title>Restrictions</title>
1944
1945 <para>
1946 There are several restrictions on the ways in which existentially-quantified
1947 constructors can be use.
1948 </para>
1949
1950 <para>
1951
1952 <itemizedlist>
1953 <listitem>
1954
1955 <para>
1956  When pattern matching, each pattern match introduces a new,
1957 distinct, type for each existential type variable.  These types cannot
1958 be unified with any other type, nor can they escape from the scope of
1959 the pattern match.  For example, these fragments are incorrect:
1960
1961
1962 <programlisting>
1963 f1 (MkFoo a f) = a
1964 </programlisting>
1965
1966
1967 Here, the type bound by <function>MkFoo</function> "escapes", because <literal>a</literal>
1968 is the result of <function>f1</function>.  One way to see why this is wrong is to
1969 ask what type <function>f1</function> has:
1970
1971
1972 <programlisting>
1973   f1 :: Foo -> a             -- Weird!
1974 </programlisting>
1975
1976
1977 What is this "<literal>a</literal>" in the result type? Clearly we don't mean
1978 this:
1979
1980
1981 <programlisting>
1982   f1 :: forall a. Foo -> a   -- Wrong!
1983 </programlisting>
1984
1985
1986 The original program is just plain wrong.  Here's another sort of error
1987
1988
1989 <programlisting>
1990   f2 (Baz1 a b) (Baz1 p q) = a==q
1991 </programlisting>
1992
1993
1994 It's ok to say <literal>a==b</literal> or <literal>p==q</literal>, but
1995 <literal>a==q</literal> is wrong because it equates the two distinct types arising
1996 from the two <function>Baz1</function> constructors.
1997
1998
1999 </para>
2000 </listitem>
2001 <listitem>
2002
2003 <para>
2004 You can't pattern-match on an existentially quantified
2005 constructor in a <literal>let</literal> or <literal>where</literal> group of
2006 bindings. So this is illegal:
2007
2008
2009 <programlisting>
2010   f3 x = a==b where { Baz1 a b = x }
2011 </programlisting>
2012
2013
2014 You can only pattern-match
2015 on an existentially-quantified constructor in a <literal>case</literal> expression or
2016 in the patterns of a function definition.
2017
2018 The reason for this restriction is really an implementation one.
2019 Type-checking binding groups is already a nightmare without
2020 existentials complicating the picture.  Also an existential pattern
2021 binding at the top level of a module doesn't make sense, because it's
2022 not clear how to prevent the existentially-quantified type "escaping".
2023 So for now, there's a simple-to-state restriction.  We'll see how
2024 annoying it is.
2025
2026 </para>
2027 </listitem>
2028 <listitem>
2029
2030 <para>
2031 You can't use existential quantification for <literal>newtype</literal>
2032 declarations.  So this is illegal:
2033
2034
2035 <programlisting>
2036   newtype T = forall a. Ord a => MkT a
2037 </programlisting>
2038
2039
2040 Reason: a value of type <literal>T</literal> must be represented as a pair
2041 of a dictionary for <literal>Ord t</literal> and a value of type <literal>t</literal>.
2042 That contradicts the idea that <literal>newtype</literal> should have no
2043 concrete representation.  You can get just the same efficiency and effect
2044 by using <literal>data</literal> instead of <literal>newtype</literal>.  If there is no
2045 overloading involved, then there is more of a case for allowing
2046 an existentially-quantified <literal>newtype</literal>, because the <literal>data</literal>
2047 because the <literal>data</literal> version does carry an implementation cost,
2048 but single-field existentially quantified constructors aren't much
2049 use.  So the simple restriction (no existential stuff on <literal>newtype</literal>)
2050 stands, unless there are convincing reasons to change it.
2051
2052
2053 </para>
2054 </listitem>
2055 <listitem>
2056
2057 <para>
2058  You can't use <literal>deriving</literal> to define instances of a
2059 data type with existentially quantified data constructors.
2060
2061 Reason: in most cases it would not make sense. For example:&num;
2062
2063 <programlisting>
2064 data T = forall a. MkT [a] deriving( Eq )
2065 </programlisting>
2066
2067 To derive <literal>Eq</literal> in the standard way we would need to have equality
2068 between the single component of two <function>MkT</function> constructors:
2069
2070 <programlisting>
2071 instance Eq T where
2072   (MkT a) == (MkT b) = ???
2073 </programlisting>
2074
2075 But <VarName>a</VarName> and <VarName>b</VarName> have distinct types, and so can't be compared.
2076 It's just about possible to imagine examples in which the derived instance
2077 would make sense, but it seems altogether simpler simply to prohibit such
2078 declarations.  Define your own instances!
2079 </para>
2080 </listitem>
2081
2082 </itemizedlist>
2083
2084 </para>
2085
2086 </sect2>
2087
2088 </sect1>
2089
2090 <sect1 id="sec-assertions">
2091 <title>Assertions
2092 <indexterm><primary>Assertions</primary></indexterm>
2093 </title>
2094
2095 <para>
2096 If you want to make use of assertions in your standard Haskell code, you
2097 could define a function like the following:
2098 </para>
2099
2100 <para>
2101
2102 <programlisting>
2103 assert :: Bool -> a -> a
2104 assert False x = error "assertion failed!"
2105 assert _     x = x
2106 </programlisting>
2107
2108 </para>
2109
2110 <para>
2111 which works, but gives you back a less than useful error message --
2112 an assertion failed, but which and where?
2113 </para>
2114
2115 <para>
2116 One way out is to define an extended <function>assert</function> function which also
2117 takes a descriptive string to include in the error message and
2118 perhaps combine this with the use of a pre-processor which inserts
2119 the source location where <function>assert</function> was used.
2120 </para>
2121
2122 <para>
2123 Ghc offers a helping hand here, doing all of this for you. For every
2124 use of <function>assert</function> in the user's source:
2125 </para>
2126
2127 <para>
2128
2129 <programlisting>
2130 kelvinToC :: Double -> Double
2131 kelvinToC k = assert (k &gt;= 0.0) (k+273.15)
2132 </programlisting>
2133
2134 </para>
2135
2136 <para>
2137 Ghc will rewrite this to also include the source location where the
2138 assertion was made,
2139 </para>
2140
2141 <para>
2142
2143 <programlisting>
2144 assert pred val ==> assertError "Main.hs|15" pred val
2145 </programlisting>
2146
2147 </para>
2148
2149 <para>
2150 The rewrite is only performed by the compiler when it spots
2151 applications of <function>Exception.assert</function>, so you can still define and
2152 use your own versions of <function>assert</function>, should you so wish. If not,
2153 import <literal>Exception</literal> to make use <function>assert</function> in your code.
2154 </para>
2155
2156 <para>
2157 To have the compiler ignore uses of assert, use the compiler option
2158 <option>-fignore-asserts</option>. <indexterm><primary>-fignore-asserts option</primary></indexterm> That is,
2159 expressions of the form <literal>assert pred e</literal> will be rewritten to <literal>e</literal>.
2160 </para>
2161
2162 <para>
2163 Assertion failures can be caught, see the documentation for the
2164 <literal>Exception</literal> library (<xref linkend="sec-Exception">)
2165 for the details.
2166 </para>
2167
2168 </sect1>
2169
2170 <sect1 id="scoped-type-variables">
2171 <title>Scoped Type Variables
2172 </title>
2173
2174 <para>
2175 A <emphasis>pattern type signature</emphasis> can introduce a <emphasis>scoped type
2176 variable</emphasis>.  For example
2177 </para>
2178
2179 <para>
2180
2181 <programlisting>
2182 f (xs::[a]) = ys ++ ys
2183            where
2184               ys :: [a]
2185               ys = reverse xs
2186 </programlisting>
2187
2188 </para>
2189
2190 <para>
2191 The pattern <literal>(xs::[a])</literal> includes a type signature for <VarName>xs</VarName>.
2192 This brings the type variable <literal>a</literal> into scope; it scopes over
2193 all the patterns and right hand sides for this equation for <function>f</function>.
2194 In particular, it is in scope at the type signature for <VarName>y</VarName>.
2195 </para>
2196
2197 <para>
2198  Pattern type signatures are completely orthogonal to ordinary, separate
2199 type signatures.  The two can be used independently or together.
2200 At ordinary type signatures, such as that for <VarName>ys</VarName>, any type variables
2201 mentioned in the type signature <emphasis>that are not in scope</emphasis> are
2202 implicitly universally quantified.  (If there are no type variables in
2203 scope, all type variables mentioned in the signature are universally
2204 quantified, which is just as in Haskell 98.)  In this case, since <VarName>a</VarName>
2205 is in scope, it is not universally quantified, so the type of <VarName>ys</VarName> is
2206 the same as that of <VarName>xs</VarName>.  In Haskell 98 it is not possible to declare
2207 a type for <VarName>ys</VarName>; a major benefit of scoped type variables is that
2208 it becomes possible to do so.
2209 </para>
2210
2211 <para>
2212 Scoped type variables are implemented in both GHC and Hugs.  Where the
2213 implementations differ from the specification below, those differences
2214 are noted.
2215 </para>
2216
2217 <para>
2218 So much for the basic idea.  Here are the details.
2219 </para>
2220
2221 <sect2>
2222 <title>What a pattern type signature means</title>
2223 <para>
2224 A type variable brought into scope by a pattern type signature is simply
2225 the name for a type.   The restriction they express is that all occurrences
2226 of the same name mean the same type.  For example:
2227 <programlisting>
2228   f :: [Int] -> Int -> Int
2229   f (xs::[a]) (y::a) = (head xs + y) :: a
2230 </programlisting>
2231 The pattern type signatures on the left hand side of
2232 <literal>f</literal> express the fact that <literal>xs</literal>
2233 must be a list of things of some type <literal>a</literal>; and that <literal>y</literal>
2234 must have this same type.  The type signature on the expression <literal>(head xs)</literal>
2235 specifies that this expression must have the same type <literal>a</literal>.
2236 <emphasis>There is no requirement that the type named by "<literal>a</literal>" is
2237 in fact a type variable</emphasis>.  Indeed, in this case, the type named by "<literal>a</literal>" is
2238 <literal>Int</literal>.  (This is a slight liberalisation from the original rather complex
2239 rules, which specified that a pattern-bound type variable should be universally quantified.)
2240 For example, all of these are legal:</para>
2241
2242 <programlisting>
2243   t (x::a) (y::a) = x+y*2
2244
2245   f (x::a) (y::b) = [x,y]       -- a unifies with b
2246
2247   g (x::a) = x + 1::Int         -- a unifies with Int
2248
2249   h x = let k (y::a) = [x,y]    -- a is free in the
2250         in k x                  -- environment
2251
2252   k (x::a) True    = ...        -- a unifies with Int
2253   k (x::Int) False = ...
2254
2255   w :: [b] -> [b]
2256   w (x::a) = x                  -- a unifies with [b]
2257 </programlisting>
2258
2259 </sect2>
2260
2261 <sect2>
2262 <title>Scope and implicit quantification</title>
2263
2264 <para>
2265
2266 <itemizedlist>
2267 <listitem>
2268
2269 <para>
2270 All the type variables mentioned in a pattern,
2271 that are not already in scope,
2272 are brought into scope by the pattern.  We describe this set as
2273 the <emphasis>type variables bound by the pattern</emphasis>.
2274 For example:
2275 <programlisting>
2276   f (x::a) = let g (y::(a,b)) = fst y
2277              in
2278              g (x,True)
2279 </programlisting>
2280 The pattern <literal>(x::a)</literal> brings the type variable
2281 <literal>a</literal> into scope, as well as the term 
2282 variable <literal>x</literal>.  The pattern <literal>(y::(a,b))</literal>
2283 contains an occurrence of the already-in-scope type variable <literal>a</literal>,
2284 and brings into scope the type variable <literal>b</literal>.
2285 </para>
2286 </listitem>
2287
2288 <listitem>
2289 <para>
2290 The type variable(s) bound by the pattern have the same scope
2291 as the term variable(s) bound by the pattern.  For example:
2292 <programlisting>
2293   let
2294     f (x::a) = <...rhs of f...>
2295     (p::b, q::b) = (1,2)
2296   in <...body of let...>
2297 </programlisting>
2298 Here, the type variable <literal>a</literal> scopes over the right hand side of <literal>f</literal>,
2299 just like <literal>x</literal> does; while the type variable <literal>b</literal> scopes over the
2300 body of the <literal>let</literal>, and all the other definitions in the <literal>let</literal>,
2301 just like <literal>p</literal> and <literal>q</literal> do.
2302 Indeed, the newly bound type variables also scope over any ordinary, separate
2303 type signatures in the <literal>let</literal> group.
2304 </para>
2305 </listitem>
2306
2307
2308 <listitem>
2309 <para>
2310 The type variables bound by the pattern may be 
2311 mentioned in ordinary type signatures or pattern 
2312 type signatures anywhere within their scope.
2313
2314 </para>
2315 </listitem>
2316
2317 <listitem>
2318 <para>
2319  In ordinary type signatures, any type variable mentioned in the
2320 signature that is in scope is <emphasis>not</emphasis> universally quantified.
2321
2322 </para>
2323 </listitem>
2324
2325 <listitem>
2326
2327 <para>
2328  Ordinary type signatures do not bring any new type variables
2329 into scope (except in the type signature itself!). So this is illegal:
2330
2331 <programlisting>
2332   f :: a -> a
2333   f x = x::a
2334 </programlisting>
2335
2336 It's illegal because <VarName>a</VarName> is not in scope in the body of <function>f</function>,
2337 so the ordinary signature <literal>x::a</literal> is equivalent to <literal>x::forall a.a</literal>;
2338 and that is an incorrect typing.
2339
2340 </para>
2341 </listitem>
2342
2343 <listitem>
2344 <para>
2345 The pattern type signature is a monotype:
2346 </para>
2347
2348 <itemizedlist>
2349 <listitem> <para> 
2350 A pattern type signature cannot contain any explicit <literal>forall</literal> quantification.
2351 </para> </listitem>
2352
2353 <listitem>  <para> 
2354 The type variables bound by a pattern type signature can only be instantiated to monotypes,
2355 not to type schemes.
2356 </para> </listitem>
2357
2358 <listitem>  <para> 
2359 There is no implicit universal quantification on pattern type signatures (in contrast to
2360 ordinary type signatures).
2361 </para> </listitem>
2362
2363 </itemizedlist>
2364
2365 </listitem>
2366
2367 <listitem>
2368 <para>
2369
2370 The type variables in the head of a <literal>class</literal> or <literal>instance</literal> declaration
2371 scope over the methods defined in the <literal>where</literal> part.  For example:
2372
2373
2374 <programlisting>
2375   class C a where
2376     op :: [a] -> a
2377
2378     op xs = let ys::[a]
2379                 ys = reverse xs
2380             in
2381             head ys
2382 </programlisting>
2383
2384
2385 (Not implemented in Hugs yet, Dec 98).
2386 </para>
2387 </listitem>
2388
2389 </itemizedlist>
2390
2391 </para>
2392
2393 </sect2>
2394
2395 <sect2>
2396 <title>Result type signatures</title>
2397
2398 <para>
2399
2400 <itemizedlist>
2401 <listitem>
2402
2403 <para>
2404  The result type of a function can be given a signature,
2405 thus:
2406
2407
2408 <programlisting>
2409   f (x::a) :: [a] = [x,x,x]
2410 </programlisting>
2411
2412
2413 The final <literal>:: [a]</literal> after all the patterns gives a signature to the
2414 result type.  Sometimes this is the only way of naming the type variable
2415 you want:
2416
2417
2418 <programlisting>
2419   f :: Int -> [a] -> [a]
2420   f n :: ([a] -> [a]) = let g (x::a, y::a) = (y,x)
2421                         in \xs -> map g (reverse xs `zip` xs)
2422 </programlisting>
2423
2424
2425 </para>
2426 </listitem>
2427
2428 </itemizedlist>
2429
2430 </para>
2431
2432 <para>
2433 Result type signatures are not yet implemented in Hugs.
2434 </para>
2435
2436 </sect2>
2437
2438 <sect2>
2439 <title>Where a pattern type signature can occur</title>
2440
2441 <para>
2442 A pattern type signature can occur in any pattern.  For example:
2443 <itemizedlist>
2444
2445 <listitem>
2446 <para>
2447 A pattern type signature can be on an arbitrary sub-pattern, not
2448 ust on a variable:
2449
2450
2451 <programlisting>
2452   f ((x,y)::(a,b)) = (y,x) :: (b,a)
2453 </programlisting>
2454
2455
2456 </para>
2457 </listitem>
2458 <listitem>
2459
2460 <para>
2461  Pattern type signatures, including the result part, can be used
2462 in lambda abstractions:
2463
2464 <programlisting>
2465   (\ (x::a, y) :: a -> x)
2466 </programlisting>
2467 </para>
2468 </listitem>
2469 <listitem>
2470
2471 <para>
2472  Pattern type signatures, including the result part, can be used
2473 in <literal>case</literal> expressions:
2474
2475
2476 <programlisting>
2477   case e of { (x::a, y) :: a -> x }
2478 </programlisting>
2479
2480 </para>
2481 </listitem>
2482
2483 <listitem>
2484 <para>
2485 To avoid ambiguity, the type after the &ldquo;<literal>::</literal>&rdquo; in a result
2486 pattern signature on a lambda or <literal>case</literal> must be atomic (i.e. a single
2487 token or a parenthesised type of some sort).  To see why,
2488 consider how one would parse this:
2489
2490
2491 <programlisting>
2492   \ x :: a -> b -> x
2493 </programlisting>
2494
2495
2496 </para>
2497 </listitem>
2498
2499 <listitem>
2500
2501 <para>
2502  Pattern type signatures can bind existential type variables.
2503 For example:
2504
2505
2506 <programlisting>
2507   data T = forall a. MkT [a]
2508
2509   f :: T -> T
2510   f (MkT [t::a]) = MkT t3
2511                  where
2512                    t3::[a] = [t,t,t]
2513 </programlisting>
2514
2515
2516 </para>
2517 </listitem>
2518
2519
2520 <listitem>
2521
2522 <para>
2523 Pattern type signatures 
2524 can be used in pattern bindings:
2525
2526 <programlisting>
2527   f x = let (y, z::a) = x in ...
2528   f1 x                = let (y, z::Int) = x in ...
2529   f2 (x::(Int,a))     = let (y, z::a)   = x in ...
2530   f3 :: (b->b)        = \x -> x
2531 </programlisting>
2532
2533 In all such cases, the binding is not generalised over the pattern-bound
2534 type variables.  Thus <literal>f3</literal> is monomorphic; <literal>f3</literal>
2535 has type <literal>b -&gt; b</literal> for some type <literal>b</literal>, 
2536 and <emphasis>not</emphasis> <literal>forall b. b -&gt; b</literal>.
2537 In contrast, the binding
2538 <programlisting>
2539   f4 :: b->b
2540   f4 = \x -> x
2541 </programlisting>
2542 makes a polymorphic function, but <literal>b</literal> is not in scope anywhere
2543 in <literal>f4</literal>'s scope.
2544
2545 </para>
2546 </listitem>
2547 </itemizedlist>
2548 </para>
2549
2550 </sect2>
2551
2552
2553 </sect1>
2554
2555   <sect1 id="pragmas">
2556     <title>Pragmas</title>
2557
2558     <indexterm><primary>pragma</primary></indexterm>
2559
2560     <para>GHC supports several pragmas, or instructions to the
2561     compiler placed in the source code.  Pragmas don't normally affect
2562     the meaning of the program, but they might affect the efficiency
2563     of the generated code.</para>
2564
2565     <para>Pragmas all take the form
2566
2567 <literal>{-# <replaceable>word</replaceable> ... #-}</literal>  
2568
2569     where <replaceable>word</replaceable> indicates the type of
2570     pragma, and is followed optionally by information specific to that
2571     type of pragma.  Case is ignored in
2572     <replaceable>word</replaceable>.  The various values for
2573     <replaceable>word</replaceable> that GHC understands are described
2574     in the following sections; any pragma encountered with an
2575     unrecognised <replaceable>word</replaceable> is (silently)
2576     ignored.</para>
2577
2578 <sect2 id="inline-pragma">
2579 <title>INLINE pragma
2580
2581 <indexterm><primary>INLINE pragma</primary></indexterm>
2582 <indexterm><primary>pragma, INLINE</primary></indexterm></title>
2583
2584 <para>
2585 GHC (with <option>-O</option>, as always) tries to inline (or &ldquo;unfold&rdquo;)
2586 functions/values that are &ldquo;small enough,&rdquo; thus avoiding the call
2587 overhead and possibly exposing other more-wonderful optimisations.
2588 </para>
2589
2590 <para>
2591 You will probably see these unfoldings (in Core syntax) in your
2592 interface files.
2593 </para>
2594
2595 <para>
2596 Normally, if GHC decides a function is &ldquo;too expensive&rdquo; to inline, it
2597 will not do so, nor will it export that unfolding for other modules to
2598 use.
2599 </para>
2600
2601 <para>
2602 The sledgehammer you can bring to bear is the
2603 <literal>INLINE</literal><indexterm><primary>INLINE pragma</primary></indexterm> pragma, used thusly:
2604
2605 <programlisting>
2606 key_function :: Int -> String -> (Bool, Double)
2607
2608 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
2609 {-# INLINE key_function #-}
2610 #endif
2611 </programlisting>
2612
2613 (You don't need to do the C pre-processor carry-on unless you're going
2614 to stick the code through HBC&mdash;it doesn't like <literal>INLINE</literal> pragmas.)
2615 </para>
2616
2617 <para>
2618 The major effect of an <literal>INLINE</literal> pragma is to declare a function's
2619 &ldquo;cost&rdquo; to be very low.  The normal unfolding machinery will then be
2620 very keen to inline it.
2621 </para>
2622
2623 <para>
2624 An <literal>INLINE</literal> pragma for a function can be put anywhere its type
2625 signature could be put.
2626 </para>
2627
2628 <para>
2629 <literal>INLINE</literal> pragmas are a particularly good idea for the
2630 <literal>then</literal>/<literal>return</literal> (or <literal>bind</literal>/<literal>unit</literal>) functions in a monad.
2631 For example, in GHC's own <literal>UniqueSupply</literal> monad code, we have:
2632
2633 <programlisting>
2634 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
2635 {-# INLINE thenUs #-}
2636 {-# INLINE returnUs #-}
2637 #endif
2638 </programlisting>
2639
2640 </para>
2641
2642 </sect2>
2643
2644 <sect2 id="noinline-pragma">
2645 <title>NOINLINE pragma
2646 </title>
2647
2648 <indexterm><primary>NOINLINE pragma</primary></indexterm>
2649 <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>NOINLINE</secondary></indexterm>
2650 <indexterm><primary>NOTINLINE pragma</primary></indexterm>
2651 <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>NOTINLINE</secondary></indexterm>
2652
2653 <para>
2654 The <literal>NOINLINE</literal> pragma does exactly what you'd expect:
2655 it stops the named function from being inlined by the compiler.  You
2656 shouldn't ever need to do this, unless you're very cautious about code
2657 size.
2658 </para>
2659
2660 <para><literal>NOTINLINE</literal> is a synonym for
2661 <literal>NOINLINE</literal> (<literal>NOTINLINE</literal> is specified
2662 by Haskell 98 as the standard way to disable inlining, so it should be
2663 used if you want your code to be portable).</para>
2664
2665 </sect2>
2666
2667     <sect2 id="specialize-pragma">
2668       <title>SPECIALIZE pragma</title>
2669
2670       <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
2671       <indexterm><primary>pragma, SPECIALIZE</primary></indexterm>
2672       <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
2673
2674       <para>(UK spelling also accepted.)  For key overloaded
2675       functions, you can create extra versions (NB: more code space)
2676       specialised to particular types.  Thus, if you have an
2677       overloaded function:</para>
2678
2679 <programlisting>
2680 hammeredLookup :: Ord key => [(key, value)] -> key -> value
2681 </programlisting>
2682
2683       <para>If it is heavily used on lists with
2684       <literal>Widget</literal> keys, you could specialise it as
2685       follows:</para>
2686
2687 <programlisting>
2688 {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Widget, value)] -> Widget -> value #-}
2689 </programlisting>
2690
2691       <para>To get very fancy, you can also specify a named function
2692       to use for the specialised value, as in:</para>
2693
2694 <programlisting>
2695 {-# RULES hammeredLookup = blah #-}
2696 </programlisting>
2697
2698       <para>where <literal>blah</literal> is an implementation of
2699       <literal>hammerdLookup</literal> written specialy for
2700       <literal>Widget</literal> lookups.  It's <emphasis>Your
2701       Responsibility</emphasis> to make sure that
2702       <function>blah</function> really behaves as a specialised
2703       version of <function>hammeredLookup</function>!!!</para>
2704
2705       <para>Note we use the <literal>RULE</literal> pragma here to
2706       indicate that <literal>hammeredLookup</literal> applied at a
2707       certain type should be replaced by <literal>blah</literal>.  See
2708       <xref linkend="rules"> for more information on
2709       <literal>RULES</literal>.</para>
2710
2711       <para>An example in which using <literal>RULES</literal> for
2712       specialisation will Win Big:
2713
2714 <programlisting>
2715 toDouble :: Real a => a -> Double
2716 toDouble = fromRational . toRational
2717
2718 {-# SPECIALIZE toDouble :: Int -> Double = i2d #-}
2719 i2d (I# i) = D# (int2Double# i) -- uses Glasgow prim-op directly
2720 </programlisting>
2721
2722       The <function>i2d</function> function is virtually one machine
2723       instruction; the default conversion&mdash;via an intermediate
2724       <literal>Rational</literal>&mdash;is obscenely expensive by
2725       comparison.</para>
2726
2727       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> pragma for a function can
2728       be put anywhere its type signature could be put.</para>
2729
2730     </sect2>
2731
2732 <sect2 id="specialize-instance-pragma">
2733 <title>SPECIALIZE instance pragma
2734 </title>
2735
2736 <para>
2737 <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
2738 <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
2739 Same idea, except for instance declarations.  For example:
2740
2741 <programlisting>
2742 instance (Eq a) => Eq (Foo a) where { 
2743    {-# SPECIALIZE instance Eq (Foo [(Int, Bar)]) #-}
2744    ... usual stuff ...
2745  }
2746 </programlisting>
2747 The pragma must occur inside the <literal>where</literal> part
2748 of the instance declaration.
2749 </para>
2750 <para>
2751 Compatible with HBC, by the way, except perhaps in the placement
2752 of the pragma.
2753 </para>
2754
2755 </sect2>
2756
2757 <sect2 id="line-pragma">
2758 <title>LINE pragma
2759 </title>
2760
2761 <para>
2762 <indexterm><primary>LINE pragma</primary></indexterm>
2763 <indexterm><primary>pragma, LINE</primary></indexterm>
2764 </para>
2765
2766 <para>
2767 This pragma is similar to C's <literal>&num;line</literal> pragma, and is mainly for use in
2768 automatically generated Haskell code.  It lets you specify the line
2769 number and filename of the original code; for example
2770 </para>
2771
2772 <para>
2773
2774 <programlisting>
2775 {-# LINE 42 "Foo.vhs" #-}
2776 </programlisting>
2777
2778 </para>
2779
2780 <para>
2781 if you'd generated the current file from something called <filename>Foo.vhs</filename>
2782 and this line corresponds to line 42 in the original.  GHC will adjust
2783 its error messages to refer to the line/file named in the <literal>LINE</literal>
2784 pragma.
2785 </para>
2786
2787 </sect2>
2788
2789 <sect2 id="rules">
2790 <title>RULES pragma</title>
2791
2792 <para>
2793 The RULES pragma lets you specify rewrite rules.  It is described in
2794 <xref LinkEnd="rewrite-rules">.
2795 </para>
2796
2797 </sect2>
2798
2799 <sect2 id="deprecated-pragma">
2800 <title>DEPRECATED pragma</title>
2801
2802 <para>
2803 The DEPRECATED pragma lets you specify that a particular function, class, or type, is deprecated.  
2804 There are two forms.  
2805 </para>
2806 <itemizedlist>
2807 <listitem><para>
2808 You can deprecate an entire module thus:</para>
2809 <programlisting>
2810    module Wibble {-# DEPRECATED "Use Wobble instead" #-} where
2811      ...
2812 </programlisting>
2813 <para>
2814 When you compile any module that import <literal>Wibble</literal>, GHC will print
2815 the specified message.</para>
2816 </listitem>
2817
2818 <listitem>
2819 <para>
2820 You can deprecate a function, class, or type, with the following top-level declaration:
2821 </para>
2822 <programlisting>
2823    {-# DEPRECATED f, C, T "Don't use these" #-}
2824 </programlisting>
2825 <para>
2826 When you compile any module that imports and uses any of the specifed entities, 
2827 GHC will print the specified message.
2828 </para>
2829 </listitem>
2830 </itemizedlist>
2831 <para>You can suppress the warnings with the flag <option>-fno-warn-deprecations</option>.</para>
2832
2833 </sect2>
2834
2835 </sect1>
2836
2837 <sect1 id="rewrite-rules">
2838 <title>Rewrite rules
2839
2840 <indexterm><primary>RULES pagma</primary></indexterm>
2841 <indexterm><primary>pragma, RULES</primary></indexterm>
2842 <indexterm><primary>rewrite rules</primary></indexterm></title>
2843
2844 <para>
2845 The programmer can specify rewrite rules as part of the source program
2846 (in a pragma).  GHC applies these rewrite rules wherever it can.
2847 </para>
2848
2849 <para>
2850 Here is an example:
2851
2852 <programlisting>
2853   {-# RULES
2854         "map/map"       forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
2855   #-}
2856 </programlisting>
2857
2858 </para>
2859
2860 <sect2>
2861 <title>Syntax</title>
2862
2863 <para>
2864 From a syntactic point of view:
2865
2866 <itemizedlist>
2867 <listitem>
2868
2869 <para>
2870  Each rule has a name, enclosed in double quotes.  The name itself has
2871 no significance at all.  It is only used when reporting how many times the rule fired.
2872 </para>
2873 </listitem>
2874 <listitem>
2875
2876 <para>
2877  There may be zero or more rules in a <literal>RULES</literal> pragma.
2878 </para>
2879 </listitem>
2880 <listitem>
2881
2882 <para>
2883  Layout applies in a <literal>RULES</literal> pragma.  Currently no new indentation level
2884 is set, so you must lay out your rules starting in the same column as the
2885 enclosing definitions.
2886 </para>
2887 </listitem>
2888 <listitem>
2889
2890 <para>
2891  Each variable mentioned in a rule must either be in scope (e.g. <function>map</function>),
2892 or bound by the <literal>forall</literal> (e.g. <function>f</function>, <function>g</function>, <function>xs</function>).  The variables bound by
2893 the <literal>forall</literal> are called the <emphasis>pattern</emphasis> variables.  They are separated
2894 by spaces, just like in a type <literal>forall</literal>.
2895 </para>
2896 </listitem>
2897 <listitem>
2898
2899 <para>
2900  A pattern variable may optionally have a type signature.
2901 If the type of the pattern variable is polymorphic, it <emphasis>must</emphasis> have a type signature.
2902 For example, here is the <literal>foldr/build</literal> rule:
2903
2904 <programlisting>
2905 "fold/build"  forall k z (g::forall b. (a->b->b) -> b -> b) .
2906               foldr k z (build g) = g k z
2907 </programlisting>
2908
2909 Since <function>g</function> has a polymorphic type, it must have a type signature.
2910
2911 </para>
2912 </listitem>
2913 <listitem>
2914
2915 <para>
2916 The left hand side of a rule must consist of a top-level variable applied
2917 to arbitrary expressions.  For example, this is <emphasis>not</emphasis> OK:
2918
2919 <programlisting>
2920 "wrong1"   forall e1 e2.  case True of { True -> e1; False -> e2 } = e1
2921 "wrong2"   forall f.      f True = True
2922 </programlisting>
2923
2924 In <literal>"wrong1"</literal>, the LHS is not an application; in <literal>"wrong2"</literal>, the LHS has a pattern variable
2925 in the head.
2926 </para>
2927 </listitem>
2928 <listitem>
2929
2930 <para>
2931  A rule does not need to be in the same module as (any of) the
2932 variables it mentions, though of course they need to be in scope.
2933 </para>
2934 </listitem>
2935 <listitem>
2936
2937 <para>
2938  Rules are automatically exported from a module, just as instance declarations are.
2939 </para>
2940 </listitem>
2941
2942 </itemizedlist>
2943
2944 </para>
2945
2946 </sect2>
2947
2948 <sect2>
2949 <title>Semantics</title>
2950
2951 <para>
2952 From a semantic point of view:
2953
2954 <itemizedlist>
2955 <listitem>
2956
2957 <para>
2958 Rules are only applied if you use the <option>-O</option> flag.
2959 </para>
2960 </listitem>
2961
2962 <listitem>
2963 <para>
2964  Rules are regarded as left-to-right rewrite rules.
2965 When GHC finds an expression that is a substitution instance of the LHS
2966 of a rule, it replaces the expression by the (appropriately-substituted) RHS.
2967 By "a substitution instance" we mean that the LHS can be made equal to the
2968 expression by substituting for the pattern variables.
2969
2970 </para>
2971 </listitem>
2972 <listitem>
2973
2974 <para>
2975  The LHS and RHS of a rule are typechecked, and must have the
2976 same type.
2977
2978 </para>
2979 </listitem>
2980 <listitem>
2981
2982 <para>
2983  GHC makes absolutely no attempt to verify that the LHS and RHS
2984 of a rule have the same meaning.  That is undecideable in general, and
2985 infeasible in most interesting cases.  The responsibility is entirely the programmer's!
2986
2987 </para>
2988 </listitem>
2989 <listitem>
2990
2991 <para>
2992  GHC makes no attempt to make sure that the rules are confluent or
2993 terminating.  For example:
2994
2995 <programlisting>
2996   "loop"        forall x,y.  f x y = f y x
2997 </programlisting>
2998
2999 This rule will cause the compiler to go into an infinite loop.
3000
3001 </para>
3002 </listitem>
3003 <listitem>
3004
3005 <para>
3006  If more than one rule matches a call, GHC will choose one arbitrarily to apply.
3007
3008 </para>
3009 </listitem>
3010 <listitem>
3011 <para>
3012  GHC currently uses a very simple, syntactic, matching algorithm
3013 for matching a rule LHS with an expression.  It seeks a substitution
3014 which makes the LHS and expression syntactically equal modulo alpha
3015 conversion.  The pattern (rule), but not the expression, is eta-expanded if
3016 necessary.  (Eta-expanding the epression can lead to laziness bugs.)
3017 But not beta conversion (that's called higher-order matching).
3018 </para>
3019
3020 <para>
3021 Matching is carried out on GHC's intermediate language, which includes
3022 type abstractions and applications.  So a rule only matches if the
3023 types match too.  See <xref LinkEnd="rule-spec"> below.
3024 </para>
3025 </listitem>
3026 <listitem>
3027
3028 <para>
3029  GHC keeps trying to apply the rules as it optimises the program.
3030 For example, consider:
3031
3032 <programlisting>
3033   let s = map f
3034       t = map g
3035   in
3036   s (t xs)
3037 </programlisting>
3038
3039 The expression <literal>s (t xs)</literal> does not match the rule <literal>"map/map"</literal>, but GHC
3040 will substitute for <VarName>s</VarName> and <VarName>t</VarName>, giving an expression which does match.
3041 If <VarName>s</VarName> or <VarName>t</VarName> was (a) used more than once, and (b) large or a redex, then it would
3042 not be substituted, and the rule would not fire.
3043
3044 </para>
3045 </listitem>
3046 <listitem>
3047
3048 <para>
3049  In the earlier phases of compilation, GHC inlines <emphasis>nothing
3050 that appears on the LHS of a rule</emphasis>, because once you have substituted
3051 for something you can't match against it (given the simple minded
3052 matching).  So if you write the rule
3053
3054 <programlisting>
3055         "map/map"       forall f,g.  map f . map g = map (f.g)
3056 </programlisting>
3057
3058 this <emphasis>won't</emphasis> match the expression <literal>map f (map g xs)</literal>.
3059 It will only match something written with explicit use of ".".
3060 Well, not quite.  It <emphasis>will</emphasis> match the expression
3061
3062 <programlisting>
3063 wibble f g xs
3064 </programlisting>
3065
3066 where <function>wibble</function> is defined:
3067
3068 <programlisting>
3069 wibble f g = map f . map g
3070 </programlisting>
3071
3072 because <function>wibble</function> will be inlined (it's small).
3073
3074 Later on in compilation, GHC starts inlining even things on the
3075 LHS of rules, but still leaves the rules enabled.  This inlining
3076 policy is controlled by the per-simplification-pass flag <option>-finline-phase</option><emphasis>n</emphasis>.
3077
3078 </para>
3079 </listitem>
3080 <listitem>
3081
3082 <para>
3083  All rules are implicitly exported from the module, and are therefore
3084 in force in any module that imports the module that defined the rule, directly
3085 or indirectly.  (That is, if A imports B, which imports C, then C's rules are
3086 in force when compiling A.)  The situation is very similar to that for instance
3087 declarations.
3088 </para>
3089 </listitem>
3090
3091 </itemizedlist>
3092
3093 </para>
3094
3095 </sect2>
3096
3097 <sect2>
3098 <title>List fusion</title>
3099
3100 <para>
3101 The RULES mechanism is used to implement fusion (deforestation) of common list functions.
3102 If a "good consumer" consumes an intermediate list constructed by a "good producer", the
3103 intermediate list should be eliminated entirely.
3104 </para>
3105
3106 <para>
3107 The following are good producers:
3108
3109 <itemizedlist>
3110 <listitem>
3111
3112 <para>
3113  List comprehensions
3114 </para>
3115 </listitem>
3116 <listitem>
3117
3118 <para>
3119  Enumerations of <literal>Int</literal> and <literal>Char</literal> (e.g. <literal>['a'..'z']</literal>).
3120 </para>
3121 </listitem>
3122 <listitem>
3123
3124 <para>
3125  Explicit lists (e.g. <literal>[True, False]</literal>)
3126 </para>
3127 </listitem>
3128 <listitem>
3129
3130 <para>
3131  The cons constructor (e.g <literal>3:4:[]</literal>)
3132 </para>
3133 </listitem>
3134 <listitem>
3135
3136 <para>
3137  <function>++</function>
3138 </para>
3139 </listitem>
3140
3141 <listitem>
3142 <para>
3143  <function>map</function>
3144 </para>
3145 </listitem>
3146
3147 <listitem>
3148 <para>
3149  <function>filter</function>
3150 </para>
3151 </listitem>
3152 <listitem>
3153
3154 <para>
3155  <function>iterate</function>, <function>repeat</function>
3156 </para>
3157 </listitem>
3158 <listitem>
3159
3160 <para>
3161  <function>zip</function>, <function>zipWith</function>
3162 </para>
3163 </listitem>
3164
3165 </itemizedlist>
3166
3167 </para>
3168
3169 <para>
3170 The following are good consumers:
3171
3172 <itemizedlist>
3173 <listitem>
3174
3175 <para>
3176  List comprehensions
3177 </para>
3178 </listitem>
3179 <listitem>
3180
3181 <para>
3182  <function>array</function> (on its second argument)
3183 </para>
3184 </listitem>
3185 <listitem>
3186
3187 <para>
3188  <function>length</function>
3189 </para>
3190 </listitem>
3191 <listitem>
3192
3193 <para>
3194  <function>++</function> (on its first argument)
3195 </para>
3196 </listitem>
3197
3198 <listitem>
3199 <para>
3200  <function>foldr</function>
3201 </para>
3202 </listitem>
3203
3204 <listitem>
3205 <para>
3206  <function>map</function>
3207 </para>
3208 </listitem>
3209 <listitem>
3210
3211 <para>
3212  <function>filter</function>
3213 </para>
3214 </listitem>
3215 <listitem>
3216
3217 <para>
3218  <function>concat</function>
3219 </para>
3220 </listitem>
3221 <listitem>
3222
3223 <para>
3224  <function>unzip</function>, <function>unzip2</function>, <function>unzip3</function>, <function>unzip4</function>
3225 </para>
3226 </listitem>
3227 <listitem>
3228
3229 <para>
3230  <function>zip</function>, <function>zipWith</function> (but on one argument only; if both are good producers, <function>zip</function>
3231 will fuse with one but not the other)
3232 </para>
3233 </listitem>
3234 <listitem>
3235
3236 <para>
3237  <function>partition</function>
3238 </para>
3239 </listitem>
3240 <listitem>
3241
3242 <para>
3243  <function>head</function>
3244 </para>
3245 </listitem>
3246 <listitem>
3247
3248 <para>
3249  <function>and</function>, <function>or</function>, <function>any</function>, <function>all</function>
3250 </para>
3251 </listitem>
3252 <listitem>
3253
3254 <para>
3255  <function>sequence&lowbar;</function>
3256 </para>
3257 </listitem>
3258 <listitem>
3259
3260 <para>
3261  <function>msum</function>
3262 </para>
3263 </listitem>
3264 <listitem>
3265
3266 <para>
3267  <function>sortBy</function>
3268 </para>
3269 </listitem>
3270
3271 </itemizedlist>
3272
3273 </para>
3274
3275 <para>
3276 So, for example, the following should generate no intermediate lists:
3277
3278 <programlisting>
3279 array (1,10) [(i,i*i) | i &#60;- map (+ 1) [0..9]]
3280 </programlisting>
3281
3282 </para>
3283
3284 <para>
3285 This list could readily be extended; if there are Prelude functions that you use
3286 a lot which are not included, please tell us.
3287 </para>
3288
3289 <para>
3290 If you want to write your own good consumers or producers, look at the
3291 Prelude definitions of the above functions to see how to do so.
3292 </para>
3293
3294 </sect2>
3295
3296 <sect2 id="rule-spec">
3297 <title>Specialisation
3298 </title>
3299
3300 <para>
3301 Rewrite rules can be used to get the same effect as a feature
3302 present in earlier version of GHC:
3303
3304 <programlisting>
3305   {-# SPECIALIZE fromIntegral :: Int8 -> Int16 = int8ToInt16 #-}
3306 </programlisting>
3307
3308 This told GHC to use <function>int8ToInt16</function> instead of <function>fromIntegral</function> whenever
3309 the latter was called with type <literal>Int8 -&gt; Int16</literal>.  That is, rather than
3310 specialising the original definition of <function>fromIntegral</function> the programmer is
3311 promising that it is safe to use <function>int8ToInt16</function> instead.
3312 </para>
3313
3314 <para>
3315 This feature is no longer in GHC.  But rewrite rules let you do the
3316 same thing:
3317
3318 <programlisting>
3319 {-# RULES
3320   "fromIntegral/Int8/Int16" fromIntegral = int8ToInt16
3321 #-}
3322 </programlisting>
3323
3324 This slightly odd-looking rule instructs GHC to replace <function>fromIntegral</function>
3325 by <function>int8ToInt16</function> <emphasis>whenever the types match</emphasis>.  Speaking more operationally,
3326 GHC adds the type and dictionary applications to get the typed rule
3327
3328 <programlisting>
3329 forall (d1::Integral Int8) (d2::Num Int16) .
3330         fromIntegral Int8 Int16 d1 d2 = int8ToInt16
3331 </programlisting>
3332
3333 What is more,
3334 this rule does not need to be in the same file as fromIntegral,
3335 unlike the <literal>SPECIALISE</literal> pragmas which currently do (so that they
3336 have an original definition available to specialise).
3337 </para>
3338
3339 </sect2>
3340
3341 <sect2>
3342 <title>Controlling what's going on</title>
3343
3344 <para>
3345
3346 <itemizedlist>
3347 <listitem>
3348
3349 <para>
3350  Use <option>-ddump-rules</option> to see what transformation rules GHC is using.
3351 </para>
3352 </listitem>
3353 <listitem>
3354
3355 <para>
3356  Use <option>-ddump-simpl-stats</option> to see what rules are being fired.
3357 If you add <option>-dppr-debug</option> you get a more detailed listing.
3358 </para>
3359 </listitem>
3360 <listitem>
3361
3362 <para>
3363  The defintion of (say) <function>build</function> in <FileName>PrelBase.lhs</FileName> looks llike this:
3364
3365 <programlisting>
3366         build   :: forall a. (forall b. (a -> b -> b) -> b -> b) -> [a]
3367         {-# INLINE build #-}
3368         build g = g (:) []
3369 </programlisting>
3370
3371 Notice the <literal>INLINE</literal>!  That prevents <literal>(:)</literal> from being inlined when compiling
3372 <literal>PrelBase</literal>, so that an importing module will &ldquo;see&rdquo; the <literal>(:)</literal>, and can
3373 match it on the LHS of a rule.  <literal>INLINE</literal> prevents any inlining happening
3374 in the RHS of the <literal>INLINE</literal> thing.  I regret the delicacy of this.
3375
3376 </para>
3377 </listitem>
3378 <listitem>
3379
3380 <para>
3381  In <filename>ghc/lib/std/PrelBase.lhs</filename> look at the rules for <function>map</function> to
3382 see how to write rules that will do fusion and yet give an efficient
3383 program even if fusion doesn't happen.  More rules in <filename>PrelList.lhs</filename>.
3384 </para>
3385 </listitem>
3386
3387 </itemizedlist>
3388
3389 </para>
3390
3391 </sect2>
3392
3393 </sect1>
3394
3395 <sect1 id="generic-classes">
3396 <title>Generic classes</title>
3397
3398     <para>(Note: support for generic classes is currently broken in
3399     GHC 5.02).</para>
3400
3401 <para>
3402 The ideas behind this extension are described in detail in "Derivable type classes",
3403 Ralf Hinze and Simon Peyton Jones, Haskell Workshop, Montreal Sept 2000, pp94-105.
3404 An example will give the idea:
3405 </para>
3406
3407 <programlisting>
3408   import Generics
3409
3410   class Bin a where
3411     toBin   :: a -> [Int]
3412     fromBin :: [Int] -> (a, [Int])
3413   
3414     toBin {| Unit |}    Unit      = []
3415     toBin {| a :+: b |} (Inl x)   = 0 : toBin x
3416     toBin {| a :+: b |} (Inr y)   = 1 : toBin y
3417     toBin {| a :*: b |} (x :*: y) = toBin x ++ toBin y
3418   
3419     fromBin {| Unit |}    bs      = (Unit, bs)
3420     fromBin {| a :+: b |} (0:bs)  = (Inl x, bs')    where (x,bs') = fromBin bs
3421     fromBin {| a :+: b |} (1:bs)  = (Inr y, bs')    where (y,bs') = fromBin bs
3422     fromBin {| a :*: b |} bs      = (x :*: y, bs'') where (x,bs' ) = fromBin bs
3423                                                           (y,bs'') = fromBin bs'
3424 </programlisting>
3425 <para>
3426 This class declaration explains how <literal>toBin</literal> and <literal>fromBin</literal>
3427 work for arbitrary data types.  They do so by giving cases for unit, product, and sum,
3428 which are defined thus in the library module <literal>Generics</literal>:
3429 </para>
3430 <programlisting>
3431   data Unit    = Unit
3432   data a :+: b = Inl a | Inr b
3433   data a :*: b = a :*: b
3434 </programlisting>
3435 <para>
3436 Now you can make a data type into an instance of Bin like this:
3437 <programlisting>
3438   instance (Bin a, Bin b) => Bin (a,b)
3439   instance Bin a => Bin [a]
3440 </programlisting>
3441 That is, just leave off the "where" clasuse.  Of course, you can put in the
3442 where clause and over-ride whichever methods you please.
3443 </para>
3444
3445     <sect2>
3446       <title> Using generics </title>
3447       <para>To use generics you need to</para>
3448       <itemizedlist>
3449         <listitem>
3450           <para>Use the flags <option>-fglasgow-exts</option> (to enable the extra syntax), 
3451                 <option>-fgenerics</option> (to generate extra per-data-type code),
3452                 and <option>-package lang</option> (to make the <literal>Generics</literal> library
3453                 available.  </para>
3454         </listitem>
3455         <listitem>
3456           <para>Import the module <literal>Generics</literal> from the
3457           <literal>lang</literal> package.  This import brings into
3458           scope the data types <literal>Unit</literal>,
3459           <literal>:*:</literal>, and <literal>:+:</literal>.  (You
3460           don't need this import if you don't mention these types
3461           explicitly; for example, if you are simply giving instance
3462           declarations.)</para>
3463         </listitem>
3464       </itemizedlist>
3465     </sect2>
3466
3467 <sect2> <title> Changes wrt the paper </title>
3468 <para>
3469 Note that the type constructors <literal>:+:</literal> and <literal>:*:</literal> 
3470 can be written infix (indeed, you can now use
3471 any operator starting in a colon as an infix type constructor).  Also note that
3472 the type constructors are not exactly as in the paper (Unit instead of 1, etc).
3473 Finally, note that the syntax of the type patterns in the class declaration
3474 uses "<literal>{|</literal>" and "<literal>|}</literal>" brackets; curly braces
3475 alone would ambiguous when they appear on right hand sides (an extension we 
3476 anticipate wanting).
3477 </para>
3478 </sect2>
3479
3480 <sect2> <title>Terminology and restrictions</title>
3481 <para>
3482 Terminology.  A "generic default method" in a class declaration
3483 is one that is defined using type patterns as above.
3484 A "polymorphic default method" is a default method defined as in Haskell 98.
3485 A "generic class declaration" is a class declaration with at least one
3486 generic default method.
3487 </para>
3488
3489 <para>
3490 Restrictions:
3491 <itemizedlist>
3492 <listitem>
3493 <para>
3494 Alas, we do not yet implement the stuff about constructor names and 
3495 field labels.
3496 </para>
3497 </listitem>
3498
3499 <listitem>
3500 <para>
3501 A generic class can have only one parameter; you can't have a generic
3502 multi-parameter class.
3503 </para>
3504 </listitem>
3505
3506 <listitem>
3507 <para>
3508 A default method must be defined entirely using type patterns, or entirely
3509 without.  So this is illegal:
3510 <programlisting>
3511   class Foo a where
3512     op :: a -> (a, Bool)
3513     op {| Unit |} Unit = (Unit, True)
3514     op x               = (x,    False)
3515 </programlisting>
3516 However it is perfectly OK for some methods of a generic class to have 
3517 generic default methods and others to have polymorphic default methods.
3518 </para>
3519 </listitem>
3520
3521 <listitem>
3522 <para>
3523 The type variable(s) in the type pattern for a generic method declaration
3524 scope over the right hand side.  So this is legal (note the use of the type variable ``p'' in a type signature on the right hand side:
3525 <programlisting>
3526   class Foo a where
3527     op :: a -> Bool
3528     op {| p :*: q |} (x :*: y) = op (x :: p)
3529     ...
3530 </programlisting>
3531 </para>
3532 </listitem>
3533
3534 <listitem>
3535 <para>
3536 The type patterns in a generic default method must take one of the forms:
3537 <programlisting>
3538        a :+: b
3539        a :*: b
3540        Unit
3541 </programlisting>
3542 where "a" and "b" are type variables.  Furthermore, all the type patterns for
3543 a single type constructor (<literal>:*:</literal>, say) must be identical; they
3544 must use the same type variables.  So this is illegal:
3545 <programlisting>
3546   class Foo a where
3547     op :: a -> Bool
3548     op {| a :+: b |} (Inl x) = True
3549     op {| p :+: q |} (Inr y) = False
3550 </programlisting>
3551 The type patterns must be identical, even in equations for different methods of the class.
3552 So this too is illegal:
3553 <programlisting>
3554   class Foo a where
3555     op1 :: a -> Bool
3556     op1 {| a :*: b |} (x :*: y) = True
3557
3558     op2 :: a -> Bool
3559     op2 {| p :*: q |} (x :*: y) = False
3560 </programlisting>
3561 (The reason for this restriction is that we gather all the equations for a particular type consructor
3562 into a single generic instance declaration.)
3563 </para>
3564 </listitem>
3565
3566 <listitem>
3567 <para>
3568 A generic method declaration must give a case for each of the three type constructors.
3569 </para>
3570 </listitem>
3571
3572 <listitem>
3573 <para>
3574 The type for a generic method can be built only from:
3575   <itemizedlist>
3576   <listitem> <para> Function arrows </para> </listitem>
3577   <listitem> <para> Type variables </para> </listitem>
3578   <listitem> <para> Tuples </para> </listitem>
3579   <listitem> <para> Arbitrary types not involving type variables </para> </listitem>
3580   </itemizedlist>
3581 Here are some example type signatures for generic methods:
3582 <programlisting>
3583     op1 :: a -> Bool
3584     op2 :: Bool -> (a,Bool)
3585     op3 :: [Int] -> a -> a
3586     op4 :: [a] -> Bool
3587 </programlisting>
3588 Here, op1, op2, op3 are OK, but op4 is rejected, because it has a type variable
3589 inside a list.  
3590 </para>
3591 <para>
3592 This restriction is an implementation restriction: we just havn't got around to
3593 implementing the necessary bidirectional maps over arbitrary type constructors.
3594 It would be relatively easy to add specific type constructors, such as Maybe and list,
3595 to the ones that are allowed.</para>
3596 </listitem>
3597
3598 <listitem>
3599 <para>
3600 In an instance declaration for a generic class, the idea is that the compiler
3601 will fill in the methods for you, based on the generic templates.  However it can only
3602 do so if
3603   <itemizedlist>
3604   <listitem>
3605   <para>
3606   The instance type is simple (a type constructor applied to type variables, as in Haskell 98).
3607   </para>
3608   </listitem>
3609   <listitem>
3610   <para>
3611   No constructor of the instance type has unboxed fields.
3612   </para>
3613   </listitem>
3614   </itemizedlist>
3615 (Of course, these things can only arise if you are already using GHC extensions.)
3616 However, you can still give an instance declarations for types which break these rules,
3617 provided you give explicit code to override any generic default methods.
3618 </para>
3619 </listitem>
3620
3621 </itemizedlist>
3622 </para>
3623
3624 <para>
3625 The option <option>-ddump-deriv</option> dumps incomprehensible stuff giving details of 
3626 what the compiler does with generic declarations.
3627 </para>
3628
3629 </sect2>
3630
3631 <sect2> <title> Another example </title>
3632 <para>
3633 Just to finish with, here's another example I rather like:
3634 <programlisting>
3635   class Tag a where
3636     nCons :: a -> Int
3637     nCons {| Unit |}    _ = 1
3638     nCons {| a :*: b |} _ = 1
3639     nCons {| a :+: b |} _ = nCons (bot::a) + nCons (bot::b)
3640   
3641     tag :: a -> Int
3642     tag {| Unit |}    _       = 1
3643     tag {| a :*: b |} _       = 1   
3644     tag {| a :+: b |} (Inl x) = tag x
3645     tag {| a :+: b |} (Inr y) = nCons (bot::a) + tag y
3646 </programlisting>
3647 </para>
3648 </sect2>
3649 </sect1>
3650
3651 <sect1 id="newtype-deriving">
3652 <title>Generalised derived instances for newtypes</title>
3653
3654 <para>
3655 When you define an abstract type using <literal>newtype</literal>, you may want
3656 the new type to inherit some instances from its representation. In
3657 Haskell 98, you can inherit instances of <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
3658 <literal>Enum</literal> and <literal>Bounded</literal> by deriving them, but for any
3659 other classes you have to write an explicit instance declaration. For
3660 example, if you define
3661
3662 <programlisting> 
3663   newtype Dollars = Dollars Int 
3664 </programlisting> 
3665
3666 and you want to use arithmetic on <literal>Dollars</literal>, you have to
3667 explicitly define an instance of <literal>Num</literal>:
3668
3669 <programlisting> 
3670   instance Num Dollars where
3671     Dollars a + Dollars b = Dollars (a+b)
3672     ...
3673 </programlisting>
3674 All the instance does is apply and remove the <literal>newtype</literal>
3675 constructor. It is particularly galling that, since the constructor
3676 doesn't appear at run-time, this instance declaration defines a
3677 dictionary which is <emphasis>wholly equivalent</emphasis> to the <literal>Int</literal>
3678 dictionary, only slower!
3679 </para>
3680
3681 <sect2> <title> Generalising the deriving clause </title>
3682 <para>
3683 GHC now permits such instances to be derived instead, so one can write 
3684 <programlisting> 
3685   newtype Dollars = Dollars Int deriving (Eq,Show,Num)
3686 </programlisting> 
3687
3688 and the implementation uses the <emphasis>same</emphasis> <literal>Num</literal> dictionary
3689 for <literal>Dollars</literal> as for <literal>Int</literal>. Notionally, the compiler
3690 derives an instance declaration of the form
3691
3692 <programlisting> 
3693   instance Num Int => Num Dollars
3694 </programlisting> 
3695
3696 which just adds or removes the <literal>newtype</literal> constructor according to the type.
3697 </para>
3698 <para>
3699
3700 We can also derive instances of constructor classes in a similar
3701 way. For example, suppose we have implemented state and failure monad
3702 transformers, such that
3703
3704 <programlisting> 
3705   instance Monad m => Monad (State s m) 
3706   instance Monad m => Monad (Failure m)
3707 </programlisting> 
3708 In Haskell 98, we can define a parsing monad by 
3709 <programlisting> 
3710   type Parser tok m a = State [tok] (Failure m) a
3711 </programlisting> 
3712
3713 which is automatically a monad thanks to the instance declarations
3714 above. With the extension, we can make the parser type abstract,
3715 without needing to write an instance of class <literal>Monad</literal>, via
3716
3717 <programlisting> 
3718   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3719                          deriving Monad
3720 </programlisting>
3721 In this case the derived instance declaration is of the form 
3722 <programlisting> 
3723   instance Monad (State [tok] (Failure m)) => Monad (Parser tok m) 
3724 </programlisting> 
3725
3726 Notice that, since <literal>Monad</literal> is a constructor class, the
3727 instance is a <emphasis>partial application</emphasis> of the new type, not the
3728 entire left hand side. We can imagine that the type declaration is
3729 ``eta-converted'' to generate the context of the instance
3730 declaration.
3731 </para>
3732 <para>
3733
3734 We can even derive instances of multi-parameter classes, provided the
3735 newtype is the last class parameter. In this case, a ``partial
3736 application'' of the class appears in the <literal>deriving</literal>
3737 clause. For example, given the class
3738
3739 <programlisting> 
3740   class StateMonad s m | m -> s where ... 
3741   instance Monad m => StateMonad s (State s m) where ... 
3742 </programlisting> 
3743 then we can derive an instance of <literal>StateMonad</literal> for <literal>Parser</literal>s by 
3744 <programlisting> 
3745   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3746                          deriving (Monad, StateMonad [tok])
3747 </programlisting>
3748
3749 The derived instance is obtained by completing the application of the
3750 class to the new type:
3751
3752 <programlisting> 
3753   instance StateMonad [tok] (State [tok] (Failure m)) =>
3754            StateMonad [tok] (Parser tok m)
3755 </programlisting>
3756 </para>
3757 <para>
3758
3759 As a result of this extension, all derived instances in newtype
3760 declarations are treated uniformly (and implemented just by reusing
3761 the dictionary for the representation type), <emphasis>except</emphasis>
3762 <literal>Show</literal> and <literal>Read</literal>, which really behave differently for
3763 the newtype and its representation.
3764 </para>
3765 </sect2>
3766
3767 <sect2> <title> A more precise specification </title>
3768 <para>
3769 Derived instance declarations are constructed as follows. Consider the
3770 declaration (after expansion of any type synonyms)
3771
3772 <programlisting> 
3773   newtype T v1...vn = T' (S t1...tk vk+1...vn) deriving (c1...cm) 
3774 </programlisting> 
3775
3776 where <literal>S</literal> is a type constructor, <literal>t1...tk</literal> are 
3777 types,
3778 <literal>vk+1...vn</literal> are type variables which do not occur in any of
3779 the <literal>ti</literal>, and the <literal>ci</literal> are partial applications of
3780 classes of the form <literal>C t1'...tj'</literal>.  The derived instance
3781 declarations are, for each <literal>ci</literal>,
3782
3783 <programlisting> 
3784   instance ci (S t1...tk vk+1...v) => ci (T v1...vp)
3785 </programlisting>
3786 where <literal>p</literal> is chosen so that <literal>T v1...vp</literal> is of the 
3787 right <emphasis>kind</emphasis> for the last parameter of class <literal>Ci</literal>.
3788 </para>
3789 <para>
3790
3791 As an example which does <emphasis>not</emphasis> work, consider 
3792 <programlisting> 
3793   newtype NonMonad m s = NonMonad (State s m s) deriving Monad 
3794 </programlisting> 
3795 Here we cannot derive the instance 
3796 <programlisting> 
3797   instance Monad (State s m) => Monad (NonMonad m) 
3798 </programlisting> 
3799
3800 because the type variable <literal>s</literal> occurs in <literal>State s m</literal>,
3801 and so cannot be "eta-converted" away. It is a good thing that this
3802 <literal>deriving</literal> clause is rejected, because <literal>NonMonad m</literal> is
3803 not, in fact, a monad --- for the same reason. Try defining
3804 <literal>>>=</literal> with the correct type: you won't be able to.
3805 </para>
3806 <para>
3807
3808 Notice also that the <emphasis>order</emphasis> of class parameters becomes
3809 important, since we can only derive instances for the last one. If the
3810 <literal>StateMonad</literal> class above were instead defined as
3811
3812 <programlisting> 
3813   class StateMonad m s | m -> s where ... 
3814 </programlisting>
3815
3816 then we would not have been able to derive an instance for the
3817 <literal>Parser</literal> type above. We hypothesise that multi-parameter
3818 classes usually have one "main" parameter for which deriving new
3819 instances is most interesting.
3820 </para>
3821 </sect2>
3822 </sect1>
3823
3824
3825
3826 <!-- Emacs stuff:
3827      ;;; Local Variables: ***
3828      ;;; mode: sgml ***
3829      ;;; sgml-parent-document: ("users_guide.sgml" "book" "chapter" "sect1") ***
3830      ;;; End: ***
3831  -->