20d164d16f428646af963dc192827b89b6ab64a6
[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>Local universal quantification:</term>
64             <listitem>
65               <para><xref LinkEnd="universal-quantification"></para>
66             </listitem>
67           </varlistentry>
68
69           <varlistentry>
70             <term>Extistentially quantification in data types:</term>
71             <listitem>
72               <para><xref LinkEnd="existential-quantification"></para>
73             </listitem>
74           </varlistentry>
75
76           <varlistentry>
77             <term>Scoped type variables:</term>
78             <listitem>
79               <para>Scoped type variables enable the programmer to
80               supply type signatures for some nested declarations,
81               where this would not be legal in Haskell 98.  Details in
82               <xref LinkEnd="scoped-type-variables">.</para>
83             </listitem>
84           </varlistentry>
85         </variablelist>
86       </listitem>
87     </varlistentry>
88
89     <varlistentry>
90       <term>Pattern guards</term>
91       <listitem>
92         <para>Instead of being a boolean expression, a guard is a list
93         of qualifiers, exactly as in a list comprehension. See <xref
94         LinkEnd="pattern-guards">.</para>
95       </listitem>
96     </varlistentry>
97
98     <varlistentry>
99       <term>Data types with no constructors</term>
100       <listitem>
101         <para>See <xref LinkEnd="nullary-types">.</para>
102       </listitem>
103     </varlistentry>
104
105     <varlistentry>
106       <term>Parallel list comprehensions</term>
107       <listitem>
108         <para>An extension to the list comprehension syntax to support
109         <literal>zipWith</literal>-like functionality.  See <xref
110         linkend="parallel-list-comprehensions">.</para>
111       </listitem>
112     </varlistentry>
113
114     <varlistentry>
115       <term>Foreign calling:</term>
116       <listitem>
117         <para>Just what it sounds like.  We provide
118         <emphasis>lots</emphasis> of rope that you can dangle around
119         your neck.  Please see <xref LinkEnd="ffi">.</para>
120       </listitem>
121     </varlistentry>
122
123     <varlistentry>
124       <term>Pragmas</term>
125       <listitem>
126         <para>Pragmas are special instructions to the compiler placed
127         in the source file.  The pragmas GHC supports are described in
128         <xref LinkEnd="pragmas">.</para>
129       </listitem>
130     </varlistentry>
131
132     <varlistentry>
133       <term>Rewrite rules:</term>
134       <listitem>
135         <para>The programmer can specify rewrite rules as part of the
136         source program (in a pragma).  GHC applies these rewrite rules
137         wherever it can.  Details in <xref
138         LinkEnd="rewrite-rules">.</para>
139       </listitem>
140     </varlistentry>
141
142     <varlistentry>
143       <term>Generic classes:</term>
144       <listitem>
145         <para>(Note: support for generic classes is currently broken
146         in GHC 5.02).</para>
147
148         <para>Generic class declarations allow you to define a class
149         whose methods say how to work over an arbitrary data type.
150         Then it's really easy to make any new type into an instance of
151         the class.  This generalises the rather ad-hoc "deriving"
152         feature of Haskell 98.  Details in <xref
153         LinkEnd="generic-classes">.</para>
154       </listitem>
155     </varlistentry>
156   </variablelist>
157
158 <para>
159 Before you get too carried away working at the lowest level (e.g.,
160 sloshing <literal>MutableByteArray&num;</literal>s around your
161 program), you may wish to check if there are libraries that provide a
162 &ldquo;Haskellised veneer&rdquo; over the features you want.  See
163 <xref linkend="book-hslibs">.
164 </para>
165
166   <sect1 id="options-language">
167     <title>Language options</title>
168
169     <indexterm><primary>language</primary><secondary>option</secondary>
170     </indexterm>
171     <indexterm><primary>options</primary><secondary>language</secondary>
172     </indexterm>
173     <indexterm><primary>extensions</primary><secondary>options controlling</secondary>
174     </indexterm>
175
176     <para> These flags control what variation of the language are
177     permitted.  Leaving out all of them gives you standard Haskell
178     98.</para>
179
180     <variablelist>
181
182       <varlistentry>
183         <term><option>-fglasgow-exts</option>:</term>
184         <indexterm><primary><option>-fglasgow-exts</option></primary></indexterm>
185         <listitem>
186           <para>This simultaneously enables all of the extensions to
187           Haskell 98 described in <xref
188           linkend="ghc-language-features">, except where otherwise
189           noted. </para>
190         </listitem>
191       </varlistentry>
192
193       <varlistentry>
194         <term><option>-fno-monomorphism-restriction</option>:</term>
195         <indexterm><primary><option>-fno-monomorphism-restriction</option></primary></indexterm>
196         <listitem>
197           <para> Switch off the Haskell 98 monomorphism restriction.
198           Independent of the <option>-fglasgow-exts</option>
199           flag. </para>
200         </listitem>
201       </varlistentry>
202
203       <varlistentry>
204         <term><option>-fallow-overlapping-instances</option></term>
205         <term><option>-fallow-undecidable-instances</option></term>
206         <term><option>-fcontext-stack</option></term>
207         <indexterm><primary><option>-fallow-overlapping-instances</option></primary></indexterm>
208         <indexterm><primary><option>-fallow-undecidable-instances</option></primary></indexterm>
209         <indexterm><primary><option>-fcontext-stack</option></primary></indexterm>
210         <listitem>
211           <para> See <xref LinkEnd="instance-decls">.  Only relevant
212           if you also use <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
213         </listitem>
214       </varlistentry>
215
216       <varlistentry>
217         <term><option>-finline-phase</option></term>
218         <indexterm><primary><option>-finline-phase</option></primary></indexterm>
219         <listitem>
220           <para>See <xref LinkEnd="rewrite-rules">.  Only relevant if
221           you also use <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
222         </listitem>
223       </varlistentry>
224
225       <varlistentry>
226         <term><option>-fgenerics</option></term>
227         <indexterm><primary><option>-fgenerics</option></primary></indexterm>
228         <listitem>
229           <para>See <xref LinkEnd="generic-classes">.  Independent of
230           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
231         </listitem>
232       </varlistentry>
233
234         <varlistentry>
235           <term><option>-fno-implicit-prelude</option></term>
236           <listitem>
237             <para><indexterm><primary>-fno-implicit-prelude
238             option</primary></indexterm> GHC normally imports
239             <filename>Prelude.hi</filename> files for you.  If you'd
240             rather it didn't, then give it a
241             <option>-fno-implicit-prelude</option> option.  The idea
242             is that you can then import a Prelude of your own.  (But
243             don't call it <literal>Prelude</literal>; the Haskell
244             module namespace is flat, and you must not conflict with
245             any Prelude module.)</para>
246
247             <para>Even though you have not imported the Prelude, all
248             the built-in syntax still refers to the built-in Haskell
249             Prelude types and values, as specified by the Haskell
250             Report.  For example, the type <literal>[Int]</literal>
251             still means <literal>Prelude.[] Int</literal>; tuples
252             continue to refer to the standard Prelude tuples; the
253             translation for list comprehensions continues to use
254             <literal>Prelude.map</literal> etc.</para>
255
256             <para> With one group of exceptions!  You may want to
257             define your own numeric class hierarchy.  It completely
258             defeats that purpose if the literal "1" means
259             "<literal>Prelude.fromInteger 1</literal>", which is what
260             the Haskell Report specifies.  So the
261             <option>-fno-implicit-prelude</option> flag causes the
262             following pieces of built-in syntax to refer to <emphasis>whatever
263             is in scope</emphasis>, not the Prelude versions:</para>
264
265             <itemizedlist>
266               <listitem>
267                 <para>Integer and fractional literals mean
268                 "<literal>fromInteger 1</literal>" and
269                 "<literal>fromRational 3.2</literal>", not the
270                 Prelude-qualified versions; both in expressions and in
271                 patterns.</para>
272               </listitem>
273
274               <listitem>
275                 <para>Negation (e.g. "<literal>- (f x)</literal>")
276                 means "<literal>negate (f x)</literal>" (not
277                 <literal>Prelude.negate</literal>).</para>
278               </listitem>
279
280               <listitem>
281                 <para>In an n+k pattern, the standard Prelude
282                 <literal>Ord</literal> class is still used for comparison,
283                 but the necessary subtraction uses whatever
284                 "<literal>(-)</literal>" is in scope (not
285                 "<literal>Prelude.(-)</literal>").</para>
286               </listitem>
287             </itemizedlist>
288
289              <para>Note: Negative literals, such as <literal>-3</literal>, are
290              specified by (a careful reading of) the Haskell Report as 
291              meaning <literal>Prelude.negate (Prelude.fromInteger 3)</literal>.
292              However, GHC deviates from this slightly, and treats them as meaning
293              <literal>fromInteger (-3)</literal>.  One particular effect of this
294              slightly-non-standard reading is that there is no difficulty with
295              the literal <literal>-2147483648</literal> at type <literal>Int</literal>;
296              it means <literal>fromInteger (-2147483648)</literal>.  The strict interpretation
297              would be <literal>negate (fromInteger 2147483648)</literal>,
298              and the call to <literal>fromInteger</literal> would overflow
299              (at type <literal>Int</literal>, remember).
300              </para>
301
302           </listitem>
303         </varlistentry>
304
305     </variablelist>
306   </sect1>
307
308 <!-- UNBOXED TYPES AND PRIMITIVE OPERATIONS -->
309 &primitives;
310
311 <sect1 id="glasgow-ST-monad">
312 <title>Primitive state-transformer monad</title>
313
314 <para>
315 <indexterm><primary>state transformers (Glasgow extensions)</primary></indexterm>
316 <indexterm><primary>ST monad (Glasgow extension)</primary></indexterm>
317 </para>
318
319 <para>
320 This monad underlies our implementation of arrays, mutable and
321 immutable, and our implementation of I/O, including &ldquo;C calls&rdquo;.
322 </para>
323
324 <para>
325 The <literal>ST</literal> library, which provides access to the
326 <function>ST</function> monad, is described in <xref
327 linkend="sec-ST">.
328 </para>
329
330 </sect1>
331
332 <sect1 id="glasgow-prim-arrays">
333 <title>Primitive arrays, mutable and otherwise
334 </title>
335
336 <para>
337 <indexterm><primary>primitive arrays (Glasgow extension)</primary></indexterm>
338 <indexterm><primary>arrays, primitive (Glasgow extension)</primary></indexterm>
339 </para>
340
341 <para>
342 GHC knows about quite a few flavours of Large Swathes of Bytes.
343 </para>
344
345 <para>
346 First, GHC distinguishes between primitive arrays of (boxed) Haskell
347 objects (type <literal>Array&num; obj</literal>) and primitive arrays of bytes (type
348 <literal>ByteArray&num;</literal>).
349 </para>
350
351 <para>
352 Second, it distinguishes between&hellip;
353 <variablelist>
354
355 <varlistentry>
356 <term>Immutable:</term>
357 <listitem>
358 <para>
359 Arrays that do not change (as with &ldquo;standard&rdquo; Haskell arrays); you
360 can only read from them.  Obviously, they do not need the care and
361 attention of the state-transformer monad.
362 </para>
363 </listitem>
364 </varlistentry>
365 <varlistentry>
366 <term>Mutable:</term>
367 <listitem>
368 <para>
369 Arrays that may be changed or &ldquo;mutated.&rdquo;  All the operations on them
370 live within the state-transformer monad and the updates happen
371 <emphasis>in-place</emphasis>.
372 </para>
373 </listitem>
374 </varlistentry>
375 <varlistentry>
376 <term>&ldquo;Static&rdquo; (in C land):</term>
377 <listitem>
378 <para>
379 A C routine may pass an <literal>Addr&num;</literal> pointer back into Haskell land.  There
380 are then primitive operations with which you may merrily grab values
381 over in C land, by indexing off the &ldquo;static&rdquo; pointer.
382 </para>
383 </listitem>
384 </varlistentry>
385 <varlistentry>
386 <term>&ldquo;Stable&rdquo; pointers:</term>
387 <listitem>
388 <para>
389 If, for some reason, you wish to hand a Haskell pointer (i.e.,
390 <emphasis>not</emphasis> an unboxed value) to a C routine, you first make the
391 pointer &ldquo;stable,&rdquo; so that the garbage collector won't forget that it
392 exists.  That is, GHC provides a safe way to pass Haskell pointers to
393 C.
394 </para>
395
396 <para>
397 Please see <xref LinkEnd="sec-stable-pointers"> for more details.
398 </para>
399 </listitem>
400 </varlistentry>
401 <varlistentry>
402 <term>&ldquo;Foreign objects&rdquo;:</term>
403 <listitem>
404 <para>
405 A &ldquo;foreign object&rdquo; is a safe way to pass an external object (a
406 C-allocated pointer, say) to Haskell and have Haskell do the Right
407 Thing when it no longer references the object.  So, for example, C
408 could pass a large bitmap over to Haskell and say &ldquo;please free this
409 memory when you're done with it.&rdquo;
410 </para>
411
412 <para>
413 Please see <xref LinkEnd="sec-ForeignObj"> for more details.
414 </para>
415 </listitem>
416 </varlistentry>
417 </variablelist>
418 </para>
419
420 <para>
421 The libraries documentatation gives more details on all these
422 &ldquo;primitive array&rdquo; types and the operations on them.
423 </para>
424
425 </sect1>
426
427
428 <sect1 id="nullary-types">
429 <title>Data types with no constructors</title>
430
431 <para>With the <option>-fglasgow-exts</option> flag, GHC lets you declare
432 a data type with no constructors.  For example:</para>
433 <programlisting>
434   data S      -- S :: *
435   data T a    -- T :: * -> *
436 </programlisting>
437 <para>Syntactically, the declaration lacks the "= constrs" part.  The 
438 type can be parameterised, but only over ordinary types, of kind *; since
439 Haskell does not have kind signatures, you cannot parameterise over higher-kinded
440 types.</para>
441
442 <para>Such data types have only one value, namely bottom.
443 Nevertheless, they can be useful when defining "phantom types".</para>
444 </sect1>
445
446 <sect1 id="pattern-guards">
447 <title>Pattern guards</title>
448
449 <para>
450 <indexterm><primary>Pattern guards (Glasgow extension)</primary></indexterm>
451 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.)
452 </para>
453
454 <para>
455 Suppose we have an abstract data type of finite maps, with a
456 lookup operation:
457
458 <programlisting>
459 lookup :: FiniteMap -> Int -> Maybe Int
460 </programlisting>
461
462 The lookup returns <function>Nothing</function> if the supplied key is not in the domain of the mapping, and <function>(Just v)</function> otherwise,
463 where <VarName>v</VarName> is the value that the key maps to.  Now consider the following definition:
464 </para>
465
466 <programlisting>
467 clunky env var1 var2 | ok1 && ok2 = val1 + val2
468 | otherwise  = var1 + var2
469 where
470   m1 = lookup env var1
471   m2 = lookup env var2
472   ok1 = maybeToBool m1
473   ok2 = maybeToBool m2
474   val1 = expectJust m1
475   val2 = expectJust m2
476 </programlisting>
477
478 <para>
479 The auxiliary functions are 
480 </para>
481
482 <programlisting>
483 maybeToBool :: Maybe a -&gt; Bool
484 maybeToBool (Just x) = True
485 maybeToBool Nothing  = False
486
487 expectJust :: Maybe a -&gt; a
488 expectJust (Just x) = x
489 expectJust Nothing  = error "Unexpected Nothing"
490 </programlisting>
491
492 <para>
493 What is <function>clunky</function> doing? The guard <literal>ok1 &&
494 ok2</literal> checks that both lookups succeed, using
495 <function>maybeToBool</function> to convert the <function>Maybe</function>
496 types to booleans. The (lazily evaluated) <function>expectJust</function>
497 calls extract the values from the results of the lookups, and binds the
498 returned values to <VarName>val1</VarName> and <VarName>val2</VarName>
499 respectively.  If either lookup fails, then clunky takes the
500 <literal>otherwise</literal> case and returns the sum of its arguments.
501 </para>
502
503 <para>
504 This is certainly legal Haskell, but it is a tremendously verbose and
505 un-obvious way to achieve the desired effect.  Arguably, a more direct way
506 to write clunky would be to use case expressions:
507 </para>
508
509 <programlisting>
510 clunky env var1 var1 = case lookup env var1 of
511   Nothing -&gt; fail
512   Just val1 -&gt; case lookup env var2 of
513     Nothing -&gt; fail
514     Just val2 -&gt; val1 + val2
515 where
516   fail = val1 + val2
517 </programlisting>
518
519 <para>
520 This is a bit shorter, but hardly better.  Of course, we can rewrite any set
521 of pattern-matching, guarded equations as case expressions; that is
522 precisely what the compiler does when compiling equations! The reason that
523 Haskell provides guarded equations is because they allow us to write down
524 the cases we want to consider, one at a time, independently of each other. 
525 This structure is hidden in the case version.  Two of the right-hand sides
526 are really the same (<function>fail</function>), and the whole expression
527 tends to become more and more indented. 
528 </para>
529
530 <para>
531 Here is how I would write clunky:
532 </para>
533
534 <programlisting>
535 clunky env var1 var1
536   | Just val1 &lt;- lookup env var1
537   , Just val2 &lt;- lookup env var2
538   = val1 + val2
539 ...other equations for clunky...
540 </programlisting>
541
542 <para>
543 The semantics should be clear enough.  The qualifers are matched in order. 
544 For a <literal>&lt;-</literal> qualifier, which I call a pattern guard, the
545 right hand side is evaluated and matched against the pattern on the left. 
546 If the match fails then the whole guard fails and the next equation is
547 tried.  If it succeeds, then the appropriate binding takes place, and the
548 next qualifier is matched, in the augmented environment.  Unlike list
549 comprehensions, however, the type of the expression to the right of the
550 <literal>&lt;-</literal> is the same as the type of the pattern to its
551 left.  The bindings introduced by pattern guards scope over all the
552 remaining guard qualifiers, and over the right hand side of the equation.
553 </para>
554
555 <para>
556 Just as with list comprehensions, boolean expressions can be freely mixed
557 with among the pattern guards.  For example:
558 </para>
559
560 <programlisting>
561 f x | [y] <- x
562     , y > 3
563     , Just z <- h y
564     = ...
565 </programlisting>
566
567 <para>
568 Haskell's current guards therefore emerge as a special case, in which the
569 qualifier list has just one element, a boolean expression.
570 </para>
571 </sect1>
572
573   <sect1 id="parallel-list-comprehensions">
574     <title>Parallel List Comprehensions</title>
575     <indexterm><primary>list comprehensions</primary><secondary>parallel</secondary>
576     </indexterm>
577     <indexterm><primary>parallel list comprehensions</primary>
578     </indexterm>
579
580     <para>Parallel list comprehensions are a natural extension to list
581     comprehensions.  List comprehensions can be thought of as a nice
582     syntax for writing maps and filters.  Parallel comprehensions
583     extend this to include the zipWith family.</para>
584
585     <para>A parallel list comprehension has multiple independent
586     branches of qualifier lists, each separated by a `|' symbol.  For
587     example, the following zips together two lists:</para>
588
589 <programlisting>
590    [ (x, y) | x <- xs | y <- ys ] 
591 </programlisting>
592
593     <para>The behavior of parallel list comprehensions follows that of
594     zip, in that the resulting list will have the same length as the
595     shortest branch.</para>
596
597     <para>We can define parallel list comprehensions by translation to
598     regular comprehensions.  Here's the basic idea:</para>
599
600     <para>Given a parallel comprehension of the form: </para>
601
602 <programlisting>
603    [ e | p1 <- e11, p2 <- e12, ... 
604        | q1 <- e21, q2 <- e22, ... 
605        ... 
606    ] 
607 </programlisting>
608
609     <para>This will be translated to: </para>
610
611 <programlisting>
612    [ e | ((p1,p2), (q1,q2), ...) <- zipN [(p1,p2) | p1 <- e11, p2 <- e12, ...] 
613                                          [(q1,q2) | q1 <- e21, q2 <- e22, ...] 
614                                          ... 
615    ] 
616 </programlisting>
617
618     <para>where `zipN' is the appropriate zip for the given number of
619     branches.</para>
620
621   </sect1>
622
623 <sect1 id="multi-param-type-classes">
624 <title>Multi-parameter type classes
625 </title>
626
627 <para>
628 This section documents GHC's implementation of multi-parameter type
629 classes.  There's lots of background in the paper <ULink
630 URL="http://research.microsoft.com/~simonpj/multi.ps.gz" >Type
631 classes: exploring the design space</ULink > (Simon Peyton Jones, Mark
632 Jones, Erik Meijer).
633 </para>
634
635 <para>
636 I'd like to thank people who reported shorcomings in the GHC 3.02
637 implementation.  Our default decisions were all conservative ones, and
638 the experience of these heroic pioneers has given useful concrete
639 examples to support several generalisations.  (These appear below as
640 design choices not implemented in 3.02.)
641 </para>
642
643 <para>
644 I've discussed these notes with Mark Jones, and I believe that Hugs
645 will migrate towards the same design choices as I outline here.
646 Thanks to him, and to many others who have offered very useful
647 feedback.
648 </para>
649
650 <sect2>
651 <title>Types</title>
652
653 <para>
654 There are the following restrictions on the form of a qualified
655 type:
656 </para>
657
658 <para>
659
660 <programlisting>
661   forall tv1..tvn (c1, ...,cn) => type
662 </programlisting>
663
664 </para>
665
666 <para>
667 (Here, I write the "foralls" explicitly, although the Haskell source
668 language omits them; in Haskell 1.4, all the free type variables of an
669 explicit source-language type signature are universally quantified,
670 except for the class type variables in a class declaration.  However,
671 in GHC, you can give the foralls if you want.  See <xref LinkEnd="universal-quantification">).
672 </para>
673
674 <para>
675
676 <OrderedList>
677 <listitem>
678
679 <para>
680  <emphasis>Each universally quantified type variable
681 <literal>tvi</literal> must be mentioned (i.e. appear free) in <literal>type</literal></emphasis>.
682
683 The reason for this is that a value with a type that does not obey
684 this restriction could not be used without introducing
685 ambiguity. Here, for example, is an illegal type:
686
687
688 <programlisting>
689   forall a. Eq a => Int
690 </programlisting>
691
692
693 When a value with this type was used, the constraint <literal>Eq tv</literal>
694 would be introduced where <literal>tv</literal> is a fresh type variable, and
695 (in the dictionary-translation implementation) the value would be
696 applied to a dictionary for <literal>Eq tv</literal>.  The difficulty is that we
697 can never know which instance of <literal>Eq</literal> to use because we never
698 get any more information about <literal>tv</literal>.
699
700 </para>
701 </listitem>
702 <listitem>
703
704 <para>
705  <emphasis>Every constraint <literal>ci</literal> must mention at least one of the
706 universally quantified type variables <literal>tvi</literal></emphasis>.
707
708 For example, this type is OK because <literal>C a b</literal> mentions the
709 universally quantified type variable <literal>b</literal>:
710
711
712 <programlisting>
713   forall a. C a b => burble
714 </programlisting>
715
716
717 The next type is illegal because the constraint <literal>Eq b</literal> does not
718 mention <literal>a</literal>:
719
720
721 <programlisting>
722   forall a. Eq b => burble
723 </programlisting>
724
725
726 The reason for this restriction is milder than the other one.  The
727 excluded types are never useful or necessary (because the offending
728 context doesn't need to be witnessed at this point; it can be floated
729 out).  Furthermore, floating them out increases sharing. Lastly,
730 excluding them is a conservative choice; it leaves a patch of
731 territory free in case we need it later.
732
733 </para>
734 </listitem>
735
736 </OrderedList>
737
738 </para>
739
740 <para>
741 These restrictions apply to all types, whether declared in a type signature
742 or inferred.
743 </para>
744
745 <para>
746 Unlike Haskell 1.4, constraints in types do <emphasis>not</emphasis> have to be of
747 the form <emphasis>(class type-variables)</emphasis>.  Thus, these type signatures
748 are perfectly OK
749 </para>
750
751 <para>
752
753 <programlisting>
754   f :: Eq (m a) => [m a] -> [m a]
755   g :: Eq [a] => ...
756 </programlisting>
757
758 </para>
759
760 <para>
761 This choice recovers principal types, a property that Haskell 1.4 does not have.
762 </para>
763
764 </sect2>
765
766 <sect2>
767 <title>Class declarations</title>
768
769 <para>
770
771 <OrderedList>
772 <listitem>
773
774 <para>
775  <emphasis>Multi-parameter type classes are permitted</emphasis>. For example:
776
777
778 <programlisting>
779   class Collection c a where
780     union :: c a -> c a -> c a
781     ...etc.
782 </programlisting>
783
784
785
786 </para>
787 </listitem>
788 <listitem>
789
790 <para>
791  <emphasis>The class hierarchy must be acyclic</emphasis>.  However, the definition
792 of "acyclic" involves only the superclass relationships.  For example,
793 this is OK:
794
795
796 <programlisting>
797   class C a where {
798     op :: D b => a -> b -> b
799   }
800
801   class C a => D a where { ... }
802 </programlisting>
803
804
805 Here, <literal>C</literal> is a superclass of <literal>D</literal>, but it's OK for a
806 class operation <literal>op</literal> of <literal>C</literal> to mention <literal>D</literal>.  (It
807 would not be OK for <literal>D</literal> to be a superclass of <literal>C</literal>.)
808
809 </para>
810 </listitem>
811 <listitem>
812
813 <para>
814  <emphasis>There are no restrictions on the context in a class declaration
815 (which introduces superclasses), except that the class hierarchy must
816 be acyclic</emphasis>.  So these class declarations are OK:
817
818
819 <programlisting>
820   class Functor (m k) => FiniteMap m k where
821     ...
822
823   class (Monad m, Monad (t m)) => Transform t m where
824     lift :: m a -> (t m) a
825 </programlisting>
826
827
828 </para>
829 </listitem>
830 <listitem>
831
832 <para>
833  <emphasis>In the signature of a class operation, every constraint
834 must mention at least one type variable that is not a class type
835 variable</emphasis>.
836
837 Thus:
838
839
840 <programlisting>
841   class Collection c a where
842     mapC :: Collection c b => (a->b) -> c a -> c b
843 </programlisting>
844
845
846 is OK because the constraint <literal>(Collection a b)</literal> mentions
847 <literal>b</literal>, even though it also mentions the class variable
848 <literal>a</literal>.  On the other hand:
849
850
851 <programlisting>
852   class C a where
853     op :: Eq a => (a,b) -> (a,b)
854 </programlisting>
855
856
857 is not OK because the constraint <literal>(Eq a)</literal> mentions on the class
858 type variable <literal>a</literal>, but not <literal>b</literal>.  However, any such
859 example is easily fixed by moving the offending context up to the
860 superclass context:
861
862
863 <programlisting>
864   class Eq a => C a where
865     op ::(a,b) -> (a,b)
866 </programlisting>
867
868
869 A yet more relaxed rule would allow the context of a class-op signature
870 to mention only class type variables.  However, that conflicts with
871 Rule 1(b) for types above.
872
873 </para>
874 </listitem>
875 <listitem>
876
877 <para>
878  <emphasis>The type of each class operation must mention <emphasis>all</emphasis> of
879 the class type variables</emphasis>.  For example:
880
881
882 <programlisting>
883   class Coll s a where
884     empty  :: s
885     insert :: s -> a -> s
886 </programlisting>
887
888
889 is not OK, because the type of <literal>empty</literal> doesn't mention
890 <literal>a</literal>.  This rule is a consequence of Rule 1(a), above, for
891 types, and has the same motivation.
892
893 Sometimes, offending class declarations exhibit misunderstandings.  For
894 example, <literal>Coll</literal> might be rewritten
895
896
897 <programlisting>
898   class Coll s a where
899     empty  :: s a
900     insert :: s a -> a -> s a
901 </programlisting>
902
903
904 which makes the connection between the type of a collection of
905 <literal>a</literal>'s (namely <literal>(s a)</literal>) and the element type <literal>a</literal>.
906 Occasionally this really doesn't work, in which case you can split the
907 class like this:
908
909
910 <programlisting>
911   class CollE s where
912     empty  :: s
913
914   class CollE s => Coll s a where
915     insert :: s -> a -> s
916 </programlisting>
917
918
919 </para>
920 </listitem>
921
922 </OrderedList>
923
924 </para>
925
926 </sect2>
927
928 <sect2 id="instance-decls">
929 <title>Instance declarations</title>
930
931 <para>
932
933 <OrderedList>
934 <listitem>
935
936 <para>
937  <emphasis>Instance declarations may not overlap</emphasis>.  The two instance
938 declarations
939
940
941 <programlisting>
942   instance context1 => C type1 where ...
943   instance context2 => C type2 where ...
944 </programlisting>
945
946
947 "overlap" if <literal>type1</literal> and <literal>type2</literal> unify
948
949 However, if you give the command line option
950 <option>-fallow-overlapping-instances</option><indexterm><primary>-fallow-overlapping-instances
951 option</primary></indexterm> then two overlapping instance declarations are permitted
952 iff
953
954
955 <itemizedlist>
956 <listitem>
957
958 <para>
959  EITHER <literal>type1</literal> and <literal>type2</literal> do not unify
960 </para>
961 </listitem>
962 <listitem>
963
964 <para>
965  OR <literal>type2</literal> is a substitution instance of <literal>type1</literal>
966 (but not identical to <literal>type1</literal>)
967 </para>
968 </listitem>
969 <listitem>
970
971 <para>
972  OR vice versa
973 </para>
974 </listitem>
975
976 </itemizedlist>
977
978
979 Notice that these rules
980
981
982 <itemizedlist>
983 <listitem>
984
985 <para>
986  make it clear which instance decl to use
987 (pick the most specific one that matches)
988
989 </para>
990 </listitem>
991 <listitem>
992
993 <para>
994  do not mention the contexts <literal>context1</literal>, <literal>context2</literal>
995 Reason: you can pick which instance decl
996 "matches" based on the type.
997 </para>
998 </listitem>
999
1000 </itemizedlist>
1001
1002
1003 Regrettably, GHC doesn't guarantee to detect overlapping instance
1004 declarations if they appear in different modules.  GHC can "see" the
1005 instance declarations in the transitive closure of all the modules
1006 imported by the one being compiled, so it can "see" all instance decls
1007 when it is compiling <literal>Main</literal>.  However, it currently chooses not
1008 to look at ones that can't possibly be of use in the module currently
1009 being compiled, in the interests of efficiency.  (Perhaps we should
1010 change that decision, at least for <literal>Main</literal>.)
1011
1012 </para>
1013 </listitem>
1014 <listitem>
1015
1016 <para>
1017  <emphasis>There are no restrictions on the type in an instance
1018 <emphasis>head</emphasis>, except that at least one must not be a type variable</emphasis>.
1019 The instance "head" is the bit after the "=>" in an instance decl. For
1020 example, these are OK:
1021
1022
1023 <programlisting>
1024   instance C Int a where ...
1025
1026   instance D (Int, Int) where ...
1027
1028   instance E [[a]] where ...
1029 </programlisting>
1030
1031
1032 Note that instance heads <emphasis>may</emphasis> contain repeated type variables.
1033 For example, this is OK:
1034
1035
1036 <programlisting>
1037   instance Stateful (ST s) (MutVar s) where ...
1038 </programlisting>
1039
1040
1041 The "at least one not a type variable" restriction is to ensure that
1042 context reduction terminates: each reduction step removes one type
1043 constructor.  For example, the following would make the type checker
1044 loop if it wasn't excluded:
1045
1046
1047 <programlisting>
1048   instance C a => C a where ...
1049 </programlisting>
1050
1051
1052 There are two situations in which the rule is a bit of a pain. First,
1053 if one allows overlapping instance declarations then it's quite
1054 convenient to have a "default instance" declaration that applies if
1055 something more specific does not:
1056
1057
1058 <programlisting>
1059   instance C a where
1060     op = ... -- Default
1061 </programlisting>
1062
1063
1064 Second, sometimes you might want to use the following to get the
1065 effect of a "class synonym":
1066
1067
1068 <programlisting>
1069   class (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
1070
1071   instance (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
1072 </programlisting>
1073
1074
1075 This allows you to write shorter signatures:
1076
1077
1078 <programlisting>
1079   f :: C a => ...
1080 </programlisting>
1081
1082
1083 instead of
1084
1085
1086 <programlisting>
1087   f :: (C1 a, C2 a, C3 a) => ...
1088 </programlisting>
1089
1090
1091 I'm on the lookout for a simple rule that preserves decidability while
1092 allowing these idioms.  The experimental flag
1093 <option>-fallow-undecidable-instances</option><indexterm><primary>-fallow-undecidable-instances
1094 option</primary></indexterm> lifts this restriction, allowing all the types in an
1095 instance head to be type variables.
1096
1097 </para>
1098 </listitem>
1099 <listitem>
1100
1101 <para>
1102  <emphasis>Unlike Haskell 1.4, instance heads may use type
1103 synonyms</emphasis>.  As always, using a type synonym is just shorthand for
1104 writing the RHS of the type synonym definition.  For example:
1105
1106
1107 <programlisting>
1108   type Point = (Int,Int)
1109   instance C Point   where ...
1110   instance C [Point] where ...
1111 </programlisting>
1112
1113
1114 is legal.  However, if you added
1115
1116
1117 <programlisting>
1118   instance C (Int,Int) where ...
1119 </programlisting>
1120
1121
1122 as well, then the compiler will complain about the overlapping
1123 (actually, identical) instance declarations.  As always, type synonyms
1124 must be fully applied.  You cannot, for example, write:
1125
1126
1127 <programlisting>
1128   type P a = [[a]]
1129   instance Monad P where ...
1130 </programlisting>
1131
1132
1133 This design decision is independent of all the others, and easily
1134 reversed, but it makes sense to me.
1135
1136 </para>
1137 </listitem>
1138 <listitem>
1139
1140 <para>
1141 <emphasis>The types in an instance-declaration <emphasis>context</emphasis> must all
1142 be type variables</emphasis>. Thus
1143
1144
1145 <programlisting>
1146 instance C a b => Eq (a,b) where ...
1147 </programlisting>
1148
1149
1150 is OK, but
1151
1152
1153 <programlisting>
1154 instance C Int b => Foo b where ...
1155 </programlisting>
1156
1157
1158 is not OK.  Again, the intent here is to make sure that context
1159 reduction terminates.
1160
1161 Voluminous correspondence on the Haskell mailing list has convinced me
1162 that it's worth experimenting with a more liberal rule.  If you use
1163 the flag <option>-fallow-undecidable-instances</option> can use arbitrary
1164 types in an instance context.  Termination is ensured by having a
1165 fixed-depth recursion stack.  If you exceed the stack depth you get a
1166 sort of backtrace, and the opportunity to increase the stack depth
1167 with <option>-fcontext-stack</option><emphasis>N</emphasis>.
1168
1169 </para>
1170 </listitem>
1171
1172 </OrderedList>
1173
1174 </para>
1175
1176 </sect2>
1177
1178 </sect1>
1179
1180 <sect1 id="implicit-parameters">
1181 <title>Implicit parameters
1182 </title>
1183
1184 <para> Implicit paramters are implemented as described in 
1185 "Implicit parameters: dynamic scoping with static types", 
1186 J Lewis, MB Shields, E Meijer, J Launchbury,
1187 27th ACM Symposium on Principles of Programming Languages (POPL'00),
1188 Boston, Jan 2000.
1189 </para>
1190
1191 <para>
1192 There should be more documentation, but there isn't (yet).  Yell if you need it.
1193 </para>
1194 <itemizedlist>
1195 <listitem>
1196 <para> You can't have an implicit parameter in the context of a class or instance
1197 declaration.  For example, both these declarations are illegal:
1198 <programlisting>
1199   class (?x::Int) => C a where ...
1200   instance (?x::a) => Foo [a] where ...
1201 </programlisting>
1202 Reason: exactly which implicit parameter you pick up depends on exactly where
1203 you invoke a function. But the ``invocation'' of instance declarations is done
1204 behind the scenes by the compiler, so it's hard to figure out exactly where it is done.
1205 Easiest thing is to outlaw the offending types.</para>
1206 </listitem>
1207
1208 </itemizedlist>
1209
1210 </sect1>
1211
1212
1213 <sect1 id="functional-dependencies">
1214 <title>Functional dependencies
1215 </title>
1216
1217 <para> Functional dependencies are implemented as described by Mark Jones
1218 in "Type Classes with Functional Dependencies", Mark P. Jones, 
1219 In Proceedings of the 9th European Symposium on Programming, 
1220 ESOP 2000, Berlin, Germany, March 2000, Springer-Verlag LNCS 1782.
1221 </para>
1222
1223 <para>
1224 There should be more documentation, but there isn't (yet).  Yell if you need it.
1225 </para>
1226 </sect1>
1227
1228
1229 <sect1 id="universal-quantification">
1230 <title>Explicit universal quantification
1231 </title>
1232
1233 <para>
1234 GHC's type system supports explicit universal quantification in
1235 constructor fields and function arguments.  This is useful for things
1236 like defining <literal>runST</literal> from the state-thread world. 
1237 GHC's syntax for this now agrees with Hugs's, namely:
1238 </para>
1239
1240 <para>
1241
1242 <programlisting>
1243         forall a b. (Ord a, Eq  b) => a -> b -> a
1244 </programlisting>
1245
1246 </para>
1247
1248 <para>
1249 The context is, of course, optional.  You can't use <literal>forall</literal> as
1250 a type variable any more!
1251 </para>
1252
1253 <para>
1254 Haskell type signatures are implicitly quantified.  The <literal>forall</literal>
1255 allows us to say exactly what this means.  For example:
1256 </para>
1257
1258 <para>
1259
1260 <programlisting>
1261         g :: b -> b
1262 </programlisting>
1263
1264 </para>
1265
1266 <para>
1267 means this:
1268 </para>
1269
1270 <para>
1271
1272 <programlisting>
1273         g :: forall b. (b -> b)
1274 </programlisting>
1275
1276 </para>
1277
1278 <para>
1279 The two are treated identically.
1280 </para>
1281
1282 <sect2 id="univ">
1283 <title>Universally-quantified data type fields
1284 </title>
1285
1286 <para>
1287 In a <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal> declaration one can quantify
1288 the types of the constructor arguments.  Here are several examples:
1289 </para>
1290
1291 <para>
1292
1293 <programlisting>
1294 data T a = T1 (forall b. b -> b -> b) a
1295
1296 data MonadT m = MkMonad { return :: forall a. a -> m a,
1297                           bind   :: forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b
1298                         }
1299
1300 newtype Swizzle = MkSwizzle (Ord a => [a] -> [a])
1301 </programlisting>
1302
1303 </para>
1304
1305 <para>
1306 The constructors now have so-called <emphasis>rank 2</emphasis> polymorphic
1307 types, in which there is a for-all in the argument types.:
1308 </para>
1309
1310 <para>
1311
1312 <programlisting>
1313 T1 :: forall a. (forall b. b -> b -> b) -> a -> T a
1314 MkMonad :: forall m. (forall a. a -> m a)
1315                   -> (forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b)
1316                   -> MonadT m
1317 MkSwizzle :: (Ord a => [a] -> [a]) -> Swizzle
1318 </programlisting>
1319
1320 </para>
1321
1322 <para>
1323 Notice that you don't need to use a <literal>forall</literal> if there's an
1324 explicit context.  For example in the first argument of the
1325 constructor <function>MkSwizzle</function>, an implicit "<literal>forall a.</literal>" is
1326 prefixed to the argument type.  The implicit <literal>forall</literal>
1327 quantifies all type variables that are not already in scope, and are
1328 mentioned in the type quantified over.
1329 </para>
1330
1331 <para>
1332 As for type signatures, implicit quantification happens for non-overloaded
1333 types too.  So if you write this:
1334
1335 <programlisting>
1336   data T a = MkT (Either a b) (b -> b)
1337 </programlisting>
1338
1339 it's just as if you had written this:
1340
1341 <programlisting>
1342   data T a = MkT (forall b. Either a b) (forall b. b -> b)
1343 </programlisting>
1344
1345 That is, since the type variable <literal>b</literal> isn't in scope, it's
1346 implicitly universally quantified.  (Arguably, it would be better
1347 to <emphasis>require</emphasis> explicit quantification on constructor arguments
1348 where that is what is wanted.  Feedback welcomed.)
1349 </para>
1350
1351 </sect2>
1352
1353 <sect2>
1354 <title>Construction </title>
1355
1356 <para>
1357 You construct values of types <literal>T1, MonadT, Swizzle</literal> by applying
1358 the constructor to suitable values, just as usual.  For example,
1359 </para>
1360
1361 <para>
1362
1363 <programlisting>
1364 (T1 (\xy->x) 3) :: T Int
1365
1366 (MkSwizzle sort)    :: Swizzle
1367 (MkSwizzle reverse) :: Swizzle
1368
1369 (let r x = Just x
1370      b m k = case m of
1371                 Just y -> k y
1372                 Nothing -> Nothing
1373   in
1374   MkMonad r b) :: MonadT Maybe
1375 </programlisting>
1376
1377 </para>
1378
1379 <para>
1380 The type of the argument can, as usual, be more general than the type
1381 required, as <literal>(MkSwizzle reverse)</literal> shows.  (<function>reverse</function>
1382 does not need the <literal>Ord</literal> constraint.)
1383 </para>
1384
1385 </sect2>
1386
1387 <sect2>
1388 <title>Pattern matching</title>
1389
1390 <para>
1391 When you use pattern matching, the bound variables may now have
1392 polymorphic types.  For example:
1393 </para>
1394
1395 <para>
1396
1397 <programlisting>
1398         f :: T a -> a -> (a, Char)
1399         f (T1 f k) x = (f k x, f 'c' 'd')
1400
1401         g :: (Ord a, Ord b) => Swizzle -> [a] -> (a -> b) -> [b]
1402         g (MkSwizzle s) xs f = s (map f (s xs))
1403
1404         h :: MonadT m -> [m a] -> m [a]
1405         h m [] = return m []
1406         h m (x:xs) = bind m x           $ \y ->
1407                       bind m (h m xs)   $ \ys ->
1408                       return m (y:ys)
1409 </programlisting>
1410
1411 </para>
1412
1413 <para>
1414 In the function <function>h</function> we use the record selectors <literal>return</literal>
1415 and <literal>bind</literal> to extract the polymorphic bind and return functions
1416 from the <literal>MonadT</literal> data structure, rather than using pattern
1417 matching.
1418 </para>
1419
1420 <para>
1421 You cannot pattern-match against an argument that is polymorphic.
1422 For example:
1423
1424 <programlisting>
1425         newtype TIM s a = TIM (ST s (Maybe a))
1426
1427         runTIM :: (forall s. TIM s a) -> Maybe a
1428         runTIM (TIM m) = runST m
1429 </programlisting>
1430
1431 </para>
1432
1433 <para>
1434 Here the pattern-match fails, because you can't pattern-match against
1435 an argument of type <literal>(forall s. TIM s a)</literal>.  Instead you
1436 must bind the variable and pattern match in the right hand side:
1437
1438 <programlisting>
1439         runTIM :: (forall s. TIM s a) -> Maybe a
1440         runTIM tm = case tm of { TIM m -> runST m }
1441 </programlisting>
1442
1443 The <literal>tm</literal> on the right hand side is (invisibly) instantiated, like
1444 any polymorphic value at its occurrence site, and now you can pattern-match
1445 against it.
1446 </para>
1447
1448 </sect2>
1449
1450 <sect2>
1451 <title>The partial-application restriction</title>
1452
1453 <para>
1454 There is really only one way in which data structures with polymorphic
1455 components might surprise you: you must not partially apply them.
1456 For example, this is illegal:
1457 </para>
1458
1459 <para>
1460
1461 <programlisting>
1462         map MkSwizzle [sort, reverse]
1463 </programlisting>
1464
1465 </para>
1466
1467 <para>
1468 The restriction is this: <emphasis>every subexpression of the program must
1469 have a type that has no for-alls, except that in a function
1470 application (f e1&hellip;en) the partial applications are not subject to
1471 this rule</emphasis>.  The restriction makes type inference feasible.
1472 </para>
1473
1474 <para>
1475 In the illegal example, the sub-expression <literal>MkSwizzle</literal> has the
1476 polymorphic type <literal>(Ord b => [b] -> [b]) -> Swizzle</literal> and is not
1477 a sub-expression of an enclosing application.  On the other hand, this
1478 expression is OK:
1479 </para>
1480
1481 <para>
1482
1483 <programlisting>
1484         map (T1 (\a b -> a)) [1,2,3]
1485 </programlisting>
1486
1487 </para>
1488
1489 <para>
1490 even though it involves a partial application of <function>T1</function>, because
1491 the sub-expression <literal>T1 (\a b -> a)</literal> has type <literal>Int -> T
1492 Int</literal>.
1493 </para>
1494
1495 </sect2>
1496
1497 <sect2 id="sigs">
1498 <title>Type signatures
1499 </title>
1500
1501 <para>
1502 Once you have data constructors with universally-quantified fields, or
1503 constants such as <Constant>runST</Constant> that have rank-2 types, it isn't long
1504 before you discover that you need more!  Consider:
1505 </para>
1506
1507 <para>
1508
1509 <programlisting>
1510   mkTs f x y = [T1 f x, T1 f y]
1511 </programlisting>
1512
1513 </para>
1514
1515 <para>
1516 <function>mkTs</function> is a fuction that constructs some values of type
1517 <literal>T</literal>, using some pieces passed to it.  The trouble is that since
1518 <literal>f</literal> is a function argument, Haskell assumes that it is
1519 monomorphic, so we'll get a type error when applying <function>T1</function> to
1520 it.  This is a rather silly example, but the problem really bites in
1521 practice.  Lots of people trip over the fact that you can't make
1522 "wrappers functions" for <Constant>runST</Constant> for exactly the same reason.
1523 In short, it is impossible to build abstractions around functions with
1524 rank-2 types.
1525 </para>
1526
1527 <para>
1528 The solution is fairly clear.  We provide the ability to give a rank-2
1529 type signature for <emphasis>ordinary</emphasis> functions (not only data
1530 constructors), thus:
1531 </para>
1532
1533 <para>
1534
1535 <programlisting>
1536   mkTs :: (forall b. b -> b -> b) -> a -> [T a]
1537   mkTs f x y = [T1 f x, T1 f y]
1538 </programlisting>
1539
1540 </para>
1541
1542 <para>
1543 This type signature tells the compiler to attribute <literal>f</literal> with
1544 the polymorphic type <literal>(forall b. b -> b -> b)</literal> when type
1545 checking the body of <function>mkTs</function>, so now the application of
1546 <function>T1</function> is fine.
1547 </para>
1548
1549 <para>
1550 There are two restrictions:
1551 </para>
1552
1553 <para>
1554
1555 <itemizedlist>
1556 <listitem>
1557
1558 <para>
1559  You can only define a rank 2 type, specified by the following
1560 grammar:
1561
1562
1563 <programlisting>
1564 rank2type ::= [forall tyvars .] [context =>] funty
1565 funty     ::= ([forall tyvars .] [context =>] ty) -> funty
1566             | ty
1567 ty        ::= ...current Haskell monotype syntax...
1568 </programlisting>
1569
1570
1571 Informally, the universal quantification must all be right at the beginning,
1572 or at the top level of a function argument.
1573
1574 </para>
1575 </listitem>
1576 <listitem>
1577
1578 <para>
1579  There is a restriction on the definition of a function whose
1580 type signature is a rank-2 type: the polymorphic arguments must be
1581 matched on the left hand side of the "<literal>=</literal>" sign.  You can't
1582 define <function>mkTs</function> like this:
1583
1584
1585 <programlisting>
1586 mkTs :: (forall b. b -> b -> b) -> a -> [T a]
1587 mkTs = \ f x y -> [T1 f x, T1 f y]
1588 </programlisting>
1589
1590
1591
1592 The same partial-application rule applies to ordinary functions with
1593 rank-2 types as applied to data constructors.
1594
1595 </para>
1596 </listitem>
1597
1598 </itemizedlist>
1599
1600 </para>
1601
1602 </sect2>
1603
1604
1605 <sect2 id="hoist">
1606 <title>Type synonyms and hoisting
1607 </title>
1608
1609 <para>
1610 GHC also allows you to write a <literal>forall</literal> in a type synonym, thus:
1611 <programlisting>
1612   type Discard a = forall b. a -> b -> a
1613
1614   f :: Discard a
1615   f x y = x
1616 </programlisting>
1617 However, it is often convenient to use these sort of synonyms at the right hand
1618 end of an arrow, thus:
1619 <programlisting>
1620   type Discard a = forall b. a -> b -> a
1621
1622   g :: Int -> Discard Int
1623   g x y z = x+y
1624 </programlisting>
1625 Simply expanding the type synonym would give
1626 <programlisting>
1627   g :: Int -> (forall b. Int -> b -> Int)
1628 </programlisting>
1629 but GHC "hoists" the <literal>forall</literal> to give the isomorphic type
1630 <programlisting>
1631   g :: forall b. Int -> Int -> b -> Int
1632 </programlisting>
1633 In general, the rule is this: <emphasis>to determine the type specified by any explicit
1634 user-written type (e.g. in a type signature), GHC expands type synonyms and then repeatedly
1635 performs the transformation:</emphasis>
1636 <programlisting>
1637   <emphasis>type1</emphasis> -> forall a. <emphasis>type2</emphasis>
1638 ==>
1639   forall a. <emphasis>type1</emphasis> -> <emphasis>type2</emphasis>
1640 </programlisting>
1641 (In fact, GHC tries to retain as much synonym information as possible for use in
1642 error messages, but that is a usability issue.)  This rule applies, of course, whether
1643 or not the <literal>forall</literal> comes from a synonym. For example, here is another
1644 valid way to write <literal>g</literal>'s type signature:
1645 <programlisting>
1646   g :: Int -> Int -> forall b. b -> Int
1647 </programlisting>
1648 </para>
1649 </sect2>
1650
1651 </sect1>
1652
1653 <sect1 id="existential-quantification">
1654 <title>Existentially quantified data constructors
1655 </title>
1656
1657 <para>
1658 The idea of using existential quantification in data type declarations
1659 was suggested by Laufer (I believe, thought doubtless someone will
1660 correct me), and implemented in Hope+. It's been in Lennart
1661 Augustsson's <Command>hbc</Command> Haskell compiler for several years, and
1662 proved very useful.  Here's the idea.  Consider the declaration:
1663 </para>
1664
1665 <para>
1666
1667 <programlisting>
1668   data Foo = forall a. MkFoo a (a -> Bool)
1669            | Nil
1670 </programlisting>
1671
1672 </para>
1673
1674 <para>
1675 The data type <literal>Foo</literal> has two constructors with types:
1676 </para>
1677
1678 <para>
1679
1680 <programlisting>
1681   MkFoo :: forall a. a -> (a -> Bool) -> Foo
1682   Nil   :: Foo
1683 </programlisting>
1684
1685 </para>
1686
1687 <para>
1688 Notice that the type variable <literal>a</literal> in the type of <function>MkFoo</function>
1689 does not appear in the data type itself, which is plain <literal>Foo</literal>.
1690 For example, the following expression is fine:
1691 </para>
1692
1693 <para>
1694
1695 <programlisting>
1696   [MkFoo 3 even, MkFoo 'c' isUpper] :: [Foo]
1697 </programlisting>
1698
1699 </para>
1700
1701 <para>
1702 Here, <literal>(MkFoo 3 even)</literal> packages an integer with a function
1703 <function>even</function> that maps an integer to <literal>Bool</literal>; and <function>MkFoo 'c'
1704 isUpper</function> packages a character with a compatible function.  These
1705 two things are each of type <literal>Foo</literal> and can be put in a list.
1706 </para>
1707
1708 <para>
1709 What can we do with a value of type <literal>Foo</literal>?.  In particular,
1710 what happens when we pattern-match on <function>MkFoo</function>?
1711 </para>
1712
1713 <para>
1714
1715 <programlisting>
1716   f (MkFoo val fn) = ???
1717 </programlisting>
1718
1719 </para>
1720
1721 <para>
1722 Since all we know about <literal>val</literal> and <function>fn</function> is that they
1723 are compatible, the only (useful) thing we can do with them is to
1724 apply <function>fn</function> to <literal>val</literal> to get a boolean.  For example:
1725 </para>
1726
1727 <para>
1728
1729 <programlisting>
1730   f :: Foo -> Bool
1731   f (MkFoo val fn) = fn val
1732 </programlisting>
1733
1734 </para>
1735
1736 <para>
1737 What this allows us to do is to package heterogenous values
1738 together with a bunch of functions that manipulate them, and then treat
1739 that collection of packages in a uniform manner.  You can express
1740 quite a bit of object-oriented-like programming this way.
1741 </para>
1742
1743 <sect2 id="existential">
1744 <title>Why existential?
1745 </title>
1746
1747 <para>
1748 What has this to do with <emphasis>existential</emphasis> quantification?
1749 Simply that <function>MkFoo</function> has the (nearly) isomorphic type
1750 </para>
1751
1752 <para>
1753
1754 <programlisting>
1755   MkFoo :: (exists a . (a, a -> Bool)) -> Foo
1756 </programlisting>
1757
1758 </para>
1759
1760 <para>
1761 But Haskell programmers can safely think of the ordinary
1762 <emphasis>universally</emphasis> quantified type given above, thereby avoiding
1763 adding a new existential quantification construct.
1764 </para>
1765
1766 </sect2>
1767
1768 <sect2>
1769 <title>Type classes</title>
1770
1771 <para>
1772 An easy extension (implemented in <Command>hbc</Command>) is to allow
1773 arbitrary contexts before the constructor.  For example:
1774 </para>
1775
1776 <para>
1777
1778 <programlisting>
1779 data Baz = forall a. Eq a => Baz1 a a
1780          | forall b. Show b => Baz2 b (b -> b)
1781 </programlisting>
1782
1783 </para>
1784
1785 <para>
1786 The two constructors have the types you'd expect:
1787 </para>
1788
1789 <para>
1790
1791 <programlisting>
1792 Baz1 :: forall a. Eq a => a -> a -> Baz
1793 Baz2 :: forall b. Show b => b -> (b -> b) -> Baz
1794 </programlisting>
1795
1796 </para>
1797
1798 <para>
1799 But when pattern matching on <function>Baz1</function> the matched values can be compared
1800 for equality, and when pattern matching on <function>Baz2</function> the first matched
1801 value can be converted to a string (as well as applying the function to it).
1802 So this program is legal:
1803 </para>
1804
1805 <para>
1806
1807 <programlisting>
1808   f :: Baz -> String
1809   f (Baz1 p q) | p == q    = "Yes"
1810                | otherwise = "No"
1811   f (Baz1 v fn)            = show (fn v)
1812 </programlisting>
1813
1814 </para>
1815
1816 <para>
1817 Operationally, in a dictionary-passing implementation, the
1818 constructors <function>Baz1</function> and <function>Baz2</function> must store the
1819 dictionaries for <literal>Eq</literal> and <literal>Show</literal> respectively, and
1820 extract it on pattern matching.
1821 </para>
1822
1823 <para>
1824 Notice the way that the syntax fits smoothly with that used for
1825 universal quantification earlier.
1826 </para>
1827
1828 </sect2>
1829
1830 <sect2>
1831 <title>Restrictions</title>
1832
1833 <para>
1834 There are several restrictions on the ways in which existentially-quantified
1835 constructors can be use.
1836 </para>
1837
1838 <para>
1839
1840 <itemizedlist>
1841 <listitem>
1842
1843 <para>
1844  When pattern matching, each pattern match introduces a new,
1845 distinct, type for each existential type variable.  These types cannot
1846 be unified with any other type, nor can they escape from the scope of
1847 the pattern match.  For example, these fragments are incorrect:
1848
1849
1850 <programlisting>
1851 f1 (MkFoo a f) = a
1852 </programlisting>
1853
1854
1855 Here, the type bound by <function>MkFoo</function> "escapes", because <literal>a</literal>
1856 is the result of <function>f1</function>.  One way to see why this is wrong is to
1857 ask what type <function>f1</function> has:
1858
1859
1860 <programlisting>
1861   f1 :: Foo -> a             -- Weird!
1862 </programlisting>
1863
1864
1865 What is this "<literal>a</literal>" in the result type? Clearly we don't mean
1866 this:
1867
1868
1869 <programlisting>
1870   f1 :: forall a. Foo -> a   -- Wrong!
1871 </programlisting>
1872
1873
1874 The original program is just plain wrong.  Here's another sort of error
1875
1876
1877 <programlisting>
1878   f2 (Baz1 a b) (Baz1 p q) = a==q
1879 </programlisting>
1880
1881
1882 It's ok to say <literal>a==b</literal> or <literal>p==q</literal>, but
1883 <literal>a==q</literal> is wrong because it equates the two distinct types arising
1884 from the two <function>Baz1</function> constructors.
1885
1886
1887 </para>
1888 </listitem>
1889 <listitem>
1890
1891 <para>
1892 You can't pattern-match on an existentially quantified
1893 constructor in a <literal>let</literal> or <literal>where</literal> group of
1894 bindings. So this is illegal:
1895
1896
1897 <programlisting>
1898   f3 x = a==b where { Baz1 a b = x }
1899 </programlisting>
1900
1901
1902 You can only pattern-match
1903 on an existentially-quantified constructor in a <literal>case</literal> expression or
1904 in the patterns of a function definition.
1905
1906 The reason for this restriction is really an implementation one.
1907 Type-checking binding groups is already a nightmare without
1908 existentials complicating the picture.  Also an existential pattern
1909 binding at the top level of a module doesn't make sense, because it's
1910 not clear how to prevent the existentially-quantified type "escaping".
1911 So for now, there's a simple-to-state restriction.  We'll see how
1912 annoying it is.
1913
1914 </para>
1915 </listitem>
1916 <listitem>
1917
1918 <para>
1919 You can't use existential quantification for <literal>newtype</literal>
1920 declarations.  So this is illegal:
1921
1922
1923 <programlisting>
1924   newtype T = forall a. Ord a => MkT a
1925 </programlisting>
1926
1927
1928 Reason: a value of type <literal>T</literal> must be represented as a pair
1929 of a dictionary for <literal>Ord t</literal> and a value of type <literal>t</literal>.
1930 That contradicts the idea that <literal>newtype</literal> should have no
1931 concrete representation.  You can get just the same efficiency and effect
1932 by using <literal>data</literal> instead of <literal>newtype</literal>.  If there is no
1933 overloading involved, then there is more of a case for allowing
1934 an existentially-quantified <literal>newtype</literal>, because the <literal>data</literal>
1935 because the <literal>data</literal> version does carry an implementation cost,
1936 but single-field existentially quantified constructors aren't much
1937 use.  So the simple restriction (no existential stuff on <literal>newtype</literal>)
1938 stands, unless there are convincing reasons to change it.
1939
1940
1941 </para>
1942 </listitem>
1943 <listitem>
1944
1945 <para>
1946  You can't use <literal>deriving</literal> to define instances of a
1947 data type with existentially quantified data constructors.
1948
1949 Reason: in most cases it would not make sense. For example:&num;
1950
1951 <programlisting>
1952 data T = forall a. MkT [a] deriving( Eq )
1953 </programlisting>
1954
1955 To derive <literal>Eq</literal> in the standard way we would need to have equality
1956 between the single component of two <function>MkT</function> constructors:
1957
1958 <programlisting>
1959 instance Eq T where
1960   (MkT a) == (MkT b) = ???
1961 </programlisting>
1962
1963 But <VarName>a</VarName> and <VarName>b</VarName> have distinct types, and so can't be compared.
1964 It's just about possible to imagine examples in which the derived instance
1965 would make sense, but it seems altogether simpler simply to prohibit such
1966 declarations.  Define your own instances!
1967 </para>
1968 </listitem>
1969
1970 </itemizedlist>
1971
1972 </para>
1973
1974 </sect2>
1975
1976 </sect1>
1977
1978 <sect1 id="sec-assertions">
1979 <title>Assertions
1980 <indexterm><primary>Assertions</primary></indexterm>
1981 </title>
1982
1983 <para>
1984 If you want to make use of assertions in your standard Haskell code, you
1985 could define a function like the following:
1986 </para>
1987
1988 <para>
1989
1990 <programlisting>
1991 assert :: Bool -> a -> a
1992 assert False x = error "assertion failed!"
1993 assert _     x = x
1994 </programlisting>
1995
1996 </para>
1997
1998 <para>
1999 which works, but gives you back a less than useful error message --
2000 an assertion failed, but which and where?
2001 </para>
2002
2003 <para>
2004 One way out is to define an extended <function>assert</function> function which also
2005 takes a descriptive string to include in the error message and
2006 perhaps combine this with the use of a pre-processor which inserts
2007 the source location where <function>assert</function> was used.
2008 </para>
2009
2010 <para>
2011 Ghc offers a helping hand here, doing all of this for you. For every
2012 use of <function>assert</function> in the user's source:
2013 </para>
2014
2015 <para>
2016
2017 <programlisting>
2018 kelvinToC :: Double -> Double
2019 kelvinToC k = assert (k &gt;= 0.0) (k+273.15)
2020 </programlisting>
2021
2022 </para>
2023
2024 <para>
2025 Ghc will rewrite this to also include the source location where the
2026 assertion was made,
2027 </para>
2028
2029 <para>
2030
2031 <programlisting>
2032 assert pred val ==> assertError "Main.hs|15" pred val
2033 </programlisting>
2034
2035 </para>
2036
2037 <para>
2038 The rewrite is only performed by the compiler when it spots
2039 applications of <function>Exception.assert</function>, so you can still define and
2040 use your own versions of <function>assert</function>, should you so wish. If not,
2041 import <literal>Exception</literal> to make use <function>assert</function> in your code.
2042 </para>
2043
2044 <para>
2045 To have the compiler ignore uses of assert, use the compiler option
2046 <option>-fignore-asserts</option>. <indexterm><primary>-fignore-asserts option</primary></indexterm> That is,
2047 expressions of the form <literal>assert pred e</literal> will be rewritten to <literal>e</literal>.
2048 </para>
2049
2050 <para>
2051 Assertion failures can be caught, see the documentation for the
2052 <literal>Exception</literal> library (<xref linkend="sec-Exception">)
2053 for the details.
2054 </para>
2055
2056 </sect1>
2057
2058 <sect1 id="scoped-type-variables">
2059 <title>Scoped Type Variables
2060 </title>
2061
2062 <para>
2063 A <emphasis>pattern type signature</emphasis> can introduce a <emphasis>scoped type
2064 variable</emphasis>.  For example
2065 </para>
2066
2067 <para>
2068
2069 <programlisting>
2070 f (xs::[a]) = ys ++ ys
2071            where
2072               ys :: [a]
2073               ys = reverse xs
2074 </programlisting>
2075
2076 </para>
2077
2078 <para>
2079 The pattern <literal>(xs::[a])</literal> includes a type signature for <VarName>xs</VarName>.
2080 This brings the type variable <literal>a</literal> into scope; it scopes over
2081 all the patterns and right hand sides for this equation for <function>f</function>.
2082 In particular, it is in scope at the type signature for <VarName>y</VarName>.
2083 </para>
2084
2085 <para>
2086  Pattern type signatures are completely orthogonal to ordinary, separate
2087 type signatures.  The two can be used independently or together.
2088 At ordinary type signatures, such as that for <VarName>ys</VarName>, any type variables
2089 mentioned in the type signature <emphasis>that are not in scope</emphasis> are
2090 implicitly universally quantified.  (If there are no type variables in
2091 scope, all type variables mentioned in the signature are universally
2092 quantified, which is just as in Haskell 98.)  In this case, since <VarName>a</VarName>
2093 is in scope, it is not universally quantified, so the type of <VarName>ys</VarName> is
2094 the same as that of <VarName>xs</VarName>.  In Haskell 98 it is not possible to declare
2095 a type for <VarName>ys</VarName>; a major benefit of scoped type variables is that
2096 it becomes possible to do so.
2097 </para>
2098
2099 <para>
2100 Scoped type variables are implemented in both GHC and Hugs.  Where the
2101 implementations differ from the specification below, those differences
2102 are noted.
2103 </para>
2104
2105 <para>
2106 So much for the basic idea.  Here are the details.
2107 </para>
2108
2109 <sect2>
2110 <title>What a pattern type signature means</title>
2111 <para>
2112 A type variable brought into scope by a pattern type signature is simply
2113 the name for a type.   The restriction they express is that all occurrences
2114 of the same name mean the same type.  For example:
2115 <programlisting>
2116   f :: [Int] -> Int -> Int
2117   f (xs::[a]) (y::a) = (head xs + y) :: a
2118 </programlisting>
2119 The pattern type signatures on the left hand side of
2120 <literal>f</literal> express the fact that <literal>xs</literal>
2121 must be a list of things of some type <literal>a</literal>; and that <literal>y</literal>
2122 must have this same type.  The type signature on the expression <literal>(head xs)</literal>
2123 specifies that this expression must have the same type <literal>a</literal>.
2124 <emphasis>There is no requirement that the type named by "<literal>a</literal>" is
2125 in fact a type variable</emphasis>.  Indeed, in this case, the type named by "<literal>a</literal>" is
2126 <literal>Int</literal>.  (This is a slight liberalisation from the original rather complex
2127 rules, which specified that a pattern-bound type variable should be universally quantified.)
2128 For example, all of these are legal:</para>
2129
2130 <programlisting>
2131   t (x::a) (y::a) = x+y*2
2132
2133   f (x::a) (y::b) = [x,y]       -- a unifies with b
2134
2135   g (x::a) = x + 1::Int         -- a unifies with Int
2136
2137   h x = let k (y::a) = [x,y]    -- a is free in the
2138         in k x                  -- environment
2139
2140   k (x::a) True    = ...        -- a unifies with Int
2141   k (x::Int) False = ...
2142
2143   w :: [b] -> [b]
2144   w (x::a) = x                  -- a unifies with [b]
2145 </programlisting>
2146
2147 </sect2>
2148
2149 <sect2>
2150 <title>Scope and implicit quantification</title>
2151
2152 <para>
2153
2154 <itemizedlist>
2155 <listitem>
2156
2157 <para>
2158 All the type variables mentioned in a pattern,
2159 that are not already in scope,
2160 are brought into scope by the pattern.  We describe this set as
2161 the <emphasis>type variables bound by the pattern</emphasis>.
2162 For example:
2163 <programlisting>
2164   f (x::a) = let g (y::(a,b)) = fst y
2165              in
2166              g (x,True)
2167 </programlisting>
2168 The pattern <literal>(x::a)</literal> brings the type variable
2169 <literal>a</literal> into scope, as well as the term 
2170 variable <literal>x</literal>.  The pattern <literal>(y::(a,b))</literal>
2171 contains an occurrence of the already-in-scope type variable <literal>a</literal>,
2172 and brings into scope the type variable <literal>b</literal>.
2173 </para>
2174 </listitem>
2175
2176 <listitem>
2177 <para>
2178 The type variable(s) bound by the pattern have the same scope
2179 as the term variable(s) bound by the pattern.  For example:
2180 <programlisting>
2181   let
2182     f (x::a) = <...rhs of f...>
2183     (p::b, q::b) = (1,2)
2184   in <...body of let...>
2185 </programlisting>
2186 Here, the type variable <literal>a</literal> scopes over the right hand side of <literal>f</literal>,
2187 just like <literal>x</literal> does; while the type variable <literal>b</literal> scopes over the
2188 body of the <literal>let</literal>, and all the other definitions in the <literal>let</literal>,
2189 just like <literal>p</literal> and <literal>q</literal> do.
2190 Indeed, the newly bound type variables also scope over any ordinary, separate
2191 type signatures in the <literal>let</literal> group.
2192 </para>
2193 </listitem>
2194
2195
2196 <listitem>
2197 <para>
2198 The type variables bound by the pattern may be 
2199 mentioned in ordinary type signatures or pattern 
2200 type signatures anywhere within their scope.
2201
2202 </para>
2203 </listitem>
2204
2205 <listitem>
2206 <para>
2207  In ordinary type signatures, any type variable mentioned in the
2208 signature that is in scope is <emphasis>not</emphasis> universally quantified.
2209
2210 </para>
2211 </listitem>
2212
2213 <listitem>
2214
2215 <para>
2216  Ordinary type signatures do not bring any new type variables
2217 into scope (except in the type signature itself!). So this is illegal:
2218
2219 <programlisting>
2220   f :: a -> a
2221   f x = x::a
2222 </programlisting>
2223
2224 It's illegal because <VarName>a</VarName> is not in scope in the body of <function>f</function>,
2225 so the ordinary signature <literal>x::a</literal> is equivalent to <literal>x::forall a.a</literal>;
2226 and that is an incorrect typing.
2227
2228 </para>
2229 </listitem>
2230
2231 <listitem>
2232 <para>
2233 The pattern type signature is a monotype:
2234 </para>
2235
2236 <itemizedlist>
2237 <listitem> <para> 
2238 A pattern type signature cannot contain any explicit <literal>forall</literal> quantification.
2239 </para> </listitem>
2240
2241 <listitem>  <para> 
2242 The type variables bound by a pattern type signature can only be instantiated to monotypes,
2243 not to type schemes.
2244 </para> </listitem>
2245
2246 <listitem>  <para> 
2247 There is no implicit universal quantification on pattern type signatures (in contrast to
2248 ordinary type signatures).
2249 </para> </listitem>
2250
2251 </itemizedlist>
2252
2253 </listitem>
2254
2255 <listitem>
2256 <para>
2257
2258 The type variables in the head of a <literal>class</literal> or <literal>instance</literal> declaration
2259 scope over the methods defined in the <literal>where</literal> part.  For example:
2260
2261
2262 <programlisting>
2263   class C a where
2264     op :: [a] -> a
2265
2266     op xs = let ys::[a]
2267                 ys = reverse xs
2268             in
2269             head ys
2270 </programlisting>
2271
2272
2273 (Not implemented in Hugs yet, Dec 98).
2274 </para>
2275 </listitem>
2276
2277 </itemizedlist>
2278
2279 </para>
2280
2281 </sect2>
2282
2283 <sect2>
2284 <title>Result type signatures</title>
2285
2286 <para>
2287
2288 <itemizedlist>
2289 <listitem>
2290
2291 <para>
2292  The result type of a function can be given a signature,
2293 thus:
2294
2295
2296 <programlisting>
2297   f (x::a) :: [a] = [x,x,x]
2298 </programlisting>
2299
2300
2301 The final <literal>:: [a]</literal> after all the patterns gives a signature to the
2302 result type.  Sometimes this is the only way of naming the type variable
2303 you want:
2304
2305
2306 <programlisting>
2307   f :: Int -> [a] -> [a]
2308   f n :: ([a] -> [a]) = let g (x::a, y::a) = (y,x)
2309                         in \xs -> map g (reverse xs `zip` xs)
2310 </programlisting>
2311
2312
2313 </para>
2314 </listitem>
2315
2316 </itemizedlist>
2317
2318 </para>
2319
2320 <para>
2321 Result type signatures are not yet implemented in Hugs.
2322 </para>
2323
2324 </sect2>
2325
2326 <sect2>
2327 <title>Where a pattern type signature can occur</title>
2328
2329 <para>
2330 A pattern type signature can occur in any pattern.  For example:
2331 <itemizedlist>
2332
2333 <listitem>
2334 <para>
2335 A pattern type signature can be on an arbitrary sub-pattern, not
2336 ust on a variable:
2337
2338
2339 <programlisting>
2340   f ((x,y)::(a,b)) = (y,x) :: (b,a)
2341 </programlisting>
2342
2343
2344 </para>
2345 </listitem>
2346 <listitem>
2347
2348 <para>
2349  Pattern type signatures, including the result part, can be used
2350 in lambda abstractions:
2351
2352 <programlisting>
2353   (\ (x::a, y) :: a -> x)
2354 </programlisting>
2355 </para>
2356 </listitem>
2357 <listitem>
2358
2359 <para>
2360  Pattern type signatures, including the result part, can be used
2361 in <literal>case</literal> expressions:
2362
2363
2364 <programlisting>
2365   case e of { (x::a, y) :: a -> x }
2366 </programlisting>
2367
2368 </para>
2369 </listitem>
2370
2371 <listitem>
2372 <para>
2373 To avoid ambiguity, the type after the &ldquo;<literal>::</literal>&rdquo; in a result
2374 pattern signature on a lambda or <literal>case</literal> must be atomic (i.e. a single
2375 token or a parenthesised type of some sort).  To see why,
2376 consider how one would parse this:
2377
2378
2379 <programlisting>
2380   \ x :: a -> b -> x
2381 </programlisting>
2382
2383
2384 </para>
2385 </listitem>
2386
2387 <listitem>
2388
2389 <para>
2390  Pattern type signatures can bind existential type variables.
2391 For example:
2392
2393
2394 <programlisting>
2395   data T = forall a. MkT [a]
2396
2397   f :: T -> T
2398   f (MkT [t::a]) = MkT t3
2399                  where
2400                    t3::[a] = [t,t,t]
2401 </programlisting>
2402
2403
2404 </para>
2405 </listitem>
2406
2407
2408 <listitem>
2409
2410 <para>
2411 Pattern type signatures 
2412 can be used in pattern bindings:
2413
2414 <programlisting>
2415   f x = let (y, z::a) = x in ...
2416   f1 x                = let (y, z::Int) = x in ...
2417   f2 (x::(Int,a))     = let (y, z::a)   = x in ...
2418   f3 :: (b->b)        = \x -> x
2419 </programlisting>
2420
2421 In all such cases, the binding is not generalised over the pattern-bound
2422 type variables.  Thus <literal>f3</literal> is monomorphic; <literal>f3</literal>
2423 has type <literal>b -&gt; b</literal> for some type <literal>b</literal>, 
2424 and <emphasis>not</emphasis> <literal>forall b. b -&gt; b</literal>.
2425 In contrast, the binding
2426 <programlisting>
2427   f4 :: b->b
2428   f4 = \x -> x
2429 </programlisting>
2430 makes a polymorphic function, but <literal>b</literal> is not in scope anywhere
2431 in <literal>f4</literal>'s scope.
2432
2433 </para>
2434 </listitem>
2435 </itemizedlist>
2436 </para>
2437
2438 </sect2>
2439
2440
2441 </sect1>
2442
2443   <sect1 id="pragmas">
2444     <title>Pragmas</title>
2445
2446     <indexterm><primary>pragma</primary></indexterm>
2447
2448     <para>GHC supports several pragmas, or instructions to the
2449     compiler placed in the source code.  Pragmas don't normally affect
2450     the meaning of the program, but they might affect the efficiency
2451     of the generated code.</para>
2452
2453     <para>Pragmas all take the form
2454
2455 <literal>{-# <replaceable>word</replaceable> ... #-}</literal>  
2456
2457     where <replaceable>word</replaceable> indicates the type of
2458     pragma, and is followed optionally by information specific to that
2459     type of pragma.  Case is ignored in
2460     <replaceable>word</replaceable>.  The various values for
2461     <replaceable>word</replaceable> that GHC understands are described
2462     in the following sections; any pragma encountered with an
2463     unrecognised <replaceable>word</replaceable> is (silently)
2464     ignored.</para>
2465
2466 <sect2 id="inline-pragma">
2467 <title>INLINE pragma
2468
2469 <indexterm><primary>INLINE pragma</primary></indexterm>
2470 <indexterm><primary>pragma, INLINE</primary></indexterm></title>
2471
2472 <para>
2473 GHC (with <option>-O</option>, as always) tries to inline (or &ldquo;unfold&rdquo;)
2474 functions/values that are &ldquo;small enough,&rdquo; thus avoiding the call
2475 overhead and possibly exposing other more-wonderful optimisations.
2476 </para>
2477
2478 <para>
2479 You will probably see these unfoldings (in Core syntax) in your
2480 interface files.
2481 </para>
2482
2483 <para>
2484 Normally, if GHC decides a function is &ldquo;too expensive&rdquo; to inline, it
2485 will not do so, nor will it export that unfolding for other modules to
2486 use.
2487 </para>
2488
2489 <para>
2490 The sledgehammer you can bring to bear is the
2491 <literal>INLINE</literal><indexterm><primary>INLINE pragma</primary></indexterm> pragma, used thusly:
2492
2493 <programlisting>
2494 key_function :: Int -> String -> (Bool, Double)
2495
2496 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
2497 {-# INLINE key_function #-}
2498 #endif
2499 </programlisting>
2500
2501 (You don't need to do the C pre-processor carry-on unless you're going
2502 to stick the code through HBC&mdash;it doesn't like <literal>INLINE</literal> pragmas.)
2503 </para>
2504
2505 <para>
2506 The major effect of an <literal>INLINE</literal> pragma is to declare a function's
2507 &ldquo;cost&rdquo; to be very low.  The normal unfolding machinery will then be
2508 very keen to inline it.
2509 </para>
2510
2511 <para>
2512 An <literal>INLINE</literal> pragma for a function can be put anywhere its type
2513 signature could be put.
2514 </para>
2515
2516 <para>
2517 <literal>INLINE</literal> pragmas are a particularly good idea for the
2518 <literal>then</literal>/<literal>return</literal> (or <literal>bind</literal>/<literal>unit</literal>) functions in a monad.
2519 For example, in GHC's own <literal>UniqueSupply</literal> monad code, we have:
2520
2521 <programlisting>
2522 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
2523 {-# INLINE thenUs #-}
2524 {-# INLINE returnUs #-}
2525 #endif
2526 </programlisting>
2527
2528 </para>
2529
2530 </sect2>
2531
2532 <sect2 id="noinline-pragma">
2533 <title>NOINLINE pragma
2534 </title>
2535
2536 <indexterm><primary>NOINLINE pragma</primary></indexterm>
2537 <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>NOINLINE</secondary></indexterm>
2538 <indexterm><primary>NOTINLINE pragma</primary></indexterm>
2539 <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>NOTINLINE</secondary></indexterm>
2540
2541 <para>
2542 The <literal>NOINLINE</literal> pragma does exactly what you'd expect:
2543 it stops the named function from being inlined by the compiler.  You
2544 shouldn't ever need to do this, unless you're very cautious about code
2545 size.
2546 </para>
2547
2548 <para><literal>NOTINLINE</literal> is a synonym for
2549 <literal>NOINLINE</literal> (<literal>NOTINLINE</literal> is specified
2550 by Haskell 98 as the standard way to disable inlining, so it should be
2551 used if you want your code to be portable).</para>
2552
2553 </sect2>
2554
2555     <sect2 id="specialize-pragma">
2556       <title>SPECIALIZE pragma</title>
2557
2558       <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
2559       <indexterm><primary>pragma, SPECIALIZE</primary></indexterm>
2560       <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
2561
2562       <para>(UK spelling also accepted.)  For key overloaded
2563       functions, you can create extra versions (NB: more code space)
2564       specialised to particular types.  Thus, if you have an
2565       overloaded function:</para>
2566
2567 <programlisting>
2568 hammeredLookup :: Ord key => [(key, value)] -> key -> value
2569 </programlisting>
2570
2571       <para>If it is heavily used on lists with
2572       <literal>Widget</literal> keys, you could specialise it as
2573       follows:</para>
2574
2575 <programlisting>
2576 {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Widget, value)] -> Widget -> value #-}
2577 </programlisting>
2578
2579       <para>To get very fancy, you can also specify a named function
2580       to use for the specialised value, as in:</para>
2581
2582 <programlisting>
2583 {-# RULES hammeredLookup = blah #-}
2584 </programlisting>
2585
2586       <para>where <literal>blah</literal> is an implementation of
2587       <literal>hammerdLookup</literal> written specialy for
2588       <literal>Widget</literal> lookups.  It's <emphasis>Your
2589       Responsibility</emphasis> to make sure that
2590       <function>blah</function> really behaves as a specialised
2591       version of <function>hammeredLookup</function>!!!</para>
2592
2593       <para>Note we use the <literal>RULE</literal> pragma here to
2594       indicate that <literal>hammeredLookup</literal> applied at a
2595       certain type should be replaced by <literal>blah</literal>.  See
2596       <xref linkend="rules"> for more information on
2597       <literal>RULES</literal>.</para>
2598
2599       <para>An example in which using <literal>RULES</literal> for
2600       specialisation will Win Big:
2601
2602 <programlisting>
2603 toDouble :: Real a => a -> Double
2604 toDouble = fromRational . toRational
2605
2606 {-# SPECIALIZE toDouble :: Int -> Double = i2d #-}
2607 i2d (I# i) = D# (int2Double# i) -- uses Glasgow prim-op directly
2608 </programlisting>
2609
2610       The <function>i2d</function> function is virtually one machine
2611       instruction; the default conversion&mdash;via an intermediate
2612       <literal>Rational</literal>&mdash;is obscenely expensive by
2613       comparison.</para>
2614
2615       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> pragma for a function can
2616       be put anywhere its type signature could be put.</para>
2617
2618     </sect2>
2619
2620 <sect2 id="specialize-instance-pragma">
2621 <title>SPECIALIZE instance pragma
2622 </title>
2623
2624 <para>
2625 <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
2626 <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
2627 Same idea, except for instance declarations.  For example:
2628
2629 <programlisting>
2630 instance (Eq a) => Eq (Foo a) where { 
2631    {-# SPECIALIZE instance Eq (Foo [(Int, Bar)]) #-}
2632    ... usual stuff ...
2633  }
2634 </programlisting>
2635 The pragma must occur inside the <literal>where</literal> part
2636 of the instance declaration.
2637 </para>
2638 <para>
2639 Compatible with HBC, by the way, except perhaps in the placement
2640 of the pragma.
2641 </para>
2642
2643 </sect2>
2644
2645 <sect2 id="line-pragma">
2646 <title>LINE pragma
2647 </title>
2648
2649 <para>
2650 <indexterm><primary>LINE pragma</primary></indexterm>
2651 <indexterm><primary>pragma, LINE</primary></indexterm>
2652 </para>
2653
2654 <para>
2655 This pragma is similar to C's <literal>&num;line</literal> pragma, and is mainly for use in
2656 automatically generated Haskell code.  It lets you specify the line
2657 number and filename of the original code; for example
2658 </para>
2659
2660 <para>
2661
2662 <programlisting>
2663 {-# LINE 42 "Foo.vhs" #-}
2664 </programlisting>
2665
2666 </para>
2667
2668 <para>
2669 if you'd generated the current file from something called <filename>Foo.vhs</filename>
2670 and this line corresponds to line 42 in the original.  GHC will adjust
2671 its error messages to refer to the line/file named in the <literal>LINE</literal>
2672 pragma.
2673 </para>
2674
2675 </sect2>
2676
2677 <sect2 id="rules">
2678 <title>RULES pragma</title>
2679
2680 <para>
2681 The RULES pragma lets you specify rewrite rules.  It is described in
2682 <xref LinkEnd="rewrite-rules">.
2683 </para>
2684
2685 </sect2>
2686
2687 <sect2 id="deprecated-pragma">
2688 <title>DEPRECATED pragma</title>
2689
2690 <para>
2691 The DEPRECATED pragma lets you specify that a particular function, class, or type, is deprecated.  
2692 There are two forms.  
2693 </para>
2694 <itemizedlist>
2695 <listitem><para>
2696 You can deprecate an entire module thus:</para>
2697 <programlisting>
2698    module Wibble {-# DEPRECATED "Use Wobble instead" #-} where
2699      ...
2700 </programlisting>
2701 <para>
2702 When you compile any module that import <literal>Wibble</literal>, GHC will print
2703 the specified message.</para>
2704 </listitem>
2705
2706 <listitem>
2707 <para>
2708 You can deprecate a function, class, or type, with the following top-level declaration:
2709 </para>
2710 <programlisting>
2711    {-# DEPRECATED f, C, T "Don't use these" #-}
2712 </programlisting>
2713 <para>
2714 When you compile any module that imports and uses any of the specifed entities, 
2715 GHC will print the specified message.
2716 </para>
2717 </listitem>
2718 </itemizedlist>
2719 <para>You can suppress the warnings with the flag <option>-fno-warn-deprecations</option>.</para>
2720
2721 </sect2>
2722
2723 </sect1>
2724
2725 <sect1 id="rewrite-rules">
2726 <title>Rewrite rules
2727
2728 <indexterm><primary>RULES pagma</primary></indexterm>
2729 <indexterm><primary>pragma, RULES</primary></indexterm>
2730 <indexterm><primary>rewrite rules</primary></indexterm></title>
2731
2732 <para>
2733 The programmer can specify rewrite rules as part of the source program
2734 (in a pragma).  GHC applies these rewrite rules wherever it can.
2735 </para>
2736
2737 <para>
2738 Here is an example:
2739
2740 <programlisting>
2741   {-# RULES
2742         "map/map"       forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
2743   #-}
2744 </programlisting>
2745
2746 </para>
2747
2748 <sect2>
2749 <title>Syntax</title>
2750
2751 <para>
2752 From a syntactic point of view:
2753
2754 <itemizedlist>
2755 <listitem>
2756
2757 <para>
2758  Each rule has a name, enclosed in double quotes.  The name itself has
2759 no significance at all.  It is only used when reporting how many times the rule fired.
2760 </para>
2761 </listitem>
2762 <listitem>
2763
2764 <para>
2765  There may be zero or more rules in a <literal>RULES</literal> pragma.
2766 </para>
2767 </listitem>
2768 <listitem>
2769
2770 <para>
2771  Layout applies in a <literal>RULES</literal> pragma.  Currently no new indentation level
2772 is set, so you must lay out your rules starting in the same column as the
2773 enclosing definitions.
2774 </para>
2775 </listitem>
2776 <listitem>
2777
2778 <para>
2779  Each variable mentioned in a rule must either be in scope (e.g. <function>map</function>),
2780 or bound by the <literal>forall</literal> (e.g. <function>f</function>, <function>g</function>, <function>xs</function>).  The variables bound by
2781 the <literal>forall</literal> are called the <emphasis>pattern</emphasis> variables.  They are separated
2782 by spaces, just like in a type <literal>forall</literal>.
2783 </para>
2784 </listitem>
2785 <listitem>
2786
2787 <para>
2788  A pattern variable may optionally have a type signature.
2789 If the type of the pattern variable is polymorphic, it <emphasis>must</emphasis> have a type signature.
2790 For example, here is the <literal>foldr/build</literal> rule:
2791
2792 <programlisting>
2793 "fold/build"  forall k z (g::forall b. (a->b->b) -> b -> b) .
2794               foldr k z (build g) = g k z
2795 </programlisting>
2796
2797 Since <function>g</function> has a polymorphic type, it must have a type signature.
2798
2799 </para>
2800 </listitem>
2801 <listitem>
2802
2803 <para>
2804 The left hand side of a rule must consist of a top-level variable applied
2805 to arbitrary expressions.  For example, this is <emphasis>not</emphasis> OK:
2806
2807 <programlisting>
2808 "wrong1"   forall e1 e2.  case True of { True -> e1; False -> e2 } = e1
2809 "wrong2"   forall f.      f True = True
2810 </programlisting>
2811
2812 In <literal>"wrong1"</literal>, the LHS is not an application; in <literal>"wrong2"</literal>, the LHS has a pattern variable
2813 in the head.
2814 </para>
2815 </listitem>
2816 <listitem>
2817
2818 <para>
2819  A rule does not need to be in the same module as (any of) the
2820 variables it mentions, though of course they need to be in scope.
2821 </para>
2822 </listitem>
2823 <listitem>
2824
2825 <para>
2826  Rules are automatically exported from a module, just as instance declarations are.
2827 </para>
2828 </listitem>
2829
2830 </itemizedlist>
2831
2832 </para>
2833
2834 </sect2>
2835
2836 <sect2>
2837 <title>Semantics</title>
2838
2839 <para>
2840 From a semantic point of view:
2841
2842 <itemizedlist>
2843 <listitem>
2844
2845 <para>
2846 Rules are only applied if you use the <option>-O</option> flag.
2847 </para>
2848 </listitem>
2849
2850 <listitem>
2851 <para>
2852  Rules are regarded as left-to-right rewrite rules.
2853 When GHC finds an expression that is a substitution instance of the LHS
2854 of a rule, it replaces the expression by the (appropriately-substituted) RHS.
2855 By "a substitution instance" we mean that the LHS can be made equal to the
2856 expression by substituting for the pattern variables.
2857
2858 </para>
2859 </listitem>
2860 <listitem>
2861
2862 <para>
2863  The LHS and RHS of a rule are typechecked, and must have the
2864 same type.
2865
2866 </para>
2867 </listitem>
2868 <listitem>
2869
2870 <para>
2871  GHC makes absolutely no attempt to verify that the LHS and RHS
2872 of a rule have the same meaning.  That is undecideable in general, and
2873 infeasible in most interesting cases.  The responsibility is entirely the programmer's!
2874
2875 </para>
2876 </listitem>
2877 <listitem>
2878
2879 <para>
2880  GHC makes no attempt to make sure that the rules are confluent or
2881 terminating.  For example:
2882
2883 <programlisting>
2884   "loop"        forall x,y.  f x y = f y x
2885 </programlisting>
2886
2887 This rule will cause the compiler to go into an infinite loop.
2888
2889 </para>
2890 </listitem>
2891 <listitem>
2892
2893 <para>
2894  If more than one rule matches a call, GHC will choose one arbitrarily to apply.
2895
2896 </para>
2897 </listitem>
2898 <listitem>
2899 <para>
2900  GHC currently uses a very simple, syntactic, matching algorithm
2901 for matching a rule LHS with an expression.  It seeks a substitution
2902 which makes the LHS and expression syntactically equal modulo alpha
2903 conversion.  The pattern (rule), but not the expression, is eta-expanded if
2904 necessary.  (Eta-expanding the epression can lead to laziness bugs.)
2905 But not beta conversion (that's called higher-order matching).
2906 </para>
2907
2908 <para>
2909 Matching is carried out on GHC's intermediate language, which includes
2910 type abstractions and applications.  So a rule only matches if the
2911 types match too.  See <xref LinkEnd="rule-spec"> below.
2912 </para>
2913 </listitem>
2914 <listitem>
2915
2916 <para>
2917  GHC keeps trying to apply the rules as it optimises the program.
2918 For example, consider:
2919
2920 <programlisting>
2921   let s = map f
2922       t = map g
2923   in
2924   s (t xs)
2925 </programlisting>
2926
2927 The expression <literal>s (t xs)</literal> does not match the rule <literal>"map/map"</literal>, but GHC
2928 will substitute for <VarName>s</VarName> and <VarName>t</VarName>, giving an expression which does match.
2929 If <VarName>s</VarName> or <VarName>t</VarName> was (a) used more than once, and (b) large or a redex, then it would
2930 not be substituted, and the rule would not fire.
2931
2932 </para>
2933 </listitem>
2934 <listitem>
2935
2936 <para>
2937  In the earlier phases of compilation, GHC inlines <emphasis>nothing
2938 that appears on the LHS of a rule</emphasis>, because once you have substituted
2939 for something you can't match against it (given the simple minded
2940 matching).  So if you write the rule
2941
2942 <programlisting>
2943         "map/map"       forall f,g.  map f . map g = map (f.g)
2944 </programlisting>
2945
2946 this <emphasis>won't</emphasis> match the expression <literal>map f (map g xs)</literal>.
2947 It will only match something written with explicit use of ".".
2948 Well, not quite.  It <emphasis>will</emphasis> match the expression
2949
2950 <programlisting>
2951 wibble f g xs
2952 </programlisting>
2953
2954 where <function>wibble</function> is defined:
2955
2956 <programlisting>
2957 wibble f g = map f . map g
2958 </programlisting>
2959
2960 because <function>wibble</function> will be inlined (it's small).
2961
2962 Later on in compilation, GHC starts inlining even things on the
2963 LHS of rules, but still leaves the rules enabled.  This inlining
2964 policy is controlled by the per-simplification-pass flag <option>-finline-phase</option><emphasis>n</emphasis>.
2965
2966 </para>
2967 </listitem>
2968 <listitem>
2969
2970 <para>
2971  All rules are implicitly exported from the module, and are therefore
2972 in force in any module that imports the module that defined the rule, directly
2973 or indirectly.  (That is, if A imports B, which imports C, then C's rules are
2974 in force when compiling A.)  The situation is very similar to that for instance
2975 declarations.
2976 </para>
2977 </listitem>
2978
2979 </itemizedlist>
2980
2981 </para>
2982
2983 </sect2>
2984
2985 <sect2>
2986 <title>List fusion</title>
2987
2988 <para>
2989 The RULES mechanism is used to implement fusion (deforestation) of common list functions.
2990 If a "good consumer" consumes an intermediate list constructed by a "good producer", the
2991 intermediate list should be eliminated entirely.
2992 </para>
2993
2994 <para>
2995 The following are good producers:
2996
2997 <itemizedlist>
2998 <listitem>
2999
3000 <para>
3001  List comprehensions
3002 </para>
3003 </listitem>
3004 <listitem>
3005
3006 <para>
3007  Enumerations of <literal>Int</literal> and <literal>Char</literal> (e.g. <literal>['a'..'z']</literal>).
3008 </para>
3009 </listitem>
3010 <listitem>
3011
3012 <para>
3013  Explicit lists (e.g. <literal>[True, False]</literal>)
3014 </para>
3015 </listitem>
3016 <listitem>
3017
3018 <para>
3019  The cons constructor (e.g <literal>3:4:[]</literal>)
3020 </para>
3021 </listitem>
3022 <listitem>
3023
3024 <para>
3025  <function>++</function>
3026 </para>
3027 </listitem>
3028
3029 <listitem>
3030 <para>
3031  <function>map</function>
3032 </para>
3033 </listitem>
3034
3035 <listitem>
3036 <para>
3037  <function>filter</function>
3038 </para>
3039 </listitem>
3040 <listitem>
3041
3042 <para>
3043  <function>iterate</function>, <function>repeat</function>
3044 </para>
3045 </listitem>
3046 <listitem>
3047
3048 <para>
3049  <function>zip</function>, <function>zipWith</function>
3050 </para>
3051 </listitem>
3052
3053 </itemizedlist>
3054
3055 </para>
3056
3057 <para>
3058 The following are good consumers:
3059
3060 <itemizedlist>
3061 <listitem>
3062
3063 <para>
3064  List comprehensions
3065 </para>
3066 </listitem>
3067 <listitem>
3068
3069 <para>
3070  <function>array</function> (on its second argument)
3071 </para>
3072 </listitem>
3073 <listitem>
3074
3075 <para>
3076  <function>length</function>
3077 </para>
3078 </listitem>
3079 <listitem>
3080
3081 <para>
3082  <function>++</function> (on its first argument)
3083 </para>
3084 </listitem>
3085
3086 <listitem>
3087 <para>
3088  <function>foldr</function>
3089 </para>
3090 </listitem>
3091
3092 <listitem>
3093 <para>
3094  <function>map</function>
3095 </para>
3096 </listitem>
3097 <listitem>
3098
3099 <para>
3100  <function>filter</function>
3101 </para>
3102 </listitem>
3103 <listitem>
3104
3105 <para>
3106  <function>concat</function>
3107 </para>
3108 </listitem>
3109 <listitem>
3110
3111 <para>
3112  <function>unzip</function>, <function>unzip2</function>, <function>unzip3</function>, <function>unzip4</function>
3113 </para>
3114 </listitem>
3115 <listitem>
3116
3117 <para>
3118  <function>zip</function>, <function>zipWith</function> (but on one argument only; if both are good producers, <function>zip</function>
3119 will fuse with one but not the other)
3120 </para>
3121 </listitem>
3122 <listitem>
3123
3124 <para>
3125  <function>partition</function>
3126 </para>
3127 </listitem>
3128 <listitem>
3129
3130 <para>
3131  <function>head</function>
3132 </para>
3133 </listitem>
3134 <listitem>
3135
3136 <para>
3137  <function>and</function>, <function>or</function>, <function>any</function>, <function>all</function>
3138 </para>
3139 </listitem>
3140 <listitem>
3141
3142 <para>
3143  <function>sequence&lowbar;</function>
3144 </para>
3145 </listitem>
3146 <listitem>
3147
3148 <para>
3149  <function>msum</function>
3150 </para>
3151 </listitem>
3152 <listitem>
3153
3154 <para>
3155  <function>sortBy</function>
3156 </para>
3157 </listitem>
3158
3159 </itemizedlist>
3160
3161 </para>
3162
3163 <para>
3164 So, for example, the following should generate no intermediate lists:
3165
3166 <programlisting>
3167 array (1,10) [(i,i*i) | i &#60;- map (+ 1) [0..9]]
3168 </programlisting>
3169
3170 </para>
3171
3172 <para>
3173 This list could readily be extended; if there are Prelude functions that you use
3174 a lot which are not included, please tell us.
3175 </para>
3176
3177 <para>
3178 If you want to write your own good consumers or producers, look at the
3179 Prelude definitions of the above functions to see how to do so.
3180 </para>
3181
3182 </sect2>
3183
3184 <sect2 id="rule-spec">
3185 <title>Specialisation
3186 </title>
3187
3188 <para>
3189 Rewrite rules can be used to get the same effect as a feature
3190 present in earlier version of GHC:
3191
3192 <programlisting>
3193   {-# SPECIALIZE fromIntegral :: Int8 -> Int16 = int8ToInt16 #-}
3194 </programlisting>
3195
3196 This told GHC to use <function>int8ToInt16</function> instead of <function>fromIntegral</function> whenever
3197 the latter was called with type <literal>Int8 -&gt; Int16</literal>.  That is, rather than
3198 specialising the original definition of <function>fromIntegral</function> the programmer is
3199 promising that it is safe to use <function>int8ToInt16</function> instead.
3200 </para>
3201
3202 <para>
3203 This feature is no longer in GHC.  But rewrite rules let you do the
3204 same thing:
3205
3206 <programlisting>
3207 {-# RULES
3208   "fromIntegral/Int8/Int16" fromIntegral = int8ToInt16
3209 #-}
3210 </programlisting>
3211
3212 This slightly odd-looking rule instructs GHC to replace <function>fromIntegral</function>
3213 by <function>int8ToInt16</function> <emphasis>whenever the types match</emphasis>.  Speaking more operationally,
3214 GHC adds the type and dictionary applications to get the typed rule
3215
3216 <programlisting>
3217 forall (d1::Integral Int8) (d2::Num Int16) .
3218         fromIntegral Int8 Int16 d1 d2 = int8ToInt16
3219 </programlisting>
3220
3221 What is more,
3222 this rule does not need to be in the same file as fromIntegral,
3223 unlike the <literal>SPECIALISE</literal> pragmas which currently do (so that they
3224 have an original definition available to specialise).
3225 </para>
3226
3227 </sect2>
3228
3229 <sect2>
3230 <title>Controlling what's going on</title>
3231
3232 <para>
3233
3234 <itemizedlist>
3235 <listitem>
3236
3237 <para>
3238  Use <option>-ddump-rules</option> to see what transformation rules GHC is using.
3239 </para>
3240 </listitem>
3241 <listitem>
3242
3243 <para>
3244  Use <option>-ddump-simpl-stats</option> to see what rules are being fired.
3245 If you add <option>-dppr-debug</option> you get a more detailed listing.
3246 </para>
3247 </listitem>
3248 <listitem>
3249
3250 <para>
3251  The defintion of (say) <function>build</function> in <FileName>PrelBase.lhs</FileName> looks llike this:
3252
3253 <programlisting>
3254         build   :: forall a. (forall b. (a -> b -> b) -> b -> b) -> [a]
3255         {-# INLINE build #-}
3256         build g = g (:) []
3257 </programlisting>
3258
3259 Notice the <literal>INLINE</literal>!  That prevents <literal>(:)</literal> from being inlined when compiling
3260 <literal>PrelBase</literal>, so that an importing module will &ldquo;see&rdquo; the <literal>(:)</literal>, and can
3261 match it on the LHS of a rule.  <literal>INLINE</literal> prevents any inlining happening
3262 in the RHS of the <literal>INLINE</literal> thing.  I regret the delicacy of this.
3263
3264 </para>
3265 </listitem>
3266 <listitem>
3267
3268 <para>
3269  In <filename>ghc/lib/std/PrelBase.lhs</filename> look at the rules for <function>map</function> to
3270 see how to write rules that will do fusion and yet give an efficient
3271 program even if fusion doesn't happen.  More rules in <filename>PrelList.lhs</filename>.
3272 </para>
3273 </listitem>
3274
3275 </itemizedlist>
3276
3277 </para>
3278
3279 </sect2>
3280
3281 </sect1>
3282
3283 <sect1 id="generic-classes">
3284 <title>Generic classes</title>
3285
3286     <para>(Note: support for generic classes is currently broken in
3287     GHC 5.02).</para>
3288
3289 <para>
3290 The ideas behind this extension are described in detail in "Derivable type classes",
3291 Ralf Hinze and Simon Peyton Jones, Haskell Workshop, Montreal Sept 2000, pp94-105.
3292 An example will give the idea:
3293 </para>
3294
3295 <programlisting>
3296   import Generics
3297
3298   class Bin a where
3299     toBin   :: a -> [Int]
3300     fromBin :: [Int] -> (a, [Int])
3301   
3302     toBin {| Unit |}    Unit      = []
3303     toBin {| a :+: b |} (Inl x)   = 0 : toBin x
3304     toBin {| a :+: b |} (Inr y)   = 1 : toBin y
3305     toBin {| a :*: b |} (x :*: y) = toBin x ++ toBin y
3306   
3307     fromBin {| Unit |}    bs      = (Unit, bs)
3308     fromBin {| a :+: b |} (0:bs)  = (Inl x, bs')    where (x,bs') = fromBin bs
3309     fromBin {| a :+: b |} (1:bs)  = (Inr y, bs')    where (y,bs') = fromBin bs
3310     fromBin {| a :*: b |} bs      = (x :*: y, bs'') where (x,bs' ) = fromBin bs
3311                                                           (y,bs'') = fromBin bs'
3312 </programlisting>
3313 <para>
3314 This class declaration explains how <literal>toBin</literal> and <literal>fromBin</literal>
3315 work for arbitrary data types.  They do so by giving cases for unit, product, and sum,
3316 which are defined thus in the library module <literal>Generics</literal>:
3317 </para>
3318 <programlisting>
3319   data Unit    = Unit
3320   data a :+: b = Inl a | Inr b
3321   data a :*: b = a :*: b
3322 </programlisting>
3323 <para>
3324 Now you can make a data type into an instance of Bin like this:
3325 <programlisting>
3326   instance (Bin a, Bin b) => Bin (a,b)
3327   instance Bin a => Bin [a]
3328 </programlisting>
3329 That is, just leave off the "where" clasuse.  Of course, you can put in the
3330 where clause and over-ride whichever methods you please.
3331 </para>
3332
3333     <sect2>
3334       <title> Using generics </title>
3335       <para>To use generics you need to</para>
3336       <itemizedlist>
3337         <listitem>
3338           <para>Use the flags <option>-fglasgow-exts</option> (to enable the extra syntax), 
3339                 <option>-fgenerics</option> (to generate extra per-data-type code),
3340                 and <option>-package lang</option> (to make the <literal>Generics</literal> library
3341                 available.  </para>
3342         </listitem>
3343         <listitem>
3344           <para>Import the module <literal>Generics</literal> from the
3345           <literal>lang</literal> package.  This import brings into
3346           scope the data types <literal>Unit</literal>,
3347           <literal>:*:</literal>, and <literal>:+:</literal>.  (You
3348           don't need this import if you don't mention these types
3349           explicitly; for example, if you are simply giving instance
3350           declarations.)</para>
3351         </listitem>
3352       </itemizedlist>
3353     </sect2>
3354
3355 <sect2> <title> Changes wrt the paper </title>
3356 <para>
3357 Note that the type constructors <literal>:+:</literal> and <literal>:*:</literal> 
3358 can be written infix (indeed, you can now use
3359 any operator starting in a colon as an infix type constructor).  Also note that
3360 the type constructors are not exactly as in the paper (Unit instead of 1, etc).
3361 Finally, note that the syntax of the type patterns in the class declaration
3362 uses "<literal>{|</literal>" and "<literal>|}</literal>" brackets; curly braces
3363 alone would ambiguous when they appear on right hand sides (an extension we 
3364 anticipate wanting).
3365 </para>
3366 </sect2>
3367
3368 <sect2> <title>Terminology and restrictions</title>
3369 <para>
3370 Terminology.  A "generic default method" in a class declaration
3371 is one that is defined using type patterns as above.
3372 A "polymorphic default method" is a default method defined as in Haskell 98.
3373 A "generic class declaration" is a class declaration with at least one
3374 generic default method.
3375 </para>
3376
3377 <para>
3378 Restrictions:
3379 <itemizedlist>
3380 <listitem>
3381 <para>
3382 Alas, we do not yet implement the stuff about constructor names and 
3383 field labels.
3384 </para>
3385 </listitem>
3386
3387 <listitem>
3388 <para>
3389 A generic class can have only one parameter; you can't have a generic
3390 multi-parameter class.
3391 </para>
3392 </listitem>
3393
3394 <listitem>
3395 <para>
3396 A default method must be defined entirely using type patterns, or entirely
3397 without.  So this is illegal:
3398 <programlisting>
3399   class Foo a where
3400     op :: a -> (a, Bool)
3401     op {| Unit |} Unit = (Unit, True)
3402     op x               = (x,    False)
3403 </programlisting>
3404 However it is perfectly OK for some methods of a generic class to have 
3405 generic default methods and others to have polymorphic default methods.
3406 </para>
3407 </listitem>
3408
3409 <listitem>
3410 <para>
3411 The type variable(s) in the type pattern for a generic method declaration
3412 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:
3413 <programlisting>
3414   class Foo a where
3415     op :: a -> Bool
3416     op {| p :*: q |} (x :*: y) = op (x :: p)
3417     ...
3418 </programlisting>
3419 </para>
3420 </listitem>
3421
3422 <listitem>
3423 <para>
3424 The type patterns in a generic default method must take one of the forms:
3425 <programlisting>
3426        a :+: b
3427        a :*: b
3428        Unit
3429 </programlisting>
3430 where "a" and "b" are type variables.  Furthermore, all the type patterns for
3431 a single type constructor (<literal>:*:</literal>, say) must be identical; they
3432 must use the same type variables.  So this is illegal:
3433 <programlisting>
3434   class Foo a where
3435     op :: a -> Bool
3436     op {| a :+: b |} (Inl x) = True
3437     op {| p :+: q |} (Inr y) = False
3438 </programlisting>
3439 The type patterns must be identical, even in equations for different methods of the class.
3440 So this too is illegal:
3441 <programlisting>
3442   class Foo a where
3443     op1 :: a -> Bool
3444     op1 {| a :*: b |} (x :*: y) = True
3445
3446     op2 :: a -> Bool
3447     op2 {| p :*: q |} (x :*: y) = False
3448 </programlisting>
3449 (The reason for this restriction is that we gather all the equations for a particular type consructor
3450 into a single generic instance declaration.)
3451 </para>
3452 </listitem>
3453
3454 <listitem>
3455 <para>
3456 A generic method declaration must give a case for each of the three type constructors.
3457 </para>
3458 </listitem>
3459
3460 <listitem>
3461 <para>
3462 The type for a generic method can be built only from:
3463   <itemizedlist>
3464   <listitem> <para> Function arrows </para> </listitem>
3465   <listitem> <para> Type variables </para> </listitem>
3466   <listitem> <para> Tuples </para> </listitem>
3467   <listitem> <para> Arbitrary types not involving type variables </para> </listitem>
3468   </itemizedlist>
3469 Here are some example type signatures for generic methods:
3470 <programlisting>
3471     op1 :: a -> Bool
3472     op2 :: Bool -> (a,Bool)
3473     op3 :: [Int] -> a -> a
3474     op4 :: [a] -> Bool
3475 </programlisting>
3476 Here, op1, op2, op3 are OK, but op4 is rejected, because it has a type variable
3477 inside a list.  
3478 </para>
3479 <para>
3480 This restriction is an implementation restriction: we just havn't got around to
3481 implementing the necessary bidirectional maps over arbitrary type constructors.
3482 It would be relatively easy to add specific type constructors, such as Maybe and list,
3483 to the ones that are allowed.</para>
3484 </listitem>
3485
3486 <listitem>
3487 <para>
3488 In an instance declaration for a generic class, the idea is that the compiler
3489 will fill in the methods for you, based on the generic templates.  However it can only
3490 do so if
3491   <itemizedlist>
3492   <listitem>
3493   <para>
3494   The instance type is simple (a type constructor applied to type variables, as in Haskell 98).
3495   </para>
3496   </listitem>
3497   <listitem>
3498   <para>
3499   No constructor of the instance type has unboxed fields.
3500   </para>
3501   </listitem>
3502   </itemizedlist>
3503 (Of course, these things can only arise if you are already using GHC extensions.)
3504 However, you can still give an instance declarations for types which break these rules,
3505 provided you give explicit code to override any generic default methods.
3506 </para>
3507 </listitem>
3508
3509 </itemizedlist>
3510 </para>
3511
3512 <para>
3513 The option <option>-ddump-deriv</option> dumps incomprehensible stuff giving details of 
3514 what the compiler does with generic declarations.
3515 </para>
3516
3517 </sect2>
3518
3519 <sect2> <title> Another example </title>
3520 <para>
3521 Just to finish with, here's another example I rather like:
3522 <programlisting>
3523   class Tag a where
3524     nCons :: a -> Int
3525     nCons {| Unit |}    _ = 1
3526     nCons {| a :*: b |} _ = 1
3527     nCons {| a :+: b |} _ = nCons (bot::a) + nCons (bot::b)
3528   
3529     tag :: a -> Int
3530     tag {| Unit |}    _       = 1
3531     tag {| a :*: b |} _       = 1   
3532     tag {| a :+: b |} (Inl x) = tag x
3533     tag {| a :+: b |} (Inr y) = nCons (bot::a) + tag y
3534 </programlisting>
3535 </para>
3536 </sect2>
3537 </sect1>
3538
3539 <!-- Emacs stuff:
3540      ;;; Local Variables: ***
3541      ;;; mode: sgml ***
3542      ;;; sgml-parent-document: ("users_guide.sgml" "book" "chapter" "sect1") ***
3543      ;;; End: ***
3544  -->