3669baab395282bff050d40c755b15211de55c71
[ghc-hetmet.git] / ghc / docs / users_guide / glasgow_exts.sgml
1 <para>
2 <indexterm><primary>language, GHC</primary></indexterm>
3 <indexterm><primary>extensions, GHC</primary></indexterm>
4 As with all known Haskell systems, GHC implements some extensions to
5 the language.  To use them, you'll need to give a <option>-fglasgow-exts</option>
6 <indexterm><primary>-fglasgow-exts option</primary></indexterm> option.
7 </para>
8
9 <para>
10 Virtually all of the Glasgow extensions serve to give you access to
11 the underlying facilities with which we implement Haskell.  Thus, you
12 can get at the Raw Iron, if you are willing to write some non-standard
13 code at a more primitive level.  You need not be &ldquo;stuck&rdquo; on
14 performance because of the implementation costs of Haskell's
15 &ldquo;high-level&rdquo; features&mdash;you can always code &ldquo;under&rdquo; them.  In an extreme case, you can write all your time-critical code in C, and then just glue it together with Haskell!
16 </para>
17
18 <para>
19 Executive summary of our extensions:
20 </para>
21
22   <variablelist>
23
24     <varlistentry>
25       <term>Unboxed types and primitive operations:</Term>
26       <listitem>
27         <para>You can get right down to the raw machine types and
28         operations; included in this are &ldquo;primitive
29         arrays&rdquo; (direct access to Big Wads of Bytes).  Please
30         see <XRef LinkEnd="glasgow-unboxed"> and following.</para>
31       </listitem>
32     </varlistentry>
33
34     <varlistentry>
35       <term>Type system extensions:</term>
36       <listitem>
37         <para> GHC supports a large number of extensions to Haskell's
38         type system.  Specifically:</para>
39
40         <variablelist>
41           <varlistentry>
42             <term>Multi-parameter type classes:</term>
43             <listitem>
44               <para><xref LinkEnd="multi-param-type-classes"></para>
45             </listitem>
46           </varlistentry>
47
48           <varlistentry>
49             <term>Functional dependencies:</term>
50             <listitem>
51               <para><xref LinkEnd="functional-dependencies"></para>
52             </listitem>
53           </varlistentry>
54
55           <varlistentry>
56             <term>Implicit parameters:</term>
57             <listitem>
58               <para><xref LinkEnd="implicit-parameters"></para>
59             </listitem>
60           </varlistentry>
61
62           <varlistentry>
63             <term>Linear implicit parameters:</term>
64             <listitem>
65               <para><xref LinkEnd="linear-implicit-parameters"></para>
66             </listitem>
67           </varlistentry>
68
69           <varlistentry>
70             <term>Local universal quantification:</term>
71             <listitem>
72               <para><xref LinkEnd="universal-quantification"></para>
73             </listitem>
74           </varlistentry>
75
76           <varlistentry>
77             <term>Extistentially quantification in data types:</term>
78             <listitem>
79               <para><xref LinkEnd="existential-quantification"></para>
80             </listitem>
81           </varlistentry>
82
83           <varlistentry>
84             <term>Scoped type variables:</term>
85             <listitem>
86               <para>Scoped type variables enable the programmer to
87               supply type signatures for some nested declarations,
88               where this would not be legal in Haskell 98.  Details in
89               <xref LinkEnd="scoped-type-variables">.</para>
90             </listitem>
91           </varlistentry>
92         </variablelist>
93       </listitem>
94     </varlistentry>
95
96     <varlistentry>
97       <term>Pattern guards</term>
98       <listitem>
99         <para>Instead of being a boolean expression, a guard is a list
100         of qualifiers, exactly as in a list comprehension. See <xref
101         LinkEnd="pattern-guards">.</para>
102       </listitem>
103     </varlistentry>
104
105     <varlistentry>
106       <term>Data types with no constructors</term>
107       <listitem>
108         <para>See <xref LinkEnd="nullary-types">.</para>
109       </listitem>
110     </varlistentry>
111
112     <varlistentry>
113       <term>Parallel list comprehensions</term>
114       <listitem>
115         <para>An extension to the list comprehension syntax to support
116         <literal>zipWith</literal>-like functionality.  See <xref
117         linkend="parallel-list-comprehensions">.</para>
118       </listitem>
119     </varlistentry>
120
121     <varlistentry>
122       <term>Foreign calling:</term>
123       <listitem>
124         <para>Just what it sounds like.  We provide
125         <emphasis>lots</emphasis> of rope that you can dangle around
126         your neck.  Please see <xref LinkEnd="ffi">.</para>
127       </listitem>
128     </varlistentry>
129
130     <varlistentry>
131       <term>Pragmas</term>
132       <listitem>
133         <para>Pragmas are special instructions to the compiler placed
134         in the source file.  The pragmas GHC supports are described in
135         <xref LinkEnd="pragmas">.</para>
136       </listitem>
137     </varlistentry>
138
139     <varlistentry>
140       <term>Rewrite rules:</term>
141       <listitem>
142         <para>The programmer can specify rewrite rules as part of the
143         source program (in a pragma).  GHC applies these rewrite rules
144         wherever it can.  Details in <xref
145         LinkEnd="rewrite-rules">.</para>
146       </listitem>
147     </varlistentry>
148
149     <varlistentry>
150       <term>Generic classes:</term>
151       <listitem>
152         <para>(Note: support for generic classes is currently broken
153         in GHC 5.02).</para>
154
155         <para>Generic class declarations allow you to define a class
156         whose methods say how to work over an arbitrary data type.
157         Then it's really easy to make any new type into an instance of
158         the class.  This generalises the rather ad-hoc "deriving"
159         feature of Haskell 98.  Details in <xref
160         LinkEnd="generic-classes">.</para>
161       </listitem>
162     </varlistentry>
163   </variablelist>
164
165 <para>
166 Before you get too carried away working at the lowest level (e.g.,
167 sloshing <literal>MutableByteArray&num;</literal>s around your
168 program), you may wish to check if there are libraries that provide a
169 &ldquo;Haskellised veneer&rdquo; over the features you want.  See
170 <xref linkend="book-hslibs">.
171 </para>
172
173   <sect1 id="options-language">
174     <title>Language options</title>
175
176     <indexterm><primary>language</primary><secondary>option</secondary>
177     </indexterm>
178     <indexterm><primary>options</primary><secondary>language</secondary>
179     </indexterm>
180     <indexterm><primary>extensions</primary><secondary>options controlling</secondary>
181     </indexterm>
182
183     <para> These flags control what variation of the language are
184     permitted.  Leaving out all of them gives you standard Haskell
185     98.</para>
186
187     <variablelist>
188
189       <varlistentry>
190         <term><option>-fglasgow-exts</option>:</term>
191         <indexterm><primary><option>-fglasgow-exts</option></primary></indexterm>
192         <listitem>
193           <para>This simultaneously enables all of the extensions to
194           Haskell 98 described in <xref
195           linkend="ghc-language-features">, except where otherwise
196           noted. </para>
197         </listitem>
198       </varlistentry>
199
200       <varlistentry>
201         <term><option>-fno-monomorphism-restriction</option>:</term>
202         <indexterm><primary><option>-fno-monomorphism-restriction</option></primary></indexterm>
203         <listitem>
204           <para> Switch off the Haskell 98 monomorphism restriction.
205           Independent of the <option>-fglasgow-exts</option>
206           flag. </para>
207         </listitem>
208       </varlistentry>
209
210       <varlistentry>
211         <term><option>-fallow-overlapping-instances</option></term>
212         <term><option>-fallow-undecidable-instances</option></term>
213         <term><option>-fcontext-stack</option></term>
214         <indexterm><primary><option>-fallow-overlapping-instances</option></primary></indexterm>
215         <indexterm><primary><option>-fallow-undecidable-instances</option></primary></indexterm>
216         <indexterm><primary><option>-fcontext-stack</option></primary></indexterm>
217         <listitem>
218           <para> See <xref LinkEnd="instance-decls">.  Only relevant
219           if you also use <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
220         </listitem>
221       </varlistentry>
222
223       <varlistentry>
224         <term><option>-finline-phase</option></term>
225         <indexterm><primary><option>-finline-phase</option></primary></indexterm>
226         <listitem>
227           <para>See <xref LinkEnd="rewrite-rules">.  Only relevant if
228           you also use <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
229         </listitem>
230       </varlistentry>
231
232       <varlistentry>
233         <term><option>-fgenerics</option></term>
234         <indexterm><primary><option>-fgenerics</option></primary></indexterm>
235         <listitem>
236           <para>See <xref LinkEnd="generic-classes">.  Independent of
237           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
238         </listitem>
239       </varlistentry>
240
241         <varlistentry>
242           <term><option>-fno-implicit-prelude</option></term>
243           <listitem>
244             <para><indexterm><primary>-fno-implicit-prelude
245             option</primary></indexterm> GHC normally imports
246             <filename>Prelude.hi</filename> files for you.  If you'd
247             rather it didn't, then give it a
248             <option>-fno-implicit-prelude</option> option.  The idea
249             is that you can then import a Prelude of your own.  (But
250             don't call it <literal>Prelude</literal>; the Haskell
251             module namespace is flat, and you must not conflict with
252             any Prelude module.)</para>
253
254             <para>Even though you have not imported the Prelude, all
255             the built-in syntax still refers to the built-in Haskell
256             Prelude types and values, as specified by the Haskell
257             Report.  For example, the type <literal>[Int]</literal>
258             still means <literal>Prelude.[] Int</literal>; tuples
259             continue to refer to the standard Prelude tuples; the
260             translation for list comprehensions continues to use
261             <literal>Prelude.map</literal> etc.</para>
262
263             <para> With one group of exceptions!  You may want to
264             define your own numeric class hierarchy.  It completely
265             defeats that purpose if the literal "1" means
266             "<literal>Prelude.fromInteger 1</literal>", which is what
267             the Haskell Report specifies.  So the
268             <option>-fno-implicit-prelude</option> flag causes the
269             following pieces of built-in syntax to refer to <emphasis>whatever
270             is in scope</emphasis>, not the Prelude versions:</para>
271
272             <itemizedlist>
273               <listitem>
274                 <para>Integer and fractional literals mean
275                 "<literal>fromInteger 1</literal>" and
276                 "<literal>fromRational 3.2</literal>", not the
277                 Prelude-qualified versions; both in expressions and in
278                 patterns.</para>
279               </listitem>
280
281               <listitem>
282                 <para>Negation (e.g. "<literal>- (f x)</literal>")
283                 means "<literal>negate (f x)</literal>" (not
284                 <literal>Prelude.negate</literal>).</para>
285               </listitem>
286
287               <listitem>
288                 <para>In an n+k pattern, the standard Prelude
289                 <literal>Ord</literal> class is still used for comparison,
290                 but the necessary subtraction uses whatever
291                 "<literal>(-)</literal>" is in scope (not
292                 "<literal>Prelude.(-)</literal>").</para>
293               </listitem>
294             </itemizedlist>
295
296              <para>Note: Negative literals, such as <literal>-3</literal>, are
297              specified by (a careful reading of) the Haskell Report as 
298              meaning <literal>Prelude.negate (Prelude.fromInteger 3)</literal>.
299              However, GHC deviates from this slightly, and treats them as meaning
300              <literal>fromInteger (-3)</literal>.  One particular effect of this
301              slightly-non-standard reading is that there is no difficulty with
302              the literal <literal>-2147483648</literal> at type <literal>Int</literal>;
303              it means <literal>fromInteger (-2147483648)</literal>.  The strict interpretation
304              would be <literal>negate (fromInteger 2147483648)</literal>,
305              and the call to <literal>fromInteger</literal> would overflow
306              (at type <literal>Int</literal>, remember).
307              </para>
308
309           </listitem>
310         </varlistentry>
311
312     </variablelist>
313   </sect1>
314
315 <!-- UNBOXED TYPES AND PRIMITIVE OPERATIONS -->
316 &primitives;
317
318 <sect1 id="glasgow-ST-monad">
319 <title>Primitive state-transformer monad</title>
320
321 <para>
322 <indexterm><primary>state transformers (Glasgow extensions)</primary></indexterm>
323 <indexterm><primary>ST monad (Glasgow extension)</primary></indexterm>
324 </para>
325
326 <para>
327 This monad underlies our implementation of arrays, mutable and
328 immutable, and our implementation of I/O, including &ldquo;C calls&rdquo;.
329 </para>
330
331 <para>
332 The <literal>ST</literal> library, which provides access to the
333 <function>ST</function> monad, is described in <xref
334 linkend="sec-ST">.
335 </para>
336
337 </sect1>
338
339 <sect1 id="glasgow-prim-arrays">
340 <title>Primitive arrays, mutable and otherwise
341 </title>
342
343 <para>
344 <indexterm><primary>primitive arrays (Glasgow extension)</primary></indexterm>
345 <indexterm><primary>arrays, primitive (Glasgow extension)</primary></indexterm>
346 </para>
347
348 <para>
349 GHC knows about quite a few flavours of Large Swathes of Bytes.
350 </para>
351
352 <para>
353 First, GHC distinguishes between primitive arrays of (boxed) Haskell
354 objects (type <literal>Array&num; obj</literal>) and primitive arrays of bytes (type
355 <literal>ByteArray&num;</literal>).
356 </para>
357
358 <para>
359 Second, it distinguishes between&hellip;
360 <variablelist>
361
362 <varlistentry>
363 <term>Immutable:</term>
364 <listitem>
365 <para>
366 Arrays that do not change (as with &ldquo;standard&rdquo; Haskell arrays); you
367 can only read from them.  Obviously, they do not need the care and
368 attention of the state-transformer monad.
369 </para>
370 </listitem>
371 </varlistentry>
372 <varlistentry>
373 <term>Mutable:</term>
374 <listitem>
375 <para>
376 Arrays that may be changed or &ldquo;mutated.&rdquo;  All the operations on them
377 live within the state-transformer monad and the updates happen
378 <emphasis>in-place</emphasis>.
379 </para>
380 </listitem>
381 </varlistentry>
382 <varlistentry>
383 <term>&ldquo;Static&rdquo; (in C land):</term>
384 <listitem>
385 <para>
386 A C routine may pass an <literal>Addr&num;</literal> pointer back into Haskell land.  There
387 are then primitive operations with which you may merrily grab values
388 over in C land, by indexing off the &ldquo;static&rdquo; pointer.
389 </para>
390 </listitem>
391 </varlistentry>
392 <varlistentry>
393 <term>&ldquo;Stable&rdquo; pointers:</term>
394 <listitem>
395 <para>
396 If, for some reason, you wish to hand a Haskell pointer (i.e.,
397 <emphasis>not</emphasis> an unboxed value) to a C routine, you first make the
398 pointer &ldquo;stable,&rdquo; so that the garbage collector won't forget that it
399 exists.  That is, GHC provides a safe way to pass Haskell pointers to
400 C.
401 </para>
402
403 <para>
404 Please see <xref LinkEnd="sec-stable-pointers"> for more details.
405 </para>
406 </listitem>
407 </varlistentry>
408 <varlistentry>
409 <term>&ldquo;Foreign objects&rdquo;:</term>
410 <listitem>
411 <para>
412 A &ldquo;foreign object&rdquo; is a safe way to pass an external object (a
413 C-allocated pointer, say) to Haskell and have Haskell do the Right
414 Thing when it no longer references the object.  So, for example, C
415 could pass a large bitmap over to Haskell and say &ldquo;please free this
416 memory when you're done with it.&rdquo;
417 </para>
418
419 <para>
420 Please see <xref LinkEnd="sec-ForeignObj"> for more details.
421 </para>
422 </listitem>
423 </varlistentry>
424 </variablelist>
425 </para>
426
427 <para>
428 The libraries documentatation gives more details on all these
429 &ldquo;primitive array&rdquo; types and the operations on them.
430 </para>
431
432 </sect1>
433
434
435 <sect1 id="nullary-types">
436 <title>Data types with no constructors</title>
437
438 <para>With the <option>-fglasgow-exts</option> flag, GHC lets you declare
439 a data type with no constructors.  For example:</para>
440 <programlisting>
441   data S      -- S :: *
442   data T a    -- T :: * -> *
443 </programlisting>
444 <para>Syntactically, the declaration lacks the "= constrs" part.  The 
445 type can be parameterised, but only over ordinary types, of kind *; since
446 Haskell does not have kind signatures, you cannot parameterise over higher-kinded
447 types.</para>
448
449 <para>Such data types have only one value, namely bottom.
450 Nevertheless, they can be useful when defining "phantom types".</para>
451 </sect1>
452
453 <sect1 id="pattern-guards">
454 <title>Pattern guards</title>
455
456 <para>
457 <indexterm><primary>Pattern guards (Glasgow extension)</primary></indexterm>
458 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.)
459 </para>
460
461 <para>
462 Suppose we have an abstract data type of finite maps, with a
463 lookup operation:
464
465 <programlisting>
466 lookup :: FiniteMap -> Int -> Maybe Int
467 </programlisting>
468
469 The lookup returns <function>Nothing</function> if the supplied key is not in the domain of the mapping, and <function>(Just v)</function> otherwise,
470 where <VarName>v</VarName> is the value that the key maps to.  Now consider the following definition:
471 </para>
472
473 <programlisting>
474 clunky env var1 var2 | ok1 && ok2 = val1 + val2
475 | otherwise  = var1 + var2
476 where
477   m1 = lookup env var1
478   m2 = lookup env var2
479   ok1 = maybeToBool m1
480   ok2 = maybeToBool m2
481   val1 = expectJust m1
482   val2 = expectJust m2
483 </programlisting>
484
485 <para>
486 The auxiliary functions are 
487 </para>
488
489 <programlisting>
490 maybeToBool :: Maybe a -&gt; Bool
491 maybeToBool (Just x) = True
492 maybeToBool Nothing  = False
493
494 expectJust :: Maybe a -&gt; a
495 expectJust (Just x) = x
496 expectJust Nothing  = error "Unexpected Nothing"
497 </programlisting>
498
499 <para>
500 What is <function>clunky</function> doing? The guard <literal>ok1 &&
501 ok2</literal> checks that both lookups succeed, using
502 <function>maybeToBool</function> to convert the <function>Maybe</function>
503 types to booleans. The (lazily evaluated) <function>expectJust</function>
504 calls extract the values from the results of the lookups, and binds the
505 returned values to <VarName>val1</VarName> and <VarName>val2</VarName>
506 respectively.  If either lookup fails, then clunky takes the
507 <literal>otherwise</literal> case and returns the sum of its arguments.
508 </para>
509
510 <para>
511 This is certainly legal Haskell, but it is a tremendously verbose and
512 un-obvious way to achieve the desired effect.  Arguably, a more direct way
513 to write clunky would be to use case expressions:
514 </para>
515
516 <programlisting>
517 clunky env var1 var1 = case lookup env var1 of
518   Nothing -&gt; fail
519   Just val1 -&gt; case lookup env var2 of
520     Nothing -&gt; fail
521     Just val2 -&gt; val1 + val2
522 where
523   fail = val1 + val2
524 </programlisting>
525
526 <para>
527 This is a bit shorter, but hardly better.  Of course, we can rewrite any set
528 of pattern-matching, guarded equations as case expressions; that is
529 precisely what the compiler does when compiling equations! The reason that
530 Haskell provides guarded equations is because they allow us to write down
531 the cases we want to consider, one at a time, independently of each other. 
532 This structure is hidden in the case version.  Two of the right-hand sides
533 are really the same (<function>fail</function>), and the whole expression
534 tends to become more and more indented. 
535 </para>
536
537 <para>
538 Here is how I would write clunky:
539 </para>
540
541 <programlisting>
542 clunky env var1 var1
543   | Just val1 &lt;- lookup env var1
544   , Just val2 &lt;- lookup env var2
545   = val1 + val2
546 ...other equations for clunky...
547 </programlisting>
548
549 <para>
550 The semantics should be clear enough.  The qualifers are matched in order. 
551 For a <literal>&lt;-</literal> qualifier, which I call a pattern guard, the
552 right hand side is evaluated and matched against the pattern on the left. 
553 If the match fails then the whole guard fails and the next equation is
554 tried.  If it succeeds, then the appropriate binding takes place, and the
555 next qualifier is matched, in the augmented environment.  Unlike list
556 comprehensions, however, the type of the expression to the right of the
557 <literal>&lt;-</literal> is the same as the type of the pattern to its
558 left.  The bindings introduced by pattern guards scope over all the
559 remaining guard qualifiers, and over the right hand side of the equation.
560 </para>
561
562 <para>
563 Just as with list comprehensions, boolean expressions can be freely mixed
564 with among the pattern guards.  For example:
565 </para>
566
567 <programlisting>
568 f x | [y] <- x
569     , y > 3
570     , Just z <- h y
571     = ...
572 </programlisting>
573
574 <para>
575 Haskell's current guards therefore emerge as a special case, in which the
576 qualifier list has just one element, a boolean expression.
577 </para>
578 </sect1>
579
580   <sect1 id="parallel-list-comprehensions">
581     <title>Parallel List Comprehensions</title>
582     <indexterm><primary>list comprehensions</primary><secondary>parallel</secondary>
583     </indexterm>
584     <indexterm><primary>parallel list comprehensions</primary>
585     </indexterm>
586
587     <para>Parallel list comprehensions are a natural extension to list
588     comprehensions.  List comprehensions can be thought of as a nice
589     syntax for writing maps and filters.  Parallel comprehensions
590     extend this to include the zipWith family.</para>
591
592     <para>A parallel list comprehension has multiple independent
593     branches of qualifier lists, each separated by a `|' symbol.  For
594     example, the following zips together two lists:</para>
595
596 <programlisting>
597    [ (x, y) | x <- xs | y <- ys ] 
598 </programlisting>
599
600     <para>The behavior of parallel list comprehensions follows that of
601     zip, in that the resulting list will have the same length as the
602     shortest branch.</para>
603
604     <para>We can define parallel list comprehensions by translation to
605     regular comprehensions.  Here's the basic idea:</para>
606
607     <para>Given a parallel comprehension of the form: </para>
608
609 <programlisting>
610    [ e | p1 <- e11, p2 <- e12, ... 
611        | q1 <- e21, q2 <- e22, ... 
612        ... 
613    ] 
614 </programlisting>
615
616     <para>This will be translated to: </para>
617
618 <programlisting>
619    [ e | ((p1,p2), (q1,q2), ...) <- zipN [(p1,p2) | p1 <- e11, p2 <- e12, ...] 
620                                          [(q1,q2) | q1 <- e21, q2 <- e22, ...] 
621                                          ... 
622    ] 
623 </programlisting>
624
625     <para>where `zipN' is the appropriate zip for the given number of
626     branches.</para>
627
628   </sect1>
629
630 <sect1 id="multi-param-type-classes">
631 <title>Multi-parameter type classes
632 </title>
633
634 <para>
635 This section documents GHC's implementation of multi-parameter type
636 classes.  There's lots of background in the paper <ULink
637 URL="http://research.microsoft.com/~simonpj/multi.ps.gz" >Type
638 classes: exploring the design space</ULink > (Simon Peyton Jones, Mark
639 Jones, Erik Meijer).
640 </para>
641
642 <para>
643 I'd like to thank people who reported shorcomings in the GHC 3.02
644 implementation.  Our default decisions were all conservative ones, and
645 the experience of these heroic pioneers has given useful concrete
646 examples to support several generalisations.  (These appear below as
647 design choices not implemented in 3.02.)
648 </para>
649
650 <para>
651 I've discussed these notes with Mark Jones, and I believe that Hugs
652 will migrate towards the same design choices as I outline here.
653 Thanks to him, and to many others who have offered very useful
654 feedback.
655 </para>
656
657 <sect2>
658 <title>Types</title>
659
660 <para>
661 There are the following restrictions on the form of a qualified
662 type:
663 </para>
664
665 <para>
666
667 <programlisting>
668   forall tv1..tvn (c1, ...,cn) => type
669 </programlisting>
670
671 </para>
672
673 <para>
674 (Here, I write the "foralls" explicitly, although the Haskell source
675 language omits them; in Haskell 1.4, all the free type variables of an
676 explicit source-language type signature are universally quantified,
677 except for the class type variables in a class declaration.  However,
678 in GHC, you can give the foralls if you want.  See <xref LinkEnd="universal-quantification">).
679 </para>
680
681 <para>
682
683 <OrderedList>
684 <listitem>
685
686 <para>
687  <emphasis>Each universally quantified type variable
688 <literal>tvi</literal> must be mentioned (i.e. appear free) in <literal>type</literal></emphasis>.
689
690 The reason for this is that a value with a type that does not obey
691 this restriction could not be used without introducing
692 ambiguity. Here, for example, is an illegal type:
693
694
695 <programlisting>
696   forall a. Eq a => Int
697 </programlisting>
698
699
700 When a value with this type was used, the constraint <literal>Eq tv</literal>
701 would be introduced where <literal>tv</literal> is a fresh type variable, and
702 (in the dictionary-translation implementation) the value would be
703 applied to a dictionary for <literal>Eq tv</literal>.  The difficulty is that we
704 can never know which instance of <literal>Eq</literal> to use because we never
705 get any more information about <literal>tv</literal>.
706
707 </para>
708 </listitem>
709 <listitem>
710
711 <para>
712  <emphasis>Every constraint <literal>ci</literal> must mention at least one of the
713 universally quantified type variables <literal>tvi</literal></emphasis>.
714
715 For example, this type is OK because <literal>C a b</literal> mentions the
716 universally quantified type variable <literal>b</literal>:
717
718
719 <programlisting>
720   forall a. C a b => burble
721 </programlisting>
722
723
724 The next type is illegal because the constraint <literal>Eq b</literal> does not
725 mention <literal>a</literal>:
726
727
728 <programlisting>
729   forall a. Eq b => burble
730 </programlisting>
731
732
733 The reason for this restriction is milder than the other one.  The
734 excluded types are never useful or necessary (because the offending
735 context doesn't need to be witnessed at this point; it can be floated
736 out).  Furthermore, floating them out increases sharing. Lastly,
737 excluding them is a conservative choice; it leaves a patch of
738 territory free in case we need it later.
739
740 </para>
741 </listitem>
742
743 </OrderedList>
744
745 </para>
746
747 <para>
748 These restrictions apply to all types, whether declared in a type signature
749 or inferred.
750 </para>
751
752 <para>
753 Unlike Haskell 1.4, constraints in types do <emphasis>not</emphasis> have to be of
754 the form <emphasis>(class type-variables)</emphasis>.  Thus, these type signatures
755 are perfectly OK
756 </para>
757
758 <para>
759
760 <programlisting>
761   f :: Eq (m a) => [m a] -> [m a]
762   g :: Eq [a] => ...
763 </programlisting>
764
765 </para>
766
767 <para>
768 This choice recovers principal types, a property that Haskell 1.4 does not have.
769 </para>
770
771 </sect2>
772
773 <sect2>
774 <title>Class declarations</title>
775
776 <para>
777
778 <OrderedList>
779 <listitem>
780
781 <para>
782  <emphasis>Multi-parameter type classes are permitted</emphasis>. For example:
783
784
785 <programlisting>
786   class Collection c a where
787     union :: c a -> c a -> c a
788     ...etc.
789 </programlisting>
790
791
792
793 </para>
794 </listitem>
795 <listitem>
796
797 <para>
798  <emphasis>The class hierarchy must be acyclic</emphasis>.  However, the definition
799 of "acyclic" involves only the superclass relationships.  For example,
800 this is OK:
801
802
803 <programlisting>
804   class C a where {
805     op :: D b => a -> b -> b
806   }
807
808   class C a => D a where { ... }
809 </programlisting>
810
811
812 Here, <literal>C</literal> is a superclass of <literal>D</literal>, but it's OK for a
813 class operation <literal>op</literal> of <literal>C</literal> to mention <literal>D</literal>.  (It
814 would not be OK for <literal>D</literal> to be a superclass of <literal>C</literal>.)
815
816 </para>
817 </listitem>
818 <listitem>
819
820 <para>
821  <emphasis>There are no restrictions on the context in a class declaration
822 (which introduces superclasses), except that the class hierarchy must
823 be acyclic</emphasis>.  So these class declarations are OK:
824
825
826 <programlisting>
827   class Functor (m k) => FiniteMap m k where
828     ...
829
830   class (Monad m, Monad (t m)) => Transform t m where
831     lift :: m a -> (t m) a
832 </programlisting>
833
834
835 </para>
836 </listitem>
837 <listitem>
838
839 <para>
840  <emphasis>In the signature of a class operation, every constraint
841 must mention at least one type variable that is not a class type
842 variable</emphasis>.
843
844 Thus:
845
846
847 <programlisting>
848   class Collection c a where
849     mapC :: Collection c b => (a->b) -> c a -> c b
850 </programlisting>
851
852
853 is OK because the constraint <literal>(Collection a b)</literal> mentions
854 <literal>b</literal>, even though it also mentions the class variable
855 <literal>a</literal>.  On the other hand:
856
857
858 <programlisting>
859   class C a where
860     op :: Eq a => (a,b) -> (a,b)
861 </programlisting>
862
863
864 is not OK because the constraint <literal>(Eq a)</literal> mentions on the class
865 type variable <literal>a</literal>, but not <literal>b</literal>.  However, any such
866 example is easily fixed by moving the offending context up to the
867 superclass context:
868
869
870 <programlisting>
871   class Eq a => C a where
872     op ::(a,b) -> (a,b)
873 </programlisting>
874
875
876 A yet more relaxed rule would allow the context of a class-op signature
877 to mention only class type variables.  However, that conflicts with
878 Rule 1(b) for types above.
879
880 </para>
881 </listitem>
882 <listitem>
883
884 <para>
885  <emphasis>The type of each class operation must mention <emphasis>all</emphasis> of
886 the class type variables</emphasis>.  For example:
887
888
889 <programlisting>
890   class Coll s a where
891     empty  :: s
892     insert :: s -> a -> s
893 </programlisting>
894
895
896 is not OK, because the type of <literal>empty</literal> doesn't mention
897 <literal>a</literal>.  This rule is a consequence of Rule 1(a), above, for
898 types, and has the same motivation.
899
900 Sometimes, offending class declarations exhibit misunderstandings.  For
901 example, <literal>Coll</literal> might be rewritten
902
903
904 <programlisting>
905   class Coll s a where
906     empty  :: s a
907     insert :: s a -> a -> s a
908 </programlisting>
909
910
911 which makes the connection between the type of a collection of
912 <literal>a</literal>'s (namely <literal>(s a)</literal>) and the element type <literal>a</literal>.
913 Occasionally this really doesn't work, in which case you can split the
914 class like this:
915
916
917 <programlisting>
918   class CollE s where
919     empty  :: s
920
921   class CollE s => Coll s a where
922     insert :: s -> a -> s
923 </programlisting>
924
925
926 </para>
927 </listitem>
928
929 </OrderedList>
930
931 </para>
932
933 </sect2>
934
935 <sect2 id="instance-decls">
936 <title>Instance declarations</title>
937
938 <para>
939
940 <OrderedList>
941 <listitem>
942
943 <para>
944  <emphasis>Instance declarations may not overlap</emphasis>.  The two instance
945 declarations
946
947
948 <programlisting>
949   instance context1 => C type1 where ...
950   instance context2 => C type2 where ...
951 </programlisting>
952
953
954 "overlap" if <literal>type1</literal> and <literal>type2</literal> unify
955
956 However, if you give the command line option
957 <option>-fallow-overlapping-instances</option><indexterm><primary>-fallow-overlapping-instances
958 option</primary></indexterm> then two overlapping instance declarations are permitted
959 iff
960
961
962 <itemizedlist>
963 <listitem>
964
965 <para>
966  EITHER <literal>type1</literal> and <literal>type2</literal> do not unify
967 </para>
968 </listitem>
969 <listitem>
970
971 <para>
972  OR <literal>type2</literal> is a substitution instance of <literal>type1</literal>
973 (but not identical to <literal>type1</literal>)
974 </para>
975 </listitem>
976 <listitem>
977
978 <para>
979  OR vice versa
980 </para>
981 </listitem>
982
983 </itemizedlist>
984
985
986 Notice that these rules
987
988
989 <itemizedlist>
990 <listitem>
991
992 <para>
993  make it clear which instance decl to use
994 (pick the most specific one that matches)
995
996 </para>
997 </listitem>
998 <listitem>
999
1000 <para>
1001  do not mention the contexts <literal>context1</literal>, <literal>context2</literal>
1002 Reason: you can pick which instance decl
1003 "matches" based on the type.
1004 </para>
1005 </listitem>
1006
1007 </itemizedlist>
1008
1009
1010 Regrettably, GHC doesn't guarantee to detect overlapping instance
1011 declarations if they appear in different modules.  GHC can "see" the
1012 instance declarations in the transitive closure of all the modules
1013 imported by the one being compiled, so it can "see" all instance decls
1014 when it is compiling <literal>Main</literal>.  However, it currently chooses not
1015 to look at ones that can't possibly be of use in the module currently
1016 being compiled, in the interests of efficiency.  (Perhaps we should
1017 change that decision, at least for <literal>Main</literal>.)
1018
1019 </para>
1020 </listitem>
1021 <listitem>
1022
1023 <para>
1024  <emphasis>There are no restrictions on the type in an instance
1025 <emphasis>head</emphasis>, except that at least one must not be a type variable</emphasis>.
1026 The instance "head" is the bit after the "=>" in an instance decl. For
1027 example, these are OK:
1028
1029
1030 <programlisting>
1031   instance C Int a where ...
1032
1033   instance D (Int, Int) where ...
1034
1035   instance E [[a]] where ...
1036 </programlisting>
1037
1038
1039 Note that instance heads <emphasis>may</emphasis> contain repeated type variables.
1040 For example, this is OK:
1041
1042
1043 <programlisting>
1044   instance Stateful (ST s) (MutVar s) where ...
1045 </programlisting>
1046
1047
1048 The "at least one not a type variable" restriction is to ensure that
1049 context reduction terminates: each reduction step removes one type
1050 constructor.  For example, the following would make the type checker
1051 loop if it wasn't excluded:
1052
1053
1054 <programlisting>
1055   instance C a => C a where ...
1056 </programlisting>
1057
1058
1059 There are two situations in which the rule is a bit of a pain. First,
1060 if one allows overlapping instance declarations then it's quite
1061 convenient to have a "default instance" declaration that applies if
1062 something more specific does not:
1063
1064
1065 <programlisting>
1066   instance C a where
1067     op = ... -- Default
1068 </programlisting>
1069
1070
1071 Second, sometimes you might want to use the following to get the
1072 effect of a "class synonym":
1073
1074
1075 <programlisting>
1076   class (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
1077
1078   instance (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
1079 </programlisting>
1080
1081
1082 This allows you to write shorter signatures:
1083
1084
1085 <programlisting>
1086   f :: C a => ...
1087 </programlisting>
1088
1089
1090 instead of
1091
1092
1093 <programlisting>
1094   f :: (C1 a, C2 a, C3 a) => ...
1095 </programlisting>
1096
1097
1098 I'm on the lookout for a simple rule that preserves decidability while
1099 allowing these idioms.  The experimental flag
1100 <option>-fallow-undecidable-instances</option><indexterm><primary>-fallow-undecidable-instances
1101 option</primary></indexterm> lifts this restriction, allowing all the types in an
1102 instance head to be type variables.
1103
1104 </para>
1105 </listitem>
1106 <listitem>
1107
1108 <para>
1109  <emphasis>Unlike Haskell 1.4, instance heads may use type
1110 synonyms</emphasis>.  As always, using a type synonym is just shorthand for
1111 writing the RHS of the type synonym definition.  For example:
1112
1113
1114 <programlisting>
1115   type Point = (Int,Int)
1116   instance C Point   where ...
1117   instance C [Point] where ...
1118 </programlisting>
1119
1120
1121 is legal.  However, if you added
1122
1123
1124 <programlisting>
1125   instance C (Int,Int) where ...
1126 </programlisting>
1127
1128
1129 as well, then the compiler will complain about the overlapping
1130 (actually, identical) instance declarations.  As always, type synonyms
1131 must be fully applied.  You cannot, for example, write:
1132
1133
1134 <programlisting>
1135   type P a = [[a]]
1136   instance Monad P where ...
1137 </programlisting>
1138
1139
1140 This design decision is independent of all the others, and easily
1141 reversed, but it makes sense to me.
1142
1143 </para>
1144 </listitem>
1145 <listitem>
1146
1147 <para>
1148 <emphasis>The types in an instance-declaration <emphasis>context</emphasis> must all
1149 be type variables</emphasis>. Thus
1150
1151
1152 <programlisting>
1153 instance C a b => Eq (a,b) where ...
1154 </programlisting>
1155
1156
1157 is OK, but
1158
1159
1160 <programlisting>
1161 instance C Int b => Foo b where ...
1162 </programlisting>
1163
1164
1165 is not OK.  Again, the intent here is to make sure that context
1166 reduction terminates.
1167
1168 Voluminous correspondence on the Haskell mailing list has convinced me
1169 that it's worth experimenting with a more liberal rule.  If you use
1170 the flag <option>-fallow-undecidable-instances</option> can use arbitrary
1171 types in an instance context.  Termination is ensured by having a
1172 fixed-depth recursion stack.  If you exceed the stack depth you get a
1173 sort of backtrace, and the opportunity to increase the stack depth
1174 with <option>-fcontext-stack</option><emphasis>N</emphasis>.
1175
1176 </para>
1177 </listitem>
1178
1179 </OrderedList>
1180
1181 </para>
1182
1183 </sect2>
1184
1185 </sect1>
1186
1187 <sect1 id="implicit-parameters">
1188 <title>Implicit parameters
1189 </title>
1190
1191 <para> Implicit paramters are implemented as described in 
1192 "Implicit parameters: dynamic scoping with static types", 
1193 J Lewis, MB Shields, E Meijer, J Launchbury,
1194 27th ACM Symposium on Principles of Programming Languages (POPL'00),
1195 Boston, Jan 2000.
1196 </para>
1197
1198 <para>
1199 There should be more documentation, but there isn't (yet).  Yell if you need it.
1200 </para>
1201 <itemizedlist>
1202 <listitem>
1203 <para> You can't have an implicit parameter in the context of a class or instance
1204 declaration.  For example, both these declarations are illegal:
1205 <programlisting>
1206   class (?x::Int) => C a where ...
1207   instance (?x::a) => Foo [a] where ...
1208 </programlisting>
1209 Reason: exactly which implicit parameter you pick up depends on exactly where
1210 you invoke a function. But the ``invocation'' of instance declarations is done
1211 behind the scenes by the compiler, so it's hard to figure out exactly where it is done.
1212 Easiest thing is to outlaw the offending types.</para>
1213 </listitem>
1214
1215 </itemizedlist>
1216
1217 </sect1>
1218
1219 <sect1 id="linear-implicit-parameters">
1220 <title>Linear implicit parameters
1221 </title>
1222 <para>
1223 Linear implicit parameters are an idea developed by Koen Claessen,
1224 Mark Shields, and Simon PJ.  They address the long-standing
1225 problem that monads seem over-kill for certain sorts of problem, notably:
1226 </para>
1227 <itemizedlist>
1228 <listitem> <para> distributing a supply of unique names </para> </listitem>
1229 <listitem> <para> distributing a suppply of random numbers </para> </listitem>
1230 <listitem> <para> distributing an oracle (as in QuickCheck) </para> </listitem>
1231 </itemizedlist>
1232
1233 <para>
1234 Linear implicit parameters are just like ordinary implicit parameters,
1235 except that they are "linear" -- that is, they cannot be copied, and
1236 must be explicitly "split" instead.  Linear implicit parameters are
1237 written '<literal>%x</literal>' instead of '<literal>?x</literal>'.  
1238 (The '/' in the '%' suggests the split!)
1239 </para>
1240 <para>
1241 For example:
1242 <programlisting>
1243     data NameSupply = ...
1244     
1245     splitNS :: NameSupply -> (NameSupply, NameSupply)
1246     newName :: NameSupply -> Name
1247
1248     instance PrelSplit.Splittable NameSupply where
1249         split = splitNS
1250
1251
1252     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
1253     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
1254                     where
1255                       x'   = newName %ns
1256                       env' = extend env x x'
1257     ...more equations for f...
1258 </programlisting>
1259 Notice that the implicit parameter %ns is consumed 
1260 <itemizedlist>
1261 <listitem> <para> once by the call to <literal>newName</literal> </para> </listitem>
1262 <listitem> <para> once by the recursive call to <literal>f</literal> </para></listitem>
1263 </itemizedlist>
1264 </para>
1265 <para>
1266 So the translation done by the type checker makes
1267 the parameter explicit:
1268 <programlisting>
1269     f :: NameSupply -> Env -> Expr -> Expr
1270     f ns env (Lam x e) = Lam x' (f ns1 env e)
1271                        where
1272                          (ns1,ns2) = splitNS ns
1273                          x' = newName ns2
1274                          env = extend env x x'
1275 </programlisting>
1276 Notice the call to 'split' introduced by the type checker.
1277 How did it know to use 'splitNS'?  Because what it really did
1278 was to introduce a call to the overloaded function 'split',
1279 defined by
1280 <programlisting>
1281         class Splittable a where
1282           split :: a -> (a,a)
1283 </programlisting>
1284 The instance for <literal>Splittable NameSupply</literal> tells GHC how to implement
1285 split for name supplies.  But we can simply write
1286 <programlisting>
1287         g x = (x, %ns, %ns)
1288 </programlisting>
1289 and GHC will infer
1290 <programlisting>
1291         g :: (Splittable a, %ns :: a) => b -> (b,a,a)
1292 </programlisting>
1293 The <literal>Splittable</literal> class is built into GHC.  It's defined in <literal>PrelSplit</literal>,
1294 and exported by <literal>GlaExts</literal>.
1295 </para>
1296 <para>
1297 Other points:
1298 <itemizedlist>
1299 <listitem> <para> '<literal>?x</literal>' and '<literal>%x</literal>' 
1300 are entirely distinct implicit parameters: you 
1301   can use them together and they won't intefere with each other. </para>
1302 </listitem>
1303
1304 <listitem> <para> You can bind linear implicit parameters in 'with' clauses. </para> </listitem>
1305
1306 <listitem> <para>You cannot have implicit parameters (whether linear or not)
1307   in the context of a class or instance declaration. </para></listitem>
1308 </itemizedlist>
1309 </para>
1310
1311 <sect2><title>Warnings</title>
1312
1313 <para>
1314 The monomorphism restriction is even more important than usual.
1315 Consider the example above:
1316 <programlisting>
1317     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
1318     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
1319                     where
1320                       x'   = newName %ns
1321                       env' = extend env x x'
1322 </programlisting>
1323 If we replaced the two occurrences of x' by (newName %ns), which is
1324 usually a harmless thing to do, we get:
1325 <programlisting>
1326     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
1327     f env (Lam x e) = Lam (newName %ns) (f env e)
1328                     where
1329                       env' = extend env x (newName %ns)
1330 </programlisting>
1331 But now the name supply is consumed in <emphasis>three</emphasis> places
1332 (the two calls to newName,and the recursive call to f), so
1333 the result is utterly different.  Urk!  We don't even have 
1334 the beta rule.
1335 </para>
1336 <para>
1337 Well, this is an experimental change.  With implicit
1338 parameters we have already lost beta reduction anyway, and
1339 (as John Launchbury puts it) we can't sensibly reason about
1340 Haskell programs without knowing their typing.
1341 </para>
1342
1343 </sect2>
1344
1345 </sect1>
1346
1347 <sect1 id="functional-dependencies">
1348 <title>Functional dependencies
1349 </title>
1350
1351 <para> Functional dependencies are implemented as described by Mark Jones
1352 in "Type Classes with Functional Dependencies", Mark P. Jones, 
1353 In Proceedings of the 9th European Symposium on Programming, 
1354 ESOP 2000, Berlin, Germany, March 2000, Springer-Verlag LNCS 1782.
1355 </para>
1356
1357 <para>
1358 There should be more documentation, but there isn't (yet).  Yell if you need it.
1359 </para>
1360 </sect1>
1361
1362
1363 <sect1 id="universal-quantification">
1364 <title>Explicit universal quantification
1365 </title>
1366
1367 <para>
1368 GHC's type system supports explicit universal quantification in
1369 constructor fields and function arguments.  This is useful for things
1370 like defining <literal>runST</literal> from the state-thread world. 
1371 GHC's syntax for this now agrees with Hugs's, namely:
1372 </para>
1373
1374 <para>
1375
1376 <programlisting>
1377         forall a b. (Ord a, Eq  b) => a -> b -> a
1378 </programlisting>
1379
1380 </para>
1381
1382 <para>
1383 The context is, of course, optional.  You can't use <literal>forall</literal> as
1384 a type variable any more!
1385 </para>
1386
1387 <para>
1388 Haskell type signatures are implicitly quantified.  The <literal>forall</literal>
1389 allows us to say exactly what this means.  For example:
1390 </para>
1391
1392 <para>
1393
1394 <programlisting>
1395         g :: b -> b
1396 </programlisting>
1397
1398 </para>
1399
1400 <para>
1401 means this:
1402 </para>
1403
1404 <para>
1405
1406 <programlisting>
1407         g :: forall b. (b -> b)
1408 </programlisting>
1409
1410 </para>
1411
1412 <para>
1413 The two are treated identically.
1414 </para>
1415
1416 <sect2 id="univ">
1417 <title>Universally-quantified data type fields
1418 </title>
1419
1420 <para>
1421 In a <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal> declaration one can quantify
1422 the types of the constructor arguments.  Here are several examples:
1423 </para>
1424
1425 <para>
1426
1427 <programlisting>
1428 data T a = T1 (forall b. b -> b -> b) a
1429
1430 data MonadT m = MkMonad { return :: forall a. a -> m a,
1431                           bind   :: forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b
1432                         }
1433
1434 newtype Swizzle = MkSwizzle (Ord a => [a] -> [a])
1435 </programlisting>
1436
1437 </para>
1438
1439 <para>
1440 The constructors now have so-called <emphasis>rank 2</emphasis> polymorphic
1441 types, in which there is a for-all in the argument types.:
1442 </para>
1443
1444 <para>
1445
1446 <programlisting>
1447 T1 :: forall a. (forall b. b -> b -> b) -> a -> T a
1448 MkMonad :: forall m. (forall a. a -> m a)
1449                   -> (forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b)
1450                   -> MonadT m
1451 MkSwizzle :: (Ord a => [a] -> [a]) -> Swizzle
1452 </programlisting>
1453
1454 </para>
1455
1456 <para>
1457 Notice that you don't need to use a <literal>forall</literal> if there's an
1458 explicit context.  For example in the first argument of the
1459 constructor <function>MkSwizzle</function>, an implicit "<literal>forall a.</literal>" is
1460 prefixed to the argument type.  The implicit <literal>forall</literal>
1461 quantifies all type variables that are not already in scope, and are
1462 mentioned in the type quantified over.
1463 </para>
1464
1465 <para>
1466 As for type signatures, implicit quantification happens for non-overloaded
1467 types too.  So if you write this:
1468
1469 <programlisting>
1470   data T a = MkT (Either a b) (b -> b)
1471 </programlisting>
1472
1473 it's just as if you had written this:
1474
1475 <programlisting>
1476   data T a = MkT (forall b. Either a b) (forall b. b -> b)
1477 </programlisting>
1478
1479 That is, since the type variable <literal>b</literal> isn't in scope, it's
1480 implicitly universally quantified.  (Arguably, it would be better
1481 to <emphasis>require</emphasis> explicit quantification on constructor arguments
1482 where that is what is wanted.  Feedback welcomed.)
1483 </para>
1484
1485 </sect2>
1486
1487 <sect2>
1488 <title>Construction </title>
1489
1490 <para>
1491 You construct values of types <literal>T1, MonadT, Swizzle</literal> by applying
1492 the constructor to suitable values, just as usual.  For example,
1493 </para>
1494
1495 <para>
1496
1497 <programlisting>
1498 (T1 (\xy->x) 3) :: T Int
1499
1500 (MkSwizzle sort)    :: Swizzle
1501 (MkSwizzle reverse) :: Swizzle
1502
1503 (let r x = Just x
1504      b m k = case m of
1505                 Just y -> k y
1506                 Nothing -> Nothing
1507   in
1508   MkMonad r b) :: MonadT Maybe
1509 </programlisting>
1510
1511 </para>
1512
1513 <para>
1514 The type of the argument can, as usual, be more general than the type
1515 required, as <literal>(MkSwizzle reverse)</literal> shows.  (<function>reverse</function>
1516 does not need the <literal>Ord</literal> constraint.)
1517 </para>
1518
1519 </sect2>
1520
1521 <sect2>
1522 <title>Pattern matching</title>
1523
1524 <para>
1525 When you use pattern matching, the bound variables may now have
1526 polymorphic types.  For example:
1527 </para>
1528
1529 <para>
1530
1531 <programlisting>
1532         f :: T a -> a -> (a, Char)
1533         f (T1 f k) x = (f k x, f 'c' 'd')
1534
1535         g :: (Ord a, Ord b) => Swizzle -> [a] -> (a -> b) -> [b]
1536         g (MkSwizzle s) xs f = s (map f (s xs))
1537
1538         h :: MonadT m -> [m a] -> m [a]
1539         h m [] = return m []
1540         h m (x:xs) = bind m x           $ \y ->
1541                       bind m (h m xs)   $ \ys ->
1542                       return m (y:ys)
1543 </programlisting>
1544
1545 </para>
1546
1547 <para>
1548 In the function <function>h</function> we use the record selectors <literal>return</literal>
1549 and <literal>bind</literal> to extract the polymorphic bind and return functions
1550 from the <literal>MonadT</literal> data structure, rather than using pattern
1551 matching.
1552 </para>
1553
1554 <para>
1555 You cannot pattern-match against an argument that is polymorphic.
1556 For example:
1557
1558 <programlisting>
1559         newtype TIM s a = TIM (ST s (Maybe a))
1560
1561         runTIM :: (forall s. TIM s a) -> Maybe a
1562         runTIM (TIM m) = runST m
1563 </programlisting>
1564
1565 </para>
1566
1567 <para>
1568 Here the pattern-match fails, because you can't pattern-match against
1569 an argument of type <literal>(forall s. TIM s a)</literal>.  Instead you
1570 must bind the variable and pattern match in the right hand side:
1571
1572 <programlisting>
1573         runTIM :: (forall s. TIM s a) -> Maybe a
1574         runTIM tm = case tm of { TIM m -> runST m }
1575 </programlisting>
1576
1577 The <literal>tm</literal> on the right hand side is (invisibly) instantiated, like
1578 any polymorphic value at its occurrence site, and now you can pattern-match
1579 against it.
1580 </para>
1581
1582 </sect2>
1583
1584 <sect2>
1585 <title>The partial-application restriction</title>
1586
1587 <para>
1588 There is really only one way in which data structures with polymorphic
1589 components might surprise you: you must not partially apply them.
1590 For example, this is illegal:
1591 </para>
1592
1593 <para>
1594
1595 <programlisting>
1596         map MkSwizzle [sort, reverse]
1597 </programlisting>
1598
1599 </para>
1600
1601 <para>
1602 The restriction is this: <emphasis>every subexpression of the program must
1603 have a type that has no for-alls, except that in a function
1604 application (f e1&hellip;en) the partial applications are not subject to
1605 this rule</emphasis>.  The restriction makes type inference feasible.
1606 </para>
1607
1608 <para>
1609 In the illegal example, the sub-expression <literal>MkSwizzle</literal> has the
1610 polymorphic type <literal>(Ord b => [b] -> [b]) -> Swizzle</literal> and is not
1611 a sub-expression of an enclosing application.  On the other hand, this
1612 expression is OK:
1613 </para>
1614
1615 <para>
1616
1617 <programlisting>
1618         map (T1 (\a b -> a)) [1,2,3]
1619 </programlisting>
1620
1621 </para>
1622
1623 <para>
1624 even though it involves a partial application of <function>T1</function>, because
1625 the sub-expression <literal>T1 (\a b -> a)</literal> has type <literal>Int -> T
1626 Int</literal>.
1627 </para>
1628
1629 </sect2>
1630
1631 <sect2 id="sigs">
1632 <title>Type signatures
1633 </title>
1634
1635 <para>
1636 Once you have data constructors with universally-quantified fields, or
1637 constants such as <Constant>runST</Constant> that have rank-2 types, it isn't long
1638 before you discover that you need more!  Consider:
1639 </para>
1640
1641 <para>
1642
1643 <programlisting>
1644   mkTs f x y = [T1 f x, T1 f y]
1645 </programlisting>
1646
1647 </para>
1648
1649 <para>
1650 <function>mkTs</function> is a fuction that constructs some values of type
1651 <literal>T</literal>, using some pieces passed to it.  The trouble is that since
1652 <literal>f</literal> is a function argument, Haskell assumes that it is
1653 monomorphic, so we'll get a type error when applying <function>T1</function> to
1654 it.  This is a rather silly example, but the problem really bites in
1655 practice.  Lots of people trip over the fact that you can't make
1656 "wrappers functions" for <Constant>runST</Constant> for exactly the same reason.
1657 In short, it is impossible to build abstractions around functions with
1658 rank-2 types.
1659 </para>
1660
1661 <para>
1662 The solution is fairly clear.  We provide the ability to give a rank-2
1663 type signature for <emphasis>ordinary</emphasis> functions (not only data
1664 constructors), thus:
1665 </para>
1666
1667 <para>
1668
1669 <programlisting>
1670   mkTs :: (forall b. b -> b -> b) -> a -> [T a]
1671   mkTs f x y = [T1 f x, T1 f y]
1672 </programlisting>
1673
1674 </para>
1675
1676 <para>
1677 This type signature tells the compiler to attribute <literal>f</literal> with
1678 the polymorphic type <literal>(forall b. b -> b -> b)</literal> when type
1679 checking the body of <function>mkTs</function>, so now the application of
1680 <function>T1</function> is fine.
1681 </para>
1682
1683 <para>
1684 There are two restrictions:
1685 </para>
1686
1687 <para>
1688
1689 <itemizedlist>
1690 <listitem>
1691
1692 <para>
1693  You can only define a rank 2 type, specified by the following
1694 grammar:
1695
1696
1697 <programlisting>
1698 rank2type ::= [forall tyvars .] [context =>] funty
1699 funty     ::= ([forall tyvars .] [context =>] ty) -> funty
1700             | ty
1701 ty        ::= ...current Haskell monotype syntax...
1702 </programlisting>
1703
1704
1705 Informally, the universal quantification must all be right at the beginning,
1706 or at the top level of a function argument.
1707
1708 </para>
1709 </listitem>
1710 <listitem>
1711
1712 <para>
1713  There is a restriction on the definition of a function whose
1714 type signature is a rank-2 type: the polymorphic arguments must be
1715 matched on the left hand side of the "<literal>=</literal>" sign.  You can't
1716 define <function>mkTs</function> like this:
1717
1718
1719 <programlisting>
1720 mkTs :: (forall b. b -> b -> b) -> a -> [T a]
1721 mkTs = \ f x y -> [T1 f x, T1 f y]
1722 </programlisting>
1723
1724
1725
1726 The same partial-application rule applies to ordinary functions with
1727 rank-2 types as applied to data constructors.
1728
1729 </para>
1730 </listitem>
1731
1732 </itemizedlist>
1733
1734 </para>
1735
1736 </sect2>
1737
1738
1739 <sect2 id="hoist">
1740 <title>Type synonyms and hoisting
1741 </title>
1742
1743 <para>
1744 GHC also allows you to write a <literal>forall</literal> in a type synonym, thus:
1745 <programlisting>
1746   type Discard a = forall b. a -> b -> a
1747
1748   f :: Discard a
1749   f x y = x
1750 </programlisting>
1751 However, it is often convenient to use these sort of synonyms at the right hand
1752 end of an arrow, thus:
1753 <programlisting>
1754   type Discard a = forall b. a -> b -> a
1755
1756   g :: Int -> Discard Int
1757   g x y z = x+y
1758 </programlisting>
1759 Simply expanding the type synonym would give
1760 <programlisting>
1761   g :: Int -> (forall b. Int -> b -> Int)
1762 </programlisting>
1763 but GHC "hoists" the <literal>forall</literal> to give the isomorphic type
1764 <programlisting>
1765   g :: forall b. Int -> Int -> b -> Int
1766 </programlisting>
1767 In general, the rule is this: <emphasis>to determine the type specified by any explicit
1768 user-written type (e.g. in a type signature), GHC expands type synonyms and then repeatedly
1769 performs the transformation:</emphasis>
1770 <programlisting>
1771   <emphasis>type1</emphasis> -> forall a. <emphasis>type2</emphasis>
1772 ==>
1773   forall a. <emphasis>type1</emphasis> -> <emphasis>type2</emphasis>
1774 </programlisting>
1775 (In fact, GHC tries to retain as much synonym information as possible for use in
1776 error messages, but that is a usability issue.)  This rule applies, of course, whether
1777 or not the <literal>forall</literal> comes from a synonym. For example, here is another
1778 valid way to write <literal>g</literal>'s type signature:
1779 <programlisting>
1780   g :: Int -> Int -> forall b. b -> Int
1781 </programlisting>
1782 </para>
1783 </sect2>
1784
1785 </sect1>
1786
1787 <sect1 id="existential-quantification">
1788 <title>Existentially quantified data constructors
1789 </title>
1790
1791 <para>
1792 The idea of using existential quantification in data type declarations
1793 was suggested by Laufer (I believe, thought doubtless someone will
1794 correct me), and implemented in Hope+. It's been in Lennart
1795 Augustsson's <Command>hbc</Command> Haskell compiler for several years, and
1796 proved very useful.  Here's the idea.  Consider the declaration:
1797 </para>
1798
1799 <para>
1800
1801 <programlisting>
1802   data Foo = forall a. MkFoo a (a -> Bool)
1803            | Nil
1804 </programlisting>
1805
1806 </para>
1807
1808 <para>
1809 The data type <literal>Foo</literal> has two constructors with types:
1810 </para>
1811
1812 <para>
1813
1814 <programlisting>
1815   MkFoo :: forall a. a -> (a -> Bool) -> Foo
1816   Nil   :: Foo
1817 </programlisting>
1818
1819 </para>
1820
1821 <para>
1822 Notice that the type variable <literal>a</literal> in the type of <function>MkFoo</function>
1823 does not appear in the data type itself, which is plain <literal>Foo</literal>.
1824 For example, the following expression is fine:
1825 </para>
1826
1827 <para>
1828
1829 <programlisting>
1830   [MkFoo 3 even, MkFoo 'c' isUpper] :: [Foo]
1831 </programlisting>
1832
1833 </para>
1834
1835 <para>
1836 Here, <literal>(MkFoo 3 even)</literal> packages an integer with a function
1837 <function>even</function> that maps an integer to <literal>Bool</literal>; and <function>MkFoo 'c'
1838 isUpper</function> packages a character with a compatible function.  These
1839 two things are each of type <literal>Foo</literal> and can be put in a list.
1840 </para>
1841
1842 <para>
1843 What can we do with a value of type <literal>Foo</literal>?.  In particular,
1844 what happens when we pattern-match on <function>MkFoo</function>?
1845 </para>
1846
1847 <para>
1848
1849 <programlisting>
1850   f (MkFoo val fn) = ???
1851 </programlisting>
1852
1853 </para>
1854
1855 <para>
1856 Since all we know about <literal>val</literal> and <function>fn</function> is that they
1857 are compatible, the only (useful) thing we can do with them is to
1858 apply <function>fn</function> to <literal>val</literal> to get a boolean.  For example:
1859 </para>
1860
1861 <para>
1862
1863 <programlisting>
1864   f :: Foo -> Bool
1865   f (MkFoo val fn) = fn val
1866 </programlisting>
1867
1868 </para>
1869
1870 <para>
1871 What this allows us to do is to package heterogenous values
1872 together with a bunch of functions that manipulate them, and then treat
1873 that collection of packages in a uniform manner.  You can express
1874 quite a bit of object-oriented-like programming this way.
1875 </para>
1876
1877 <sect2 id="existential">
1878 <title>Why existential?
1879 </title>
1880
1881 <para>
1882 What has this to do with <emphasis>existential</emphasis> quantification?
1883 Simply that <function>MkFoo</function> has the (nearly) isomorphic type
1884 </para>
1885
1886 <para>
1887
1888 <programlisting>
1889   MkFoo :: (exists a . (a, a -> Bool)) -> Foo
1890 </programlisting>
1891
1892 </para>
1893
1894 <para>
1895 But Haskell programmers can safely think of the ordinary
1896 <emphasis>universally</emphasis> quantified type given above, thereby avoiding
1897 adding a new existential quantification construct.
1898 </para>
1899
1900 </sect2>
1901
1902 <sect2>
1903 <title>Type classes</title>
1904
1905 <para>
1906 An easy extension (implemented in <Command>hbc</Command>) is to allow
1907 arbitrary contexts before the constructor.  For example:
1908 </para>
1909
1910 <para>
1911
1912 <programlisting>
1913 data Baz = forall a. Eq a => Baz1 a a
1914          | forall b. Show b => Baz2 b (b -> b)
1915 </programlisting>
1916
1917 </para>
1918
1919 <para>
1920 The two constructors have the types you'd expect:
1921 </para>
1922
1923 <para>
1924
1925 <programlisting>
1926 Baz1 :: forall a. Eq a => a -> a -> Baz
1927 Baz2 :: forall b. Show b => b -> (b -> b) -> Baz
1928 </programlisting>
1929
1930 </para>
1931
1932 <para>
1933 But when pattern matching on <function>Baz1</function> the matched values can be compared
1934 for equality, and when pattern matching on <function>Baz2</function> the first matched
1935 value can be converted to a string (as well as applying the function to it).
1936 So this program is legal:
1937 </para>
1938
1939 <para>
1940
1941 <programlisting>
1942   f :: Baz -> String
1943   f (Baz1 p q) | p == q    = "Yes"
1944                | otherwise = "No"
1945   f (Baz1 v fn)            = show (fn v)
1946 </programlisting>
1947
1948 </para>
1949
1950 <para>
1951 Operationally, in a dictionary-passing implementation, the
1952 constructors <function>Baz1</function> and <function>Baz2</function> must store the
1953 dictionaries for <literal>Eq</literal> and <literal>Show</literal> respectively, and
1954 extract it on pattern matching.
1955 </para>
1956
1957 <para>
1958 Notice the way that the syntax fits smoothly with that used for
1959 universal quantification earlier.
1960 </para>
1961
1962 </sect2>
1963
1964 <sect2>
1965 <title>Restrictions</title>
1966
1967 <para>
1968 There are several restrictions on the ways in which existentially-quantified
1969 constructors can be use.
1970 </para>
1971
1972 <para>
1973
1974 <itemizedlist>
1975 <listitem>
1976
1977 <para>
1978  When pattern matching, each pattern match introduces a new,
1979 distinct, type for each existential type variable.  These types cannot
1980 be unified with any other type, nor can they escape from the scope of
1981 the pattern match.  For example, these fragments are incorrect:
1982
1983
1984 <programlisting>
1985 f1 (MkFoo a f) = a
1986 </programlisting>
1987
1988
1989 Here, the type bound by <function>MkFoo</function> "escapes", because <literal>a</literal>
1990 is the result of <function>f1</function>.  One way to see why this is wrong is to
1991 ask what type <function>f1</function> has:
1992
1993
1994 <programlisting>
1995   f1 :: Foo -> a             -- Weird!
1996 </programlisting>
1997
1998
1999 What is this "<literal>a</literal>" in the result type? Clearly we don't mean
2000 this:
2001
2002
2003 <programlisting>
2004   f1 :: forall a. Foo -> a   -- Wrong!
2005 </programlisting>
2006
2007
2008 The original program is just plain wrong.  Here's another sort of error
2009
2010
2011 <programlisting>
2012   f2 (Baz1 a b) (Baz1 p q) = a==q
2013 </programlisting>
2014
2015
2016 It's ok to say <literal>a==b</literal> or <literal>p==q</literal>, but
2017 <literal>a==q</literal> is wrong because it equates the two distinct types arising
2018 from the two <function>Baz1</function> constructors.
2019
2020
2021 </para>
2022 </listitem>
2023 <listitem>
2024
2025 <para>
2026 You can't pattern-match on an existentially quantified
2027 constructor in a <literal>let</literal> or <literal>where</literal> group of
2028 bindings. So this is illegal:
2029
2030
2031 <programlisting>
2032   f3 x = a==b where { Baz1 a b = x }
2033 </programlisting>
2034
2035
2036 You can only pattern-match
2037 on an existentially-quantified constructor in a <literal>case</literal> expression or
2038 in the patterns of a function definition.
2039
2040 The reason for this restriction is really an implementation one.
2041 Type-checking binding groups is already a nightmare without
2042 existentials complicating the picture.  Also an existential pattern
2043 binding at the top level of a module doesn't make sense, because it's
2044 not clear how to prevent the existentially-quantified type "escaping".
2045 So for now, there's a simple-to-state restriction.  We'll see how
2046 annoying it is.
2047
2048 </para>
2049 </listitem>
2050 <listitem>
2051
2052 <para>
2053 You can't use existential quantification for <literal>newtype</literal>
2054 declarations.  So this is illegal:
2055
2056
2057 <programlisting>
2058   newtype T = forall a. Ord a => MkT a
2059 </programlisting>
2060
2061
2062 Reason: a value of type <literal>T</literal> must be represented as a pair
2063 of a dictionary for <literal>Ord t</literal> and a value of type <literal>t</literal>.
2064 That contradicts the idea that <literal>newtype</literal> should have no
2065 concrete representation.  You can get just the same efficiency and effect
2066 by using <literal>data</literal> instead of <literal>newtype</literal>.  If there is no
2067 overloading involved, then there is more of a case for allowing
2068 an existentially-quantified <literal>newtype</literal>, because the <literal>data</literal>
2069 because the <literal>data</literal> version does carry an implementation cost,
2070 but single-field existentially quantified constructors aren't much
2071 use.  So the simple restriction (no existential stuff on <literal>newtype</literal>)
2072 stands, unless there are convincing reasons to change it.
2073
2074
2075 </para>
2076 </listitem>
2077 <listitem>
2078
2079 <para>
2080  You can't use <literal>deriving</literal> to define instances of a
2081 data type with existentially quantified data constructors.
2082
2083 Reason: in most cases it would not make sense. For example:&num;
2084
2085 <programlisting>
2086 data T = forall a. MkT [a] deriving( Eq )
2087 </programlisting>
2088
2089 To derive <literal>Eq</literal> in the standard way we would need to have equality
2090 between the single component of two <function>MkT</function> constructors:
2091
2092 <programlisting>
2093 instance Eq T where
2094   (MkT a) == (MkT b) = ???
2095 </programlisting>
2096
2097 But <VarName>a</VarName> and <VarName>b</VarName> have distinct types, and so can't be compared.
2098 It's just about possible to imagine examples in which the derived instance
2099 would make sense, but it seems altogether simpler simply to prohibit such
2100 declarations.  Define your own instances!
2101 </para>
2102 </listitem>
2103
2104 </itemizedlist>
2105
2106 </para>
2107
2108 </sect2>
2109
2110 </sect1>
2111
2112 <sect1 id="sec-assertions">
2113 <title>Assertions
2114 <indexterm><primary>Assertions</primary></indexterm>
2115 </title>
2116
2117 <para>
2118 If you want to make use of assertions in your standard Haskell code, you
2119 could define a function like the following:
2120 </para>
2121
2122 <para>
2123
2124 <programlisting>
2125 assert :: Bool -> a -> a
2126 assert False x = error "assertion failed!"
2127 assert _     x = x
2128 </programlisting>
2129
2130 </para>
2131
2132 <para>
2133 which works, but gives you back a less than useful error message --
2134 an assertion failed, but which and where?
2135 </para>
2136
2137 <para>
2138 One way out is to define an extended <function>assert</function> function which also
2139 takes a descriptive string to include in the error message and
2140 perhaps combine this with the use of a pre-processor which inserts
2141 the source location where <function>assert</function> was used.
2142 </para>
2143
2144 <para>
2145 Ghc offers a helping hand here, doing all of this for you. For every
2146 use of <function>assert</function> in the user's source:
2147 </para>
2148
2149 <para>
2150
2151 <programlisting>
2152 kelvinToC :: Double -> Double
2153 kelvinToC k = assert (k &gt;= 0.0) (k+273.15)
2154 </programlisting>
2155
2156 </para>
2157
2158 <para>
2159 Ghc will rewrite this to also include the source location where the
2160 assertion was made,
2161 </para>
2162
2163 <para>
2164
2165 <programlisting>
2166 assert pred val ==> assertError "Main.hs|15" pred val
2167 </programlisting>
2168
2169 </para>
2170
2171 <para>
2172 The rewrite is only performed by the compiler when it spots
2173 applications of <function>Exception.assert</function>, so you can still define and
2174 use your own versions of <function>assert</function>, should you so wish. If not,
2175 import <literal>Exception</literal> to make use <function>assert</function> in your code.
2176 </para>
2177
2178 <para>
2179 To have the compiler ignore uses of assert, use the compiler option
2180 <option>-fignore-asserts</option>. <indexterm><primary>-fignore-asserts option</primary></indexterm> That is,
2181 expressions of the form <literal>assert pred e</literal> will be rewritten to <literal>e</literal>.
2182 </para>
2183
2184 <para>
2185 Assertion failures can be caught, see the documentation for the
2186 <literal>Exception</literal> library (<xref linkend="sec-Exception">)
2187 for the details.
2188 </para>
2189
2190 </sect1>
2191
2192 <sect1 id="scoped-type-variables">
2193 <title>Scoped Type Variables
2194 </title>
2195
2196 <para>
2197 A <emphasis>pattern type signature</emphasis> can introduce a <emphasis>scoped type
2198 variable</emphasis>.  For example
2199 </para>
2200
2201 <para>
2202
2203 <programlisting>
2204 f (xs::[a]) = ys ++ ys
2205            where
2206               ys :: [a]
2207               ys = reverse xs
2208 </programlisting>
2209
2210 </para>
2211
2212 <para>
2213 The pattern <literal>(xs::[a])</literal> includes a type signature for <VarName>xs</VarName>.
2214 This brings the type variable <literal>a</literal> into scope; it scopes over
2215 all the patterns and right hand sides for this equation for <function>f</function>.
2216 In particular, it is in scope at the type signature for <VarName>y</VarName>.
2217 </para>
2218
2219 <para>
2220  Pattern type signatures are completely orthogonal to ordinary, separate
2221 type signatures.  The two can be used independently or together.
2222 At ordinary type signatures, such as that for <VarName>ys</VarName>, any type variables
2223 mentioned in the type signature <emphasis>that are not in scope</emphasis> are
2224 implicitly universally quantified.  (If there are no type variables in
2225 scope, all type variables mentioned in the signature are universally
2226 quantified, which is just as in Haskell 98.)  In this case, since <VarName>a</VarName>
2227 is in scope, it is not universally quantified, so the type of <VarName>ys</VarName> is
2228 the same as that of <VarName>xs</VarName>.  In Haskell 98 it is not possible to declare
2229 a type for <VarName>ys</VarName>; a major benefit of scoped type variables is that
2230 it becomes possible to do so.
2231 </para>
2232
2233 <para>
2234 Scoped type variables are implemented in both GHC and Hugs.  Where the
2235 implementations differ from the specification below, those differences
2236 are noted.
2237 </para>
2238
2239 <para>
2240 So much for the basic idea.  Here are the details.
2241 </para>
2242
2243 <sect2>
2244 <title>What a pattern type signature means</title>
2245 <para>
2246 A type variable brought into scope by a pattern type signature is simply
2247 the name for a type.   The restriction they express is that all occurrences
2248 of the same name mean the same type.  For example:
2249 <programlisting>
2250   f :: [Int] -> Int -> Int
2251   f (xs::[a]) (y::a) = (head xs + y) :: a
2252 </programlisting>
2253 The pattern type signatures on the left hand side of
2254 <literal>f</literal> express the fact that <literal>xs</literal>
2255 must be a list of things of some type <literal>a</literal>; and that <literal>y</literal>
2256 must have this same type.  The type signature on the expression <literal>(head xs)</literal>
2257 specifies that this expression must have the same type <literal>a</literal>.
2258 <emphasis>There is no requirement that the type named by "<literal>a</literal>" is
2259 in fact a type variable</emphasis>.  Indeed, in this case, the type named by "<literal>a</literal>" is
2260 <literal>Int</literal>.  (This is a slight liberalisation from the original rather complex
2261 rules, which specified that a pattern-bound type variable should be universally quantified.)
2262 For example, all of these are legal:</para>
2263
2264 <programlisting>
2265   t (x::a) (y::a) = x+y*2
2266
2267   f (x::a) (y::b) = [x,y]       -- a unifies with b
2268
2269   g (x::a) = x + 1::Int         -- a unifies with Int
2270
2271   h x = let k (y::a) = [x,y]    -- a is free in the
2272         in k x                  -- environment
2273
2274   k (x::a) True    = ...        -- a unifies with Int
2275   k (x::Int) False = ...
2276
2277   w :: [b] -> [b]
2278   w (x::a) = x                  -- a unifies with [b]
2279 </programlisting>
2280
2281 </sect2>
2282
2283 <sect2>
2284 <title>Scope and implicit quantification</title>
2285
2286 <para>
2287
2288 <itemizedlist>
2289 <listitem>
2290
2291 <para>
2292 All the type variables mentioned in a pattern,
2293 that are not already in scope,
2294 are brought into scope by the pattern.  We describe this set as
2295 the <emphasis>type variables bound by the pattern</emphasis>.
2296 For example:
2297 <programlisting>
2298   f (x::a) = let g (y::(a,b)) = fst y
2299              in
2300              g (x,True)
2301 </programlisting>
2302 The pattern <literal>(x::a)</literal> brings the type variable
2303 <literal>a</literal> into scope, as well as the term 
2304 variable <literal>x</literal>.  The pattern <literal>(y::(a,b))</literal>
2305 contains an occurrence of the already-in-scope type variable <literal>a</literal>,
2306 and brings into scope the type variable <literal>b</literal>.
2307 </para>
2308 </listitem>
2309
2310 <listitem>
2311 <para>
2312 The type variable(s) bound by the pattern have the same scope
2313 as the term variable(s) bound by the pattern.  For example:
2314 <programlisting>
2315   let
2316     f (x::a) = <...rhs of f...>
2317     (p::b, q::b) = (1,2)
2318   in <...body of let...>
2319 </programlisting>
2320 Here, the type variable <literal>a</literal> scopes over the right hand side of <literal>f</literal>,
2321 just like <literal>x</literal> does; while the type variable <literal>b</literal> scopes over the
2322 body of the <literal>let</literal>, and all the other definitions in the <literal>let</literal>,
2323 just like <literal>p</literal> and <literal>q</literal> do.
2324 Indeed, the newly bound type variables also scope over any ordinary, separate
2325 type signatures in the <literal>let</literal> group.
2326 </para>
2327 </listitem>
2328
2329
2330 <listitem>
2331 <para>
2332 The type variables bound by the pattern may be 
2333 mentioned in ordinary type signatures or pattern 
2334 type signatures anywhere within their scope.
2335
2336 </para>
2337 </listitem>
2338
2339 <listitem>
2340 <para>
2341  In ordinary type signatures, any type variable mentioned in the
2342 signature that is in scope is <emphasis>not</emphasis> universally quantified.
2343
2344 </para>
2345 </listitem>
2346
2347 <listitem>
2348
2349 <para>
2350  Ordinary type signatures do not bring any new type variables
2351 into scope (except in the type signature itself!). So this is illegal:
2352
2353 <programlisting>
2354   f :: a -> a
2355   f x = x::a
2356 </programlisting>
2357
2358 It's illegal because <VarName>a</VarName> is not in scope in the body of <function>f</function>,
2359 so the ordinary signature <literal>x::a</literal> is equivalent to <literal>x::forall a.a</literal>;
2360 and that is an incorrect typing.
2361
2362 </para>
2363 </listitem>
2364
2365 <listitem>
2366 <para>
2367 The pattern type signature is a monotype:
2368 </para>
2369
2370 <itemizedlist>
2371 <listitem> <para> 
2372 A pattern type signature cannot contain any explicit <literal>forall</literal> quantification.
2373 </para> </listitem>
2374
2375 <listitem>  <para> 
2376 The type variables bound by a pattern type signature can only be instantiated to monotypes,
2377 not to type schemes.
2378 </para> </listitem>
2379
2380 <listitem>  <para> 
2381 There is no implicit universal quantification on pattern type signatures (in contrast to
2382 ordinary type signatures).
2383 </para> </listitem>
2384
2385 </itemizedlist>
2386
2387 </listitem>
2388
2389 <listitem>
2390 <para>
2391
2392 The type variables in the head of a <literal>class</literal> or <literal>instance</literal> declaration
2393 scope over the methods defined in the <literal>where</literal> part.  For example:
2394
2395
2396 <programlisting>
2397   class C a where
2398     op :: [a] -> a
2399
2400     op xs = let ys::[a]
2401                 ys = reverse xs
2402             in
2403             head ys
2404 </programlisting>
2405
2406
2407 (Not implemented in Hugs yet, Dec 98).
2408 </para>
2409 </listitem>
2410
2411 </itemizedlist>
2412
2413 </para>
2414
2415 </sect2>
2416
2417 <sect2>
2418 <title>Result type signatures</title>
2419
2420 <para>
2421
2422 <itemizedlist>
2423 <listitem>
2424
2425 <para>
2426  The result type of a function can be given a signature,
2427 thus:
2428
2429
2430 <programlisting>
2431   f (x::a) :: [a] = [x,x,x]
2432 </programlisting>
2433
2434
2435 The final <literal>:: [a]</literal> after all the patterns gives a signature to the
2436 result type.  Sometimes this is the only way of naming the type variable
2437 you want:
2438
2439
2440 <programlisting>
2441   f :: Int -> [a] -> [a]
2442   f n :: ([a] -> [a]) = let g (x::a, y::a) = (y,x)
2443                         in \xs -> map g (reverse xs `zip` xs)
2444 </programlisting>
2445
2446
2447 </para>
2448 </listitem>
2449
2450 </itemizedlist>
2451
2452 </para>
2453
2454 <para>
2455 Result type signatures are not yet implemented in Hugs.
2456 </para>
2457
2458 </sect2>
2459
2460 <sect2>
2461 <title>Where a pattern type signature can occur</title>
2462
2463 <para>
2464 A pattern type signature can occur in any pattern.  For example:
2465 <itemizedlist>
2466
2467 <listitem>
2468 <para>
2469 A pattern type signature can be on an arbitrary sub-pattern, not
2470 ust on a variable:
2471
2472
2473 <programlisting>
2474   f ((x,y)::(a,b)) = (y,x) :: (b,a)
2475 </programlisting>
2476
2477
2478 </para>
2479 </listitem>
2480 <listitem>
2481
2482 <para>
2483  Pattern type signatures, including the result part, can be used
2484 in lambda abstractions:
2485
2486 <programlisting>
2487   (\ (x::a, y) :: a -> x)
2488 </programlisting>
2489 </para>
2490 </listitem>
2491 <listitem>
2492
2493 <para>
2494  Pattern type signatures, including the result part, can be used
2495 in <literal>case</literal> expressions:
2496
2497
2498 <programlisting>
2499   case e of { (x::a, y) :: a -> x }
2500 </programlisting>
2501
2502 </para>
2503 </listitem>
2504
2505 <listitem>
2506 <para>
2507 To avoid ambiguity, the type after the &ldquo;<literal>::</literal>&rdquo; in a result
2508 pattern signature on a lambda or <literal>case</literal> must be atomic (i.e. a single
2509 token or a parenthesised type of some sort).  To see why,
2510 consider how one would parse this:
2511
2512
2513 <programlisting>
2514   \ x :: a -> b -> x
2515 </programlisting>
2516
2517
2518 </para>
2519 </listitem>
2520
2521 <listitem>
2522
2523 <para>
2524  Pattern type signatures can bind existential type variables.
2525 For example:
2526
2527
2528 <programlisting>
2529   data T = forall a. MkT [a]
2530
2531   f :: T -> T
2532   f (MkT [t::a]) = MkT t3
2533                  where
2534                    t3::[a] = [t,t,t]
2535 </programlisting>
2536
2537
2538 </para>
2539 </listitem>
2540
2541
2542 <listitem>
2543
2544 <para>
2545 Pattern type signatures 
2546 can be used in pattern bindings:
2547
2548 <programlisting>
2549   f x = let (y, z::a) = x in ...
2550   f1 x                = let (y, z::Int) = x in ...
2551   f2 (x::(Int,a))     = let (y, z::a)   = x in ...
2552   f3 :: (b->b)        = \x -> x
2553 </programlisting>
2554
2555 In all such cases, the binding is not generalised over the pattern-bound
2556 type variables.  Thus <literal>f3</literal> is monomorphic; <literal>f3</literal>
2557 has type <literal>b -&gt; b</literal> for some type <literal>b</literal>, 
2558 and <emphasis>not</emphasis> <literal>forall b. b -&gt; b</literal>.
2559 In contrast, the binding
2560 <programlisting>
2561   f4 :: b->b
2562   f4 = \x -> x
2563 </programlisting>
2564 makes a polymorphic function, but <literal>b</literal> is not in scope anywhere
2565 in <literal>f4</literal>'s scope.
2566
2567 </para>
2568 </listitem>
2569 </itemizedlist>
2570 </para>
2571
2572 </sect2>
2573
2574
2575 </sect1>
2576
2577   <sect1 id="pragmas">
2578     <title>Pragmas</title>
2579
2580     <indexterm><primary>pragma</primary></indexterm>
2581
2582     <para>GHC supports several pragmas, or instructions to the
2583     compiler placed in the source code.  Pragmas don't normally affect
2584     the meaning of the program, but they might affect the efficiency
2585     of the generated code.</para>
2586
2587     <para>Pragmas all take the form
2588
2589 <literal>{-# <replaceable>word</replaceable> ... #-}</literal>  
2590
2591     where <replaceable>word</replaceable> indicates the type of
2592     pragma, and is followed optionally by information specific to that
2593     type of pragma.  Case is ignored in
2594     <replaceable>word</replaceable>.  The various values for
2595     <replaceable>word</replaceable> that GHC understands are described
2596     in the following sections; any pragma encountered with an
2597     unrecognised <replaceable>word</replaceable> is (silently)
2598     ignored.</para>
2599
2600 <sect2 id="inline-pragma">
2601 <title>INLINE pragma
2602
2603 <indexterm><primary>INLINE pragma</primary></indexterm>
2604 <indexterm><primary>pragma, INLINE</primary></indexterm></title>
2605
2606 <para>
2607 GHC (with <option>-O</option>, as always) tries to inline (or &ldquo;unfold&rdquo;)
2608 functions/values that are &ldquo;small enough,&rdquo; thus avoiding the call
2609 overhead and possibly exposing other more-wonderful optimisations.
2610 </para>
2611
2612 <para>
2613 You will probably see these unfoldings (in Core syntax) in your
2614 interface files.
2615 </para>
2616
2617 <para>
2618 Normally, if GHC decides a function is &ldquo;too expensive&rdquo; to inline, it
2619 will not do so, nor will it export that unfolding for other modules to
2620 use.
2621 </para>
2622
2623 <para>
2624 The sledgehammer you can bring to bear is the
2625 <literal>INLINE</literal><indexterm><primary>INLINE pragma</primary></indexterm> pragma, used thusly:
2626
2627 <programlisting>
2628 key_function :: Int -> String -> (Bool, Double)
2629
2630 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
2631 {-# INLINE key_function #-}
2632 #endif
2633 </programlisting>
2634
2635 (You don't need to do the C pre-processor carry-on unless you're going
2636 to stick the code through HBC&mdash;it doesn't like <literal>INLINE</literal> pragmas.)
2637 </para>
2638
2639 <para>
2640 The major effect of an <literal>INLINE</literal> pragma is to declare a function's
2641 &ldquo;cost&rdquo; to be very low.  The normal unfolding machinery will then be
2642 very keen to inline it.
2643 </para>
2644
2645 <para>
2646 An <literal>INLINE</literal> pragma for a function can be put anywhere its type
2647 signature could be put.
2648 </para>
2649
2650 <para>
2651 <literal>INLINE</literal> pragmas are a particularly good idea for the
2652 <literal>then</literal>/<literal>return</literal> (or <literal>bind</literal>/<literal>unit</literal>) functions in a monad.
2653 For example, in GHC's own <literal>UniqueSupply</literal> monad code, we have:
2654
2655 <programlisting>
2656 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
2657 {-# INLINE thenUs #-}
2658 {-# INLINE returnUs #-}
2659 #endif
2660 </programlisting>
2661
2662 </para>
2663
2664 </sect2>
2665
2666 <sect2 id="noinline-pragma">
2667 <title>NOINLINE pragma
2668 </title>
2669
2670 <indexterm><primary>NOINLINE pragma</primary></indexterm>
2671 <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>NOINLINE</secondary></indexterm>
2672 <indexterm><primary>NOTINLINE pragma</primary></indexterm>
2673 <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>NOTINLINE</secondary></indexterm>
2674
2675 <para>
2676 The <literal>NOINLINE</literal> pragma does exactly what you'd expect:
2677 it stops the named function from being inlined by the compiler.  You
2678 shouldn't ever need to do this, unless you're very cautious about code
2679 size.
2680 </para>
2681
2682 <para><literal>NOTINLINE</literal> is a synonym for
2683 <literal>NOINLINE</literal> (<literal>NOTINLINE</literal> is specified
2684 by Haskell 98 as the standard way to disable inlining, so it should be
2685 used if you want your code to be portable).</para>
2686
2687 </sect2>
2688
2689     <sect2 id="specialize-pragma">
2690       <title>SPECIALIZE pragma</title>
2691
2692       <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
2693       <indexterm><primary>pragma, SPECIALIZE</primary></indexterm>
2694       <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
2695
2696       <para>(UK spelling also accepted.)  For key overloaded
2697       functions, you can create extra versions (NB: more code space)
2698       specialised to particular types.  Thus, if you have an
2699       overloaded function:</para>
2700
2701 <programlisting>
2702 hammeredLookup :: Ord key => [(key, value)] -> key -> value
2703 </programlisting>
2704
2705       <para>If it is heavily used on lists with
2706       <literal>Widget</literal> keys, you could specialise it as
2707       follows:</para>
2708
2709 <programlisting>
2710 {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Widget, value)] -> Widget -> value #-}
2711 </programlisting>
2712
2713       <para>To get very fancy, you can also specify a named function
2714       to use for the specialised value, as in:</para>
2715
2716 <programlisting>
2717 {-# RULES hammeredLookup = blah #-}
2718 </programlisting>
2719
2720       <para>where <literal>blah</literal> is an implementation of
2721       <literal>hammerdLookup</literal> written specialy for
2722       <literal>Widget</literal> lookups.  It's <emphasis>Your
2723       Responsibility</emphasis> to make sure that
2724       <function>blah</function> really behaves as a specialised
2725       version of <function>hammeredLookup</function>!!!</para>
2726
2727       <para>Note we use the <literal>RULE</literal> pragma here to
2728       indicate that <literal>hammeredLookup</literal> applied at a
2729       certain type should be replaced by <literal>blah</literal>.  See
2730       <xref linkend="rules"> for more information on
2731       <literal>RULES</literal>.</para>
2732
2733       <para>An example in which using <literal>RULES</literal> for
2734       specialisation will Win Big:
2735
2736 <programlisting>
2737 toDouble :: Real a => a -> Double
2738 toDouble = fromRational . toRational
2739
2740 {-# SPECIALIZE toDouble :: Int -> Double = i2d #-}
2741 i2d (I# i) = D# (int2Double# i) -- uses Glasgow prim-op directly
2742 </programlisting>
2743
2744       The <function>i2d</function> function is virtually one machine
2745       instruction; the default conversion&mdash;via an intermediate
2746       <literal>Rational</literal>&mdash;is obscenely expensive by
2747       comparison.</para>
2748
2749       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> pragma for a function can
2750       be put anywhere its type signature could be put.</para>
2751
2752     </sect2>
2753
2754 <sect2 id="specialize-instance-pragma">
2755 <title>SPECIALIZE instance pragma
2756 </title>
2757
2758 <para>
2759 <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
2760 <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
2761 Same idea, except for instance declarations.  For example:
2762
2763 <programlisting>
2764 instance (Eq a) => Eq (Foo a) where { 
2765    {-# SPECIALIZE instance Eq (Foo [(Int, Bar)]) #-}
2766    ... usual stuff ...
2767  }
2768 </programlisting>
2769 The pragma must occur inside the <literal>where</literal> part
2770 of the instance declaration.
2771 </para>
2772 <para>
2773 Compatible with HBC, by the way, except perhaps in the placement
2774 of the pragma.
2775 </para>
2776
2777 </sect2>
2778
2779 <sect2 id="line-pragma">
2780 <title>LINE pragma
2781 </title>
2782
2783 <para>
2784 <indexterm><primary>LINE pragma</primary></indexterm>
2785 <indexterm><primary>pragma, LINE</primary></indexterm>
2786 </para>
2787
2788 <para>
2789 This pragma is similar to C's <literal>&num;line</literal> pragma, and is mainly for use in
2790 automatically generated Haskell code.  It lets you specify the line
2791 number and filename of the original code; for example
2792 </para>
2793
2794 <para>
2795
2796 <programlisting>
2797 {-# LINE 42 "Foo.vhs" #-}
2798 </programlisting>
2799
2800 </para>
2801
2802 <para>
2803 if you'd generated the current file from something called <filename>Foo.vhs</filename>
2804 and this line corresponds to line 42 in the original.  GHC will adjust
2805 its error messages to refer to the line/file named in the <literal>LINE</literal>
2806 pragma.
2807 </para>
2808
2809 </sect2>
2810
2811 <sect2 id="rules">
2812 <title>RULES pragma</title>
2813
2814 <para>
2815 The RULES pragma lets you specify rewrite rules.  It is described in
2816 <xref LinkEnd="rewrite-rules">.
2817 </para>
2818
2819 </sect2>
2820
2821 <sect2 id="deprecated-pragma">
2822 <title>DEPRECATED pragma</title>
2823
2824 <para>
2825 The DEPRECATED pragma lets you specify that a particular function, class, or type, is deprecated.  
2826 There are two forms.  
2827 </para>
2828 <itemizedlist>
2829 <listitem><para>
2830 You can deprecate an entire module thus:</para>
2831 <programlisting>
2832    module Wibble {-# DEPRECATED "Use Wobble instead" #-} where
2833      ...
2834 </programlisting>
2835 <para>
2836 When you compile any module that import <literal>Wibble</literal>, GHC will print
2837 the specified message.</para>
2838 </listitem>
2839
2840 <listitem>
2841 <para>
2842 You can deprecate a function, class, or type, with the following top-level declaration:
2843 </para>
2844 <programlisting>
2845    {-# DEPRECATED f, C, T "Don't use these" #-}
2846 </programlisting>
2847 <para>
2848 When you compile any module that imports and uses any of the specifed entities, 
2849 GHC will print the specified message.
2850 </para>
2851 </listitem>
2852 </itemizedlist>
2853 <para>You can suppress the warnings with the flag <option>-fno-warn-deprecations</option>.</para>
2854
2855 </sect2>
2856
2857 </sect1>
2858
2859 <sect1 id="rewrite-rules">
2860 <title>Rewrite rules
2861
2862 <indexterm><primary>RULES pagma</primary></indexterm>
2863 <indexterm><primary>pragma, RULES</primary></indexterm>
2864 <indexterm><primary>rewrite rules</primary></indexterm></title>
2865
2866 <para>
2867 The programmer can specify rewrite rules as part of the source program
2868 (in a pragma).  GHC applies these rewrite rules wherever it can.
2869 </para>
2870
2871 <para>
2872 Here is an example:
2873
2874 <programlisting>
2875   {-# RULES
2876         "map/map"       forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
2877   #-}
2878 </programlisting>
2879
2880 </para>
2881
2882 <sect2>
2883 <title>Syntax</title>
2884
2885 <para>
2886 From a syntactic point of view:
2887
2888 <itemizedlist>
2889 <listitem>
2890
2891 <para>
2892  Each rule has a name, enclosed in double quotes.  The name itself has
2893 no significance at all.  It is only used when reporting how many times the rule fired.
2894 </para>
2895 </listitem>
2896 <listitem>
2897
2898 <para>
2899  There may be zero or more rules in a <literal>RULES</literal> pragma.
2900 </para>
2901 </listitem>
2902 <listitem>
2903
2904 <para>
2905  Layout applies in a <literal>RULES</literal> pragma.  Currently no new indentation level
2906 is set, so you must lay out your rules starting in the same column as the
2907 enclosing definitions.
2908 </para>
2909 </listitem>
2910 <listitem>
2911
2912 <para>
2913  Each variable mentioned in a rule must either be in scope (e.g. <function>map</function>),
2914 or bound by the <literal>forall</literal> (e.g. <function>f</function>, <function>g</function>, <function>xs</function>).  The variables bound by
2915 the <literal>forall</literal> are called the <emphasis>pattern</emphasis> variables.  They are separated
2916 by spaces, just like in a type <literal>forall</literal>.
2917 </para>
2918 </listitem>
2919 <listitem>
2920
2921 <para>
2922  A pattern variable may optionally have a type signature.
2923 If the type of the pattern variable is polymorphic, it <emphasis>must</emphasis> have a type signature.
2924 For example, here is the <literal>foldr/build</literal> rule:
2925
2926 <programlisting>
2927 "fold/build"  forall k z (g::forall b. (a->b->b) -> b -> b) .
2928               foldr k z (build g) = g k z
2929 </programlisting>
2930
2931 Since <function>g</function> has a polymorphic type, it must have a type signature.
2932
2933 </para>
2934 </listitem>
2935 <listitem>
2936
2937 <para>
2938 The left hand side of a rule must consist of a top-level variable applied
2939 to arbitrary expressions.  For example, this is <emphasis>not</emphasis> OK:
2940
2941 <programlisting>
2942 "wrong1"   forall e1 e2.  case True of { True -> e1; False -> e2 } = e1
2943 "wrong2"   forall f.      f True = True
2944 </programlisting>
2945
2946 In <literal>"wrong1"</literal>, the LHS is not an application; in <literal>"wrong2"</literal>, the LHS has a pattern variable
2947 in the head.
2948 </para>
2949 </listitem>
2950 <listitem>
2951
2952 <para>
2953  A rule does not need to be in the same module as (any of) the
2954 variables it mentions, though of course they need to be in scope.
2955 </para>
2956 </listitem>
2957 <listitem>
2958
2959 <para>
2960  Rules are automatically exported from a module, just as instance declarations are.
2961 </para>
2962 </listitem>
2963
2964 </itemizedlist>
2965
2966 </para>
2967
2968 </sect2>
2969
2970 <sect2>
2971 <title>Semantics</title>
2972
2973 <para>
2974 From a semantic point of view:
2975
2976 <itemizedlist>
2977 <listitem>
2978
2979 <para>
2980 Rules are only applied if you use the <option>-O</option> flag.
2981 </para>
2982 </listitem>
2983
2984 <listitem>
2985 <para>
2986  Rules are regarded as left-to-right rewrite rules.
2987 When GHC finds an expression that is a substitution instance of the LHS
2988 of a rule, it replaces the expression by the (appropriately-substituted) RHS.
2989 By "a substitution instance" we mean that the LHS can be made equal to the
2990 expression by substituting for the pattern variables.
2991
2992 </para>
2993 </listitem>
2994 <listitem>
2995
2996 <para>
2997  The LHS and RHS of a rule are typechecked, and must have the
2998 same type.
2999
3000 </para>
3001 </listitem>
3002 <listitem>
3003
3004 <para>
3005  GHC makes absolutely no attempt to verify that the LHS and RHS
3006 of a rule have the same meaning.  That is undecideable in general, and
3007 infeasible in most interesting cases.  The responsibility is entirely the programmer's!
3008
3009 </para>
3010 </listitem>
3011 <listitem>
3012
3013 <para>
3014  GHC makes no attempt to make sure that the rules are confluent or
3015 terminating.  For example:
3016
3017 <programlisting>
3018   "loop"        forall x,y.  f x y = f y x
3019 </programlisting>
3020
3021 This rule will cause the compiler to go into an infinite loop.
3022
3023 </para>
3024 </listitem>
3025 <listitem>
3026
3027 <para>
3028  If more than one rule matches a call, GHC will choose one arbitrarily to apply.
3029
3030 </para>
3031 </listitem>
3032 <listitem>
3033 <para>
3034  GHC currently uses a very simple, syntactic, matching algorithm
3035 for matching a rule LHS with an expression.  It seeks a substitution
3036 which makes the LHS and expression syntactically equal modulo alpha
3037 conversion.  The pattern (rule), but not the expression, is eta-expanded if
3038 necessary.  (Eta-expanding the epression can lead to laziness bugs.)
3039 But not beta conversion (that's called higher-order matching).
3040 </para>
3041
3042 <para>
3043 Matching is carried out on GHC's intermediate language, which includes
3044 type abstractions and applications.  So a rule only matches if the
3045 types match too.  See <xref LinkEnd="rule-spec"> below.
3046 </para>
3047 </listitem>
3048 <listitem>
3049
3050 <para>
3051  GHC keeps trying to apply the rules as it optimises the program.
3052 For example, consider:
3053
3054 <programlisting>
3055   let s = map f
3056       t = map g
3057   in
3058   s (t xs)
3059 </programlisting>
3060
3061 The expression <literal>s (t xs)</literal> does not match the rule <literal>"map/map"</literal>, but GHC
3062 will substitute for <VarName>s</VarName> and <VarName>t</VarName>, giving an expression which does match.
3063 If <VarName>s</VarName> or <VarName>t</VarName> was (a) used more than once, and (b) large or a redex, then it would
3064 not be substituted, and the rule would not fire.
3065
3066 </para>
3067 </listitem>
3068 <listitem>
3069
3070 <para>
3071  In the earlier phases of compilation, GHC inlines <emphasis>nothing
3072 that appears on the LHS of a rule</emphasis>, because once you have substituted
3073 for something you can't match against it (given the simple minded
3074 matching).  So if you write the rule
3075
3076 <programlisting>
3077         "map/map"       forall f,g.  map f . map g = map (f.g)
3078 </programlisting>
3079
3080 this <emphasis>won't</emphasis> match the expression <literal>map f (map g xs)</literal>.
3081 It will only match something written with explicit use of ".".
3082 Well, not quite.  It <emphasis>will</emphasis> match the expression
3083
3084 <programlisting>
3085 wibble f g xs
3086 </programlisting>
3087
3088 where <function>wibble</function> is defined:
3089
3090 <programlisting>
3091 wibble f g = map f . map g
3092 </programlisting>
3093
3094 because <function>wibble</function> will be inlined (it's small).
3095
3096 Later on in compilation, GHC starts inlining even things on the
3097 LHS of rules, but still leaves the rules enabled.  This inlining
3098 policy is controlled by the per-simplification-pass flag <option>-finline-phase</option><emphasis>n</emphasis>.
3099
3100 </para>
3101 </listitem>
3102 <listitem>
3103
3104 <para>
3105  All rules are implicitly exported from the module, and are therefore
3106 in force in any module that imports the module that defined the rule, directly
3107 or indirectly.  (That is, if A imports B, which imports C, then C's rules are
3108 in force when compiling A.)  The situation is very similar to that for instance
3109 declarations.
3110 </para>
3111 </listitem>
3112
3113 </itemizedlist>
3114
3115 </para>
3116
3117 </sect2>
3118
3119 <sect2>
3120 <title>List fusion</title>
3121
3122 <para>
3123 The RULES mechanism is used to implement fusion (deforestation) of common list functions.
3124 If a "good consumer" consumes an intermediate list constructed by a "good producer", the
3125 intermediate list should be eliminated entirely.
3126 </para>
3127
3128 <para>
3129 The following are good producers:
3130
3131 <itemizedlist>
3132 <listitem>
3133
3134 <para>
3135  List comprehensions
3136 </para>
3137 </listitem>
3138 <listitem>
3139
3140 <para>
3141  Enumerations of <literal>Int</literal> and <literal>Char</literal> (e.g. <literal>['a'..'z']</literal>).
3142 </para>
3143 </listitem>
3144 <listitem>
3145
3146 <para>
3147  Explicit lists (e.g. <literal>[True, False]</literal>)
3148 </para>
3149 </listitem>
3150 <listitem>
3151
3152 <para>
3153  The cons constructor (e.g <literal>3:4:[]</literal>)
3154 </para>
3155 </listitem>
3156 <listitem>
3157
3158 <para>
3159  <function>++</function>
3160 </para>
3161 </listitem>
3162
3163 <listitem>
3164 <para>
3165  <function>map</function>
3166 </para>
3167 </listitem>
3168
3169 <listitem>
3170 <para>
3171  <function>filter</function>
3172 </para>
3173 </listitem>
3174 <listitem>
3175
3176 <para>
3177  <function>iterate</function>, <function>repeat</function>
3178 </para>
3179 </listitem>
3180 <listitem>
3181
3182 <para>
3183  <function>zip</function>, <function>zipWith</function>
3184 </para>
3185 </listitem>
3186
3187 </itemizedlist>
3188
3189 </para>
3190
3191 <para>
3192 The following are good consumers:
3193
3194 <itemizedlist>
3195 <listitem>
3196
3197 <para>
3198  List comprehensions
3199 </para>
3200 </listitem>
3201 <listitem>
3202
3203 <para>
3204  <function>array</function> (on its second argument)
3205 </para>
3206 </listitem>
3207 <listitem>
3208
3209 <para>
3210  <function>length</function>
3211 </para>
3212 </listitem>
3213 <listitem>
3214
3215 <para>
3216  <function>++</function> (on its first argument)
3217 </para>
3218 </listitem>
3219
3220 <listitem>
3221 <para>
3222  <function>foldr</function>
3223 </para>
3224 </listitem>
3225
3226 <listitem>
3227 <para>
3228  <function>map</function>
3229 </para>
3230 </listitem>
3231 <listitem>
3232
3233 <para>
3234  <function>filter</function>
3235 </para>
3236 </listitem>
3237 <listitem>
3238
3239 <para>
3240  <function>concat</function>
3241 </para>
3242 </listitem>
3243 <listitem>
3244
3245 <para>
3246  <function>unzip</function>, <function>unzip2</function>, <function>unzip3</function>, <function>unzip4</function>
3247 </para>
3248 </listitem>
3249 <listitem>
3250
3251 <para>
3252  <function>zip</function>, <function>zipWith</function> (but on one argument only; if both are good producers, <function>zip</function>
3253 will fuse with one but not the other)
3254 </para>
3255 </listitem>
3256 <listitem>
3257
3258 <para>
3259  <function>partition</function>
3260 </para>
3261 </listitem>
3262 <listitem>
3263
3264 <para>
3265  <function>head</function>
3266 </para>
3267 </listitem>
3268 <listitem>
3269
3270 <para>
3271  <function>and</function>, <function>or</function>, <function>any</function>, <function>all</function>
3272 </para>
3273 </listitem>
3274 <listitem>
3275
3276 <para>
3277  <function>sequence&lowbar;</function>
3278 </para>
3279 </listitem>
3280 <listitem>
3281
3282 <para>
3283  <function>msum</function>
3284 </para>
3285 </listitem>
3286 <listitem>
3287
3288 <para>
3289  <function>sortBy</function>
3290 </para>
3291 </listitem>
3292
3293 </itemizedlist>
3294
3295 </para>
3296
3297 <para>
3298 So, for example, the following should generate no intermediate lists:
3299
3300 <programlisting>
3301 array (1,10) [(i,i*i) | i &#60;- map (+ 1) [0..9]]
3302 </programlisting>
3303
3304 </para>
3305
3306 <para>
3307 This list could readily be extended; if there are Prelude functions that you use
3308 a lot which are not included, please tell us.
3309 </para>
3310
3311 <para>
3312 If you want to write your own good consumers or producers, look at the
3313 Prelude definitions of the above functions to see how to do so.
3314 </para>
3315
3316 </sect2>
3317
3318 <sect2 id="rule-spec">
3319 <title>Specialisation
3320 </title>
3321
3322 <para>
3323 Rewrite rules can be used to get the same effect as a feature
3324 present in earlier version of GHC:
3325
3326 <programlisting>
3327   {-# SPECIALIZE fromIntegral :: Int8 -> Int16 = int8ToInt16 #-}
3328 </programlisting>
3329
3330 This told GHC to use <function>int8ToInt16</function> instead of <function>fromIntegral</function> whenever
3331 the latter was called with type <literal>Int8 -&gt; Int16</literal>.  That is, rather than
3332 specialising the original definition of <function>fromIntegral</function> the programmer is
3333 promising that it is safe to use <function>int8ToInt16</function> instead.
3334 </para>
3335
3336 <para>
3337 This feature is no longer in GHC.  But rewrite rules let you do the
3338 same thing:
3339
3340 <programlisting>
3341 {-# RULES
3342   "fromIntegral/Int8/Int16" fromIntegral = int8ToInt16
3343 #-}
3344 </programlisting>
3345
3346 This slightly odd-looking rule instructs GHC to replace <function>fromIntegral</function>
3347 by <function>int8ToInt16</function> <emphasis>whenever the types match</emphasis>.  Speaking more operationally,
3348 GHC adds the type and dictionary applications to get the typed rule
3349
3350 <programlisting>
3351 forall (d1::Integral Int8) (d2::Num Int16) .
3352         fromIntegral Int8 Int16 d1 d2 = int8ToInt16
3353 </programlisting>
3354
3355 What is more,
3356 this rule does not need to be in the same file as fromIntegral,
3357 unlike the <literal>SPECIALISE</literal> pragmas which currently do (so that they
3358 have an original definition available to specialise).
3359 </para>
3360
3361 </sect2>
3362
3363 <sect2>
3364 <title>Controlling what's going on</title>
3365
3366 <para>
3367
3368 <itemizedlist>
3369 <listitem>
3370
3371 <para>
3372  Use <option>-ddump-rules</option> to see what transformation rules GHC is using.
3373 </para>
3374 </listitem>
3375 <listitem>
3376
3377 <para>
3378  Use <option>-ddump-simpl-stats</option> to see what rules are being fired.
3379 If you add <option>-dppr-debug</option> you get a more detailed listing.
3380 </para>
3381 </listitem>
3382 <listitem>
3383
3384 <para>
3385  The defintion of (say) <function>build</function> in <FileName>PrelBase.lhs</FileName> looks llike this:
3386
3387 <programlisting>
3388         build   :: forall a. (forall b. (a -> b -> b) -> b -> b) -> [a]
3389         {-# INLINE build #-}
3390         build g = g (:) []
3391 </programlisting>
3392
3393 Notice the <literal>INLINE</literal>!  That prevents <literal>(:)</literal> from being inlined when compiling
3394 <literal>PrelBase</literal>, so that an importing module will &ldquo;see&rdquo; the <literal>(:)</literal>, and can
3395 match it on the LHS of a rule.  <literal>INLINE</literal> prevents any inlining happening
3396 in the RHS of the <literal>INLINE</literal> thing.  I regret the delicacy of this.
3397
3398 </para>
3399 </listitem>
3400 <listitem>
3401
3402 <para>
3403  In <filename>ghc/lib/std/PrelBase.lhs</filename> look at the rules for <function>map</function> to
3404 see how to write rules that will do fusion and yet give an efficient
3405 program even if fusion doesn't happen.  More rules in <filename>PrelList.lhs</filename>.
3406 </para>
3407 </listitem>
3408
3409 </itemizedlist>
3410
3411 </para>
3412
3413 </sect2>
3414
3415 </sect1>
3416
3417 <sect1 id="generic-classes">
3418 <title>Generic classes</title>
3419
3420     <para>(Note: support for generic classes is currently broken in
3421     GHC 5.02).</para>
3422
3423 <para>
3424 The ideas behind this extension are described in detail in "Derivable type classes",
3425 Ralf Hinze and Simon Peyton Jones, Haskell Workshop, Montreal Sept 2000, pp94-105.
3426 An example will give the idea:
3427 </para>
3428
3429 <programlisting>
3430   import Generics
3431
3432   class Bin a where
3433     toBin   :: a -> [Int]
3434     fromBin :: [Int] -> (a, [Int])
3435   
3436     toBin {| Unit |}    Unit      = []
3437     toBin {| a :+: b |} (Inl x)   = 0 : toBin x
3438     toBin {| a :+: b |} (Inr y)   = 1 : toBin y
3439     toBin {| a :*: b |} (x :*: y) = toBin x ++ toBin y
3440   
3441     fromBin {| Unit |}    bs      = (Unit, bs)
3442     fromBin {| a :+: b |} (0:bs)  = (Inl x, bs')    where (x,bs') = fromBin bs
3443     fromBin {| a :+: b |} (1:bs)  = (Inr y, bs')    where (y,bs') = fromBin bs
3444     fromBin {| a :*: b |} bs      = (x :*: y, bs'') where (x,bs' ) = fromBin bs
3445                                                           (y,bs'') = fromBin bs'
3446 </programlisting>
3447 <para>
3448 This class declaration explains how <literal>toBin</literal> and <literal>fromBin</literal>
3449 work for arbitrary data types.  They do so by giving cases for unit, product, and sum,
3450 which are defined thus in the library module <literal>Generics</literal>:
3451 </para>
3452 <programlisting>
3453   data Unit    = Unit
3454   data a :+: b = Inl a | Inr b
3455   data a :*: b = a :*: b
3456 </programlisting>
3457 <para>
3458 Now you can make a data type into an instance of Bin like this:
3459 <programlisting>
3460   instance (Bin a, Bin b) => Bin (a,b)
3461   instance Bin a => Bin [a]
3462 </programlisting>
3463 That is, just leave off the "where" clasuse.  Of course, you can put in the
3464 where clause and over-ride whichever methods you please.
3465 </para>
3466
3467     <sect2>
3468       <title> Using generics </title>
3469       <para>To use generics you need to</para>
3470       <itemizedlist>
3471         <listitem>
3472           <para>Use the flags <option>-fglasgow-exts</option> (to enable the extra syntax), 
3473                 <option>-fgenerics</option> (to generate extra per-data-type code),
3474                 and <option>-package lang</option> (to make the <literal>Generics</literal> library
3475                 available.  </para>
3476         </listitem>
3477         <listitem>
3478           <para>Import the module <literal>Generics</literal> from the
3479           <literal>lang</literal> package.  This import brings into
3480           scope the data types <literal>Unit</literal>,
3481           <literal>:*:</literal>, and <literal>:+:</literal>.  (You
3482           don't need this import if you don't mention these types
3483           explicitly; for example, if you are simply giving instance
3484           declarations.)</para>
3485         </listitem>
3486       </itemizedlist>
3487     </sect2>
3488
3489 <sect2> <title> Changes wrt the paper </title>
3490 <para>
3491 Note that the type constructors <literal>:+:</literal> and <literal>:*:</literal> 
3492 can be written infix (indeed, you can now use
3493 any operator starting in a colon as an infix type constructor).  Also note that
3494 the type constructors are not exactly as in the paper (Unit instead of 1, etc).
3495 Finally, note that the syntax of the type patterns in the class declaration
3496 uses "<literal>{|</literal>" and "<literal>|}</literal>" brackets; curly braces
3497 alone would ambiguous when they appear on right hand sides (an extension we 
3498 anticipate wanting).
3499 </para>
3500 </sect2>
3501
3502 <sect2> <title>Terminology and restrictions</title>
3503 <para>
3504 Terminology.  A "generic default method" in a class declaration
3505 is one that is defined using type patterns as above.
3506 A "polymorphic default method" is a default method defined as in Haskell 98.
3507 A "generic class declaration" is a class declaration with at least one
3508 generic default method.
3509 </para>
3510
3511 <para>
3512 Restrictions:
3513 <itemizedlist>
3514 <listitem>
3515 <para>
3516 Alas, we do not yet implement the stuff about constructor names and 
3517 field labels.
3518 </para>
3519 </listitem>
3520
3521 <listitem>
3522 <para>
3523 A generic class can have only one parameter; you can't have a generic
3524 multi-parameter class.
3525 </para>
3526 </listitem>
3527
3528 <listitem>
3529 <para>
3530 A default method must be defined entirely using type patterns, or entirely
3531 without.  So this is illegal:
3532 <programlisting>
3533   class Foo a where
3534     op :: a -> (a, Bool)
3535     op {| Unit |} Unit = (Unit, True)
3536     op x               = (x,    False)
3537 </programlisting>
3538 However it is perfectly OK for some methods of a generic class to have 
3539 generic default methods and others to have polymorphic default methods.
3540 </para>
3541 </listitem>
3542
3543 <listitem>
3544 <para>
3545 The type variable(s) in the type pattern for a generic method declaration
3546 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:
3547 <programlisting>
3548   class Foo a where
3549     op :: a -> Bool
3550     op {| p :*: q |} (x :*: y) = op (x :: p)
3551     ...
3552 </programlisting>
3553 </para>
3554 </listitem>
3555
3556 <listitem>
3557 <para>
3558 The type patterns in a generic default method must take one of the forms:
3559 <programlisting>
3560        a :+: b
3561        a :*: b
3562        Unit
3563 </programlisting>
3564 where "a" and "b" are type variables.  Furthermore, all the type patterns for
3565 a single type constructor (<literal>:*:</literal>, say) must be identical; they
3566 must use the same type variables.  So this is illegal:
3567 <programlisting>
3568   class Foo a where
3569     op :: a -> Bool
3570     op {| a :+: b |} (Inl x) = True
3571     op {| p :+: q |} (Inr y) = False
3572 </programlisting>
3573 The type patterns must be identical, even in equations for different methods of the class.
3574 So this too is illegal:
3575 <programlisting>
3576   class Foo a where
3577     op1 :: a -> Bool
3578     op1 {| a :*: b |} (x :*: y) = True
3579
3580     op2 :: a -> Bool
3581     op2 {| p :*: q |} (x :*: y) = False
3582 </programlisting>
3583 (The reason for this restriction is that we gather all the equations for a particular type consructor
3584 into a single generic instance declaration.)
3585 </para>
3586 </listitem>
3587
3588 <listitem>
3589 <para>
3590 A generic method declaration must give a case for each of the three type constructors.
3591 </para>
3592 </listitem>
3593
3594 <listitem>
3595 <para>
3596 The type for a generic method can be built only from:
3597   <itemizedlist>
3598   <listitem> <para> Function arrows </para> </listitem>
3599   <listitem> <para> Type variables </para> </listitem>
3600   <listitem> <para> Tuples </para> </listitem>
3601   <listitem> <para> Arbitrary types not involving type variables </para> </listitem>
3602   </itemizedlist>
3603 Here are some example type signatures for generic methods:
3604 <programlisting>
3605     op1 :: a -> Bool
3606     op2 :: Bool -> (a,Bool)
3607     op3 :: [Int] -> a -> a
3608     op4 :: [a] -> Bool
3609 </programlisting>
3610 Here, op1, op2, op3 are OK, but op4 is rejected, because it has a type variable
3611 inside a list.  
3612 </para>
3613 <para>
3614 This restriction is an implementation restriction: we just havn't got around to
3615 implementing the necessary bidirectional maps over arbitrary type constructors.
3616 It would be relatively easy to add specific type constructors, such as Maybe and list,
3617 to the ones that are allowed.</para>
3618 </listitem>
3619
3620 <listitem>
3621 <para>
3622 In an instance declaration for a generic class, the idea is that the compiler
3623 will fill in the methods for you, based on the generic templates.  However it can only
3624 do so if
3625   <itemizedlist>
3626   <listitem>
3627   <para>
3628   The instance type is simple (a type constructor applied to type variables, as in Haskell 98).
3629   </para>
3630   </listitem>
3631   <listitem>
3632   <para>
3633   No constructor of the instance type has unboxed fields.
3634   </para>
3635   </listitem>
3636   </itemizedlist>
3637 (Of course, these things can only arise if you are already using GHC extensions.)
3638 However, you can still give an instance declarations for types which break these rules,
3639 provided you give explicit code to override any generic default methods.
3640 </para>
3641 </listitem>
3642
3643 </itemizedlist>
3644 </para>
3645
3646 <para>
3647 The option <option>-ddump-deriv</option> dumps incomprehensible stuff giving details of 
3648 what the compiler does with generic declarations.
3649 </para>
3650
3651 </sect2>
3652
3653 <sect2> <title> Another example </title>
3654 <para>
3655 Just to finish with, here's another example I rather like:
3656 <programlisting>
3657   class Tag a where
3658     nCons :: a -> Int
3659     nCons {| Unit |}    _ = 1
3660     nCons {| a :*: b |} _ = 1
3661     nCons {| a :+: b |} _ = nCons (bot::a) + nCons (bot::b)
3662   
3663     tag :: a -> Int
3664     tag {| Unit |}    _       = 1
3665     tag {| a :*: b |} _       = 1   
3666     tag {| a :+: b |} (Inl x) = tag x
3667     tag {| a :+: b |} (Inr y) = nCons (bot::a) + tag y
3668 </programlisting>
3669 </para>
3670 </sect2>
3671 </sect1>
3672
3673 <!-- Emacs stuff:
3674      ;;; Local Variables: ***
3675      ;;; mode: sgml ***
3676      ;;; sgml-parent-document: ("users_guide.sgml" "book" "chapter" "sect1") ***
3677      ;;; End: ***
3678  -->