49d378b2591fb1d9cfc742a5be395499141eebd9
[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 Before you get too carried away working at the lowest level (e.g.,
20 sloshing <literal>MutableByteArray&num;</literal>s around your
21 program), you may wish to check if there are libraries that provide a
22 &ldquo;Haskellised veneer&rdquo; over the features you want.  See
23 <xref linkend="book-hslibs">.
24 </para>
25
26 <!-- LANGUAGE OPTIONS -->
27   <sect1 id="options-language">
28     <title>Language options</title>
29
30     <indexterm><primary>language</primary><secondary>option</secondary>
31     </indexterm>
32     <indexterm><primary>options</primary><secondary>language</secondary>
33     </indexterm>
34     <indexterm><primary>extensions</primary><secondary>options controlling</secondary>
35     </indexterm>
36
37     <para> These flags control what variation of the language are
38     permitted.  Leaving out all of them gives you standard Haskell
39     98.</para>
40
41     <variablelist>
42
43       <varlistentry>
44         <term><option>-fglasgow-exts</option>:</term>
45         <indexterm><primary><option>-fglasgow-exts</option></primary></indexterm>
46         <listitem>
47           <para>This simultaneously enables all of the extensions to
48           Haskell 98 described in <xref
49           linkend="ghc-language-features">, except where otherwise
50           noted. </para>
51         </listitem>
52       </varlistentry>
53
54       <varlistentry>
55         <term><option>-ffi</option> and <option>-fffi</option>:</term>
56         <indexterm><primary><option>-ffi</option></primary></indexterm>
57         <indexterm><primary><option>-fffi</option></primary></indexterm>
58         <listitem>
59           <para>This option enables the language extension defined in the
60           Haskell 98 Foreign Function Interface Addendum plus deprecated
61           syntax of previous versions of the FFI for backwards
62           compatibility.</para> 
63         </listitem>
64       </varlistentry>
65
66       <varlistentry>
67         <term><option>-fwith</option>:</term>
68         <indexterm><primary><option>-fwith</option></primary></indexterm>
69         <listitem>
70           <para>This option enables the deprecated <literal>with</literal>
71           keyword for implicit parameters; it is merely provided for backwards
72           compatibility.
73           It is independent of the <option>-fglasgow-exts</option>
74           flag. </para>
75         </listitem>
76       </varlistentry>
77
78       <varlistentry>
79         <term><option>-fno-monomorphism-restriction</option>:</term>
80         <indexterm><primary><option>-fno-monomorphism-restriction</option></primary></indexterm>
81         <listitem>
82           <para> Switch off the Haskell 98 monomorphism restriction.
83           Independent of the <option>-fglasgow-exts</option>
84           flag. </para>
85         </listitem>
86       </varlistentry>
87
88       <varlistentry>
89         <term><option>-fallow-overlapping-instances</option></term>
90         <term><option>-fallow-undecidable-instances</option></term>
91         <term><option>-fallow-incoherent-instances</option></term>
92         <term><option>-fcontext-stack</option></term>
93         <indexterm><primary><option>-fallow-overlapping-instances</option></primary></indexterm>
94         <indexterm><primary><option>-fallow-undecidable-instances</option></primary></indexterm>
95         <indexterm><primary><option>-fcontext-stack</option></primary></indexterm>
96         <listitem>
97           <para> See <xref LinkEnd="instance-decls">.  Only relevant
98           if you also use <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
99         </listitem>
100       </varlistentry>
101
102       <varlistentry>
103         <term><option>-finline-phase</option></term>
104         <indexterm><primary><option>-finline-phase</option></primary></indexterm>
105         <listitem>
106           <para>See <xref LinkEnd="rewrite-rules">.  Only relevant if
107           you also use <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
108         </listitem>
109       </varlistentry>
110
111       <varlistentry>
112         <term><option>-fgenerics</option></term>
113         <indexterm><primary><option>-fgenerics</option></primary></indexterm>
114         <listitem>
115           <para>See <xref LinkEnd="generic-classes">.  Independent of
116           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
117         </listitem>
118       </varlistentry>
119
120         <varlistentry>
121           <term><option>-fno-implicit-prelude</option></term>
122           <listitem>
123             <para><indexterm><primary>-fno-implicit-prelude
124             option</primary></indexterm> GHC normally imports
125             <filename>Prelude.hi</filename> files for you.  If you'd
126             rather it didn't, then give it a
127             <option>-fno-implicit-prelude</option> option.  The idea
128             is that you can then import a Prelude of your own.  (But
129             don't call it <literal>Prelude</literal>; the Haskell
130             module namespace is flat, and you must not conflict with
131             any Prelude module.)</para>
132
133             <para>Even though you have not imported the Prelude, most of
134             the built-in syntax still refers to the built-in Haskell
135             Prelude types and values, as specified by the Haskell
136             Report.  For example, the type <literal>[Int]</literal>
137             still means <literal>Prelude.[] Int</literal>; tuples
138             continue to refer to the standard Prelude tuples; the
139             translation for list comprehensions continues to use
140             <literal>Prelude.map</literal> etc.</para>
141
142             <para>However, <option>-fno-implicit-prelude</option> does
143             change the handling of certain built-in syntax: see
144             <xref LinkEnd="rebindable-syntax">.</para>
145
146           </listitem>
147         </varlistentry>
148
149     </variablelist>
150   </sect1>
151
152 <!-- UNBOXED TYPES AND PRIMITIVE OPERATIONS -->
153 <!--    included from primitives.sgml  -->
154 &primitives;
155
156
157 <!-- TYPE SYSTEM EXTENSIONS -->
158 <sect1 id="type-extensions">
159 <title>Type system extensions</title>
160
161 <sect2 id="nullary-types">
162 <title>Data types with no constructors</title>
163
164 <para>With the <option>-fglasgow-exts</option> flag, GHC lets you declare
165 a data type with no constructors.  For example:</para>
166 <programlisting>
167   data S      -- S :: *
168   data T a    -- T :: * -> *
169 </programlisting>
170 <para>Syntactically, the declaration lacks the "= constrs" part.  The 
171 type can be parameterised, but only over ordinary types, of kind *; since
172 Haskell does not have kind signatures, you cannot parameterise over higher-kinded
173 types.</para>
174
175 <para>Such data types have only one value, namely bottom.
176 Nevertheless, they can be useful when defining "phantom types".</para>
177 </sect2>
178
179 <sect2 id="infix-tycons">
180 <title>Infix type constructors</title>
181
182 <para>
183 GHC allows type constructors to be operators, and to be written infix, very much 
184 like expressions.  More specifically:
185 <itemizedlist>
186 <listitem><para>
187   A type constructor can be an operator, beginning with a colon; e.g. <literal>:*:</literal>.
188   The lexical syntax is the same as that for data constructors.
189   </para></listitem>
190 <listitem><para>
191   Types can be written infix.  For example <literal>Int :*: Bool</literal>.  
192   </para></listitem>
193 <listitem><para>
194   Back-quotes work
195   as for expressions, both for type constructors and type variables;  e.g. <literal>Int `Either` Bool</literal>, or
196   <literal>Int `a` Bool</literal>.  Similarly, parentheses work the same; e.g.  <literal>(:*:) Int Bool</literal>.
197   </para></listitem>
198 <listitem><para>
199   Fixities may be declared for type constructors just as for data constructors.  However,
200   one cannot distinguish between the two in a fixity declaration; a fixity declaration
201   sets the fixity for a data constructor and the corresponding type constructor.  For example:
202 <screen>
203   infixl 7 T, :*:
204 </screen>
205   sets the fixity for both type constructor <literal>T</literal> and data constructor <literal>T</literal>,
206   and similarly for <literal>:*:</literal>.
207   <literal>Int `a` Bool</literal>.
208   </para></listitem>
209 <listitem><para>
210   Function arrow is <literal>infixr</literal> with fixity 0.  (This might change; I'm not sure what it should be.)
211   </para></listitem>
212 <listitem><para>
213   Data type and type-synonym declarations can be written infix.  E.g.
214 <screen>
215   data a :*: b = Foo a b
216   type a :+: b = Either a b
217 </screen>
218   </para></listitem>
219 <listitem><para>
220   The only thing that differs between operators in types and operators in expressions is that
221   ordinary non-constructor operators, such as <literal>+</literal> and <literal>*</literal>
222   are not allowed in types. Reason: the uniform thing to do would be to make them type
223   variables, but that's not very useful.  A less uniform but more useful thing would be to
224   allow them to be type <emphasis>constructors</emphasis>.  But that gives trouble in export
225   lists.  So for now we just exclude them.
226   </para></listitem>
227
228 </itemizedlist>
229 </para>
230 </sect2>
231
232 <sect2 id="class-method-types">
233 <title>Class method types
234 </title>
235 <para>
236 Haskell 98 prohibits class method types to mention constraints on the
237 class type variable, thus:
238 <programlisting>
239   class Seq s a where
240     fromList :: [a] -> s a
241     elem     :: Eq a => a -> s a -> Bool
242 </programlisting>
243 The type of <literal>elem</literal> is illegal in Haskell 98, because it
244 contains the constraint <literal>Eq a</literal>, constrains only the 
245 class type variable (in this case <literal>a</literal>).
246 </para>
247 <para>
248 With the <option>-fglasgow-exts</option> GHC lifts this restriction.
249 </para>
250
251 </sect2>
252
253 <sect2 id="multi-param-type-classes">
254 <title>Multi-parameter type classes
255 </title>
256
257 <para>
258 This section documents GHC's implementation of multi-parameter type
259 classes.  There's lots of background in the paper <ULink
260 URL="http://research.microsoft.com/~simonpj/multi.ps.gz" >Type
261 classes: exploring the design space</ULink > (Simon Peyton Jones, Mark
262 Jones, Erik Meijer).
263 </para>
264
265 <para>
266 I'd like to thank people who reported shorcomings in the GHC 3.02
267 implementation.  Our default decisions were all conservative ones, and
268 the experience of these heroic pioneers has given useful concrete
269 examples to support several generalisations.  (These appear below as
270 design choices not implemented in 3.02.)
271 </para>
272
273 <para>
274 I've discussed these notes with Mark Jones, and I believe that Hugs
275 will migrate towards the same design choices as I outline here.
276 Thanks to him, and to many others who have offered very useful
277 feedback.
278 </para>
279
280 <sect3>
281 <title>Types</title>
282
283 <para>
284 There are the following restrictions on the form of a qualified
285 type:
286 </para>
287
288 <para>
289
290 <programlisting>
291   forall tv1..tvn (c1, ...,cn) => type
292 </programlisting>
293
294 </para>
295
296 <para>
297 (Here, I write the "foralls" explicitly, although the Haskell source
298 language omits them; in Haskell 1.4, all the free type variables of an
299 explicit source-language type signature are universally quantified,
300 except for the class type variables in a class declaration.  However,
301 in GHC, you can give the foralls if you want.  See <xref LinkEnd="universal-quantification">).
302 </para>
303
304 <para>
305
306 <OrderedList>
307 <listitem>
308
309 <para>
310  <emphasis>Each universally quantified type variable
311 <literal>tvi</literal> must be mentioned (i.e. appear free) in <literal>type</literal></emphasis>.
312
313 The reason for this is that a value with a type that does not obey
314 this restriction could not be used without introducing
315 ambiguity. Here, for example, is an illegal type:
316
317
318 <programlisting>
319   forall a. Eq a => Int
320 </programlisting>
321
322
323 When a value with this type was used, the constraint <literal>Eq tv</literal>
324 would be introduced where <literal>tv</literal> is a fresh type variable, and
325 (in the dictionary-translation implementation) the value would be
326 applied to a dictionary for <literal>Eq tv</literal>.  The difficulty is that we
327 can never know which instance of <literal>Eq</literal> to use because we never
328 get any more information about <literal>tv</literal>.
329
330 </para>
331 </listitem>
332 <listitem>
333
334 <para>
335  <emphasis>Every constraint <literal>ci</literal> must mention at least one of the
336 universally quantified type variables <literal>tvi</literal></emphasis>.
337
338 For example, this type is OK because <literal>C a b</literal> mentions the
339 universally quantified type variable <literal>b</literal>:
340
341
342 <programlisting>
343   forall a. C a b => burble
344 </programlisting>
345
346
347 The next type is illegal because the constraint <literal>Eq b</literal> does not
348 mention <literal>a</literal>:
349
350
351 <programlisting>
352   forall a. Eq b => burble
353 </programlisting>
354
355
356 The reason for this restriction is milder than the other one.  The
357 excluded types are never useful or necessary (because the offending
358 context doesn't need to be witnessed at this point; it can be floated
359 out).  Furthermore, floating them out increases sharing. Lastly,
360 excluding them is a conservative choice; it leaves a patch of
361 territory free in case we need it later.
362
363 </para>
364 </listitem>
365
366 </OrderedList>
367
368 </para>
369
370 <para>
371 These restrictions apply to all types, whether declared in a type signature
372 or inferred.
373 </para>
374
375 <para>
376 Unlike Haskell 1.4, constraints in types do <emphasis>not</emphasis> have to be of
377 the form <emphasis>(class type-variables)</emphasis>.  Thus, these type signatures
378 are perfectly OK
379 </para>
380
381 <para>
382
383 <programlisting>
384   f :: Eq (m a) => [m a] -> [m a]
385   g :: Eq [a] => ...
386 </programlisting>
387
388 </para>
389
390 <para>
391 This choice recovers principal types, a property that Haskell 1.4 does not have.
392 </para>
393
394 </sect3>
395
396 <sect3>
397 <title>Class declarations</title>
398
399 <para>
400
401 <OrderedList>
402 <listitem>
403
404 <para>
405  <emphasis>Multi-parameter type classes are permitted</emphasis>. For example:
406
407
408 <programlisting>
409   class Collection c a where
410     union :: c a -> c a -> c a
411     ...etc.
412 </programlisting>
413
414
415
416 </para>
417 </listitem>
418 <listitem>
419
420 <para>
421  <emphasis>The class hierarchy must be acyclic</emphasis>.  However, the definition
422 of "acyclic" involves only the superclass relationships.  For example,
423 this is OK:
424
425
426 <programlisting>
427   class C a where {
428     op :: D b => a -> b -> b
429   }
430
431   class C a => D a where { ... }
432 </programlisting>
433
434
435 Here, <literal>C</literal> is a superclass of <literal>D</literal>, but it's OK for a
436 class operation <literal>op</literal> of <literal>C</literal> to mention <literal>D</literal>.  (It
437 would not be OK for <literal>D</literal> to be a superclass of <literal>C</literal>.)
438
439 </para>
440 </listitem>
441 <listitem>
442
443 <para>
444  <emphasis>There are no restrictions on the context in a class declaration
445 (which introduces superclasses), except that the class hierarchy must
446 be acyclic</emphasis>.  So these class declarations are OK:
447
448
449 <programlisting>
450   class Functor (m k) => FiniteMap m k where
451     ...
452
453   class (Monad m, Monad (t m)) => Transform t m where
454     lift :: m a -> (t m) a
455 </programlisting>
456
457
458 </para>
459 </listitem>
460 <listitem>
461
462 <para>
463  <emphasis>In the signature of a class operation, every constraint
464 must mention at least one type variable that is not a class type
465 variable</emphasis>.
466
467 Thus:
468
469
470 <programlisting>
471   class Collection c a where
472     mapC :: Collection c b => (a->b) -> c a -> c b
473 </programlisting>
474
475
476 is OK because the constraint <literal>(Collection a b)</literal> mentions
477 <literal>b</literal>, even though it also mentions the class variable
478 <literal>a</literal>.  On the other hand:
479
480
481 <programlisting>
482   class C a where
483     op :: Eq a => (a,b) -> (a,b)
484 </programlisting>
485
486
487 is not OK because the constraint <literal>(Eq a)</literal> mentions on the class
488 type variable <literal>a</literal>, but not <literal>b</literal>.  However, any such
489 example is easily fixed by moving the offending context up to the
490 superclass context:
491
492
493 <programlisting>
494   class Eq a => C a where
495     op ::(a,b) -> (a,b)
496 </programlisting>
497
498
499 A yet more relaxed rule would allow the context of a class-op signature
500 to mention only class type variables.  However, that conflicts with
501 Rule 1(b) for types above.
502
503 </para>
504 </listitem>
505 <listitem>
506
507 <para>
508  <emphasis>The type of each class operation must mention <emphasis>all</emphasis> of
509 the class type variables</emphasis>.  For example:
510
511
512 <programlisting>
513   class Coll s a where
514     empty  :: s
515     insert :: s -> a -> s
516 </programlisting>
517
518
519 is not OK, because the type of <literal>empty</literal> doesn't mention
520 <literal>a</literal>.  This rule is a consequence of Rule 1(a), above, for
521 types, and has the same motivation.
522
523 Sometimes, offending class declarations exhibit misunderstandings.  For
524 example, <literal>Coll</literal> might be rewritten
525
526
527 <programlisting>
528   class Coll s a where
529     empty  :: s a
530     insert :: s a -> a -> s a
531 </programlisting>
532
533
534 which makes the connection between the type of a collection of
535 <literal>a</literal>'s (namely <literal>(s a)</literal>) and the element type <literal>a</literal>.
536 Occasionally this really doesn't work, in which case you can split the
537 class like this:
538
539
540 <programlisting>
541   class CollE s where
542     empty  :: s
543
544   class CollE s => Coll s a where
545     insert :: s -> a -> s
546 </programlisting>
547
548
549 </para>
550 </listitem>
551
552 </OrderedList>
553
554 </para>
555
556 </sect3>
557
558 <sect3 id="instance-decls">
559 <title>Instance declarations</title>
560
561 <para>
562
563 <OrderedList>
564 <listitem>
565
566 <para>
567  <emphasis>Instance declarations may not overlap</emphasis>.  The two instance
568 declarations
569
570
571 <programlisting>
572   instance context1 => C type1 where ...
573   instance context2 => C type2 where ...
574 </programlisting>
575
576
577 "overlap" if <literal>type1</literal> and <literal>type2</literal> unify
578
579 However, if you give the command line option
580 <option>-fallow-overlapping-instances</option><indexterm><primary>-fallow-overlapping-instances
581 option</primary></indexterm> then overlapping instance declarations are permitted.
582 However, GHC arranges never to commit to using an instance declaration
583 if another instance declaration also applies, either now or later.
584
585 <itemizedlist>
586 <listitem>
587
588 <para>
589  EITHER <literal>type1</literal> and <literal>type2</literal> do not unify
590 </para>
591 </listitem>
592 <listitem>
593
594 <para>
595  OR <literal>type2</literal> is a substitution instance of <literal>type1</literal>
596 (but not identical to <literal>type1</literal>), or vice versa.
597 </para>
598 </listitem>
599 </itemizedlist>
600 Notice that these rules
601 <itemizedlist>
602 <listitem>
603
604 <para>
605  make it clear which instance decl to use
606 (pick the most specific one that matches)
607
608 </para>
609 </listitem>
610 <listitem>
611
612 <para>
613  do not mention the contexts <literal>context1</literal>, <literal>context2</literal>
614 Reason: you can pick which instance decl
615 "matches" based on the type.
616 </para>
617 </listitem>
618
619 </itemizedlist>
620 However the rules are over-conservative.  Two instance declarations can overlap,
621 but it can still be clear in particular situations which to use.  For example:
622 <programlisting>
623   instance C (Int,a) where ...
624   instance C (a,Bool) where ...
625 </programlisting>
626 These are rejected by GHC's rules, but it is clear what to do when trying
627 to solve the constraint <literal>C (Int,Int)</literal> because the second instance
628 cannot apply.  Yell if this restriction bites you.
629 </para>
630 <para>
631 GHC is also conservative about committing to an overlapping instance.  For example:
632 <programlisting>
633   class C a where { op :: a -> a }
634   instance C [Int] where ...
635   instance C a => C [a] where ...
636   
637   f :: C b => [b] -> [b]
638   f x = op x
639 </programlisting>
640 From the RHS of f we get the constraint <literal>C [b]</literal>.  But
641 GHC does not commit to the second instance declaration, because in a paricular
642 call of f, b might be instantiate to Int, so the first instance declaration
643 would be appropriate.  So GHC rejects the program.  If you add <option>-fallow-incoherent-instances</option>
644 GHC will instead silently pick the second instance, without complaining about 
645 the problem of subsequent instantiations.
646 </para>
647 <para>
648 Regrettably, GHC doesn't guarantee to detect overlapping instance
649 declarations if they appear in different modules.  GHC can "see" the
650 instance declarations in the transitive closure of all the modules
651 imported by the one being compiled, so it can "see" all instance decls
652 when it is compiling <literal>Main</literal>.  However, it currently chooses not
653 to look at ones that can't possibly be of use in the module currently
654 being compiled, in the interests of efficiency.  (Perhaps we should
655 change that decision, at least for <literal>Main</literal>.)
656
657 </para>
658 </listitem>
659 <listitem>
660
661 <para>
662  <emphasis>There are no restrictions on the type in an instance
663 <emphasis>head</emphasis>, except that at least one must not be a type variable</emphasis>.
664 The instance "head" is the bit after the "=>" in an instance decl. For
665 example, these are OK:
666
667
668 <programlisting>
669   instance C Int a where ...
670
671   instance D (Int, Int) where ...
672
673   instance E [[a]] where ...
674 </programlisting>
675
676
677 Note that instance heads <emphasis>may</emphasis> contain repeated type variables.
678 For example, this is OK:
679
680
681 <programlisting>
682   instance Stateful (ST s) (MutVar s) where ...
683 </programlisting>
684
685
686 The "at least one not a type variable" restriction is to ensure that
687 context reduction terminates: each reduction step removes one type
688 constructor.  For example, the following would make the type checker
689 loop if it wasn't excluded:
690
691
692 <programlisting>
693   instance C a => C a where ...
694 </programlisting>
695
696
697 There are two situations in which the rule is a bit of a pain. First,
698 if one allows overlapping instance declarations then it's quite
699 convenient to have a "default instance" declaration that applies if
700 something more specific does not:
701
702
703 <programlisting>
704   instance C a where
705     op = ... -- Default
706 </programlisting>
707
708
709 Second, sometimes you might want to use the following to get the
710 effect of a "class synonym":
711
712
713 <programlisting>
714   class (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
715
716   instance (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
717 </programlisting>
718
719
720 This allows you to write shorter signatures:
721
722
723 <programlisting>
724   f :: C a => ...
725 </programlisting>
726
727
728 instead of
729
730
731 <programlisting>
732   f :: (C1 a, C2 a, C3 a) => ...
733 </programlisting>
734
735
736 I'm on the lookout for a simple rule that preserves decidability while
737 allowing these idioms.  The experimental flag
738 <option>-fallow-undecidable-instances</option><indexterm><primary>-fallow-undecidable-instances
739 option</primary></indexterm> lifts this restriction, allowing all the types in an
740 instance head to be type variables.
741
742 </para>
743 </listitem>
744 <listitem>
745
746 <para>
747  <emphasis>Unlike Haskell 1.4, instance heads may use type
748 synonyms</emphasis>.  As always, using a type synonym is just shorthand for
749 writing the RHS of the type synonym definition.  For example:
750
751
752 <programlisting>
753   type Point = (Int,Int)
754   instance C Point   where ...
755   instance C [Point] where ...
756 </programlisting>
757
758
759 is legal.  However, if you added
760
761
762 <programlisting>
763   instance C (Int,Int) where ...
764 </programlisting>
765
766
767 as well, then the compiler will complain about the overlapping
768 (actually, identical) instance declarations.  As always, type synonyms
769 must be fully applied.  You cannot, for example, write:
770
771
772 <programlisting>
773   type P a = [[a]]
774   instance Monad P where ...
775 </programlisting>
776
777
778 This design decision is independent of all the others, and easily
779 reversed, but it makes sense to me.
780
781 </para>
782 </listitem>
783 <listitem>
784
785 <para>
786 <emphasis>The types in an instance-declaration <emphasis>context</emphasis> must all
787 be type variables</emphasis>. Thus
788
789
790 <programlisting>
791 instance C a b => Eq (a,b) where ...
792 </programlisting>
793
794
795 is OK, but
796
797
798 <programlisting>
799 instance C Int b => Foo b where ...
800 </programlisting>
801
802
803 is not OK.  Again, the intent here is to make sure that context
804 reduction terminates.
805
806 Voluminous correspondence on the Haskell mailing list has convinced me
807 that it's worth experimenting with a more liberal rule.  If you use
808 the flag <option>-fallow-undecidable-instances</option> can use arbitrary
809 types in an instance context.  Termination is ensured by having a
810 fixed-depth recursion stack.  If you exceed the stack depth you get a
811 sort of backtrace, and the opportunity to increase the stack depth
812 with <option>-fcontext-stack</option><emphasis>N</emphasis>.
813
814 </para>
815 </listitem>
816
817 </OrderedList>
818
819 </para>
820
821 </sect3>
822
823 </sect2>
824
825 <sect2 id="implicit-parameters">
826 <title>Implicit parameters
827 </title>
828
829 <para> Implicit paramters are implemented as described in 
830 "Implicit parameters: dynamic scoping with static types", 
831 J Lewis, MB Shields, E Meijer, J Launchbury,
832 27th ACM Symposium on Principles of Programming Languages (POPL'00),
833 Boston, Jan 2000.
834 </para>
835 <para>(Most of the following, stil rather incomplete, documentation is due to Jeff Lewis.)</para>
836 <para>
837 A variable is called <emphasis>dynamically bound</emphasis> when it is bound by the calling
838 context of a function and <emphasis>statically bound</emphasis> when bound by the callee's
839 context. In Haskell, all variables are statically bound. Dynamic
840 binding of variables is a notion that goes back to Lisp, but was later
841 discarded in more modern incarnations, such as Scheme. Dynamic binding
842 can be very confusing in an untyped language, and unfortunately, typed
843 languages, in particular Hindley-Milner typed languages like Haskell,
844 only support static scoping of variables.
845 </para>
846 <para>
847 However, by a simple extension to the type class system of Haskell, we
848 can support dynamic binding. Basically, we express the use of a
849 dynamically bound variable as a constraint on the type. These
850 constraints lead to types of the form <literal>(?x::t') => t</literal>, which says "this
851 function uses a dynamically-bound variable <literal>?x</literal> 
852 of type <literal>t'</literal>". For
853 example, the following expresses the type of a sort function,
854 implicitly parameterized by a comparison function named <literal>cmp</literal>.
855 <programlisting>
856   sort :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
857 </programlisting>
858 The dynamic binding constraints are just a new form of predicate in the type class system.
859 </para>
860 <para>
861 An implicit parameter is introduced by the special form <literal>?x</literal>, 
862 where <literal>x</literal> is
863 any valid identifier. Use if this construct also introduces new
864 dynamic binding constraints. For example, the following definition
865 shows how we can define an implicitly parameterized sort function in
866 terms of an explicitly parameterized <literal>sortBy</literal> function:
867 <programlisting>
868   sortBy :: (a -> a -> Bool) -> [a] -> [a]
869
870   sort   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
871   sort    = sortBy ?cmp
872 </programlisting>
873 Dynamic binding constraints behave just like other type class
874 constraints in that they are automatically propagated. Thus, when a
875 function is used, its implicit parameters are inherited by the
876 function that called it. For example, our <literal>sort</literal> function might be used
877 to pick out the least value in a list:
878 <programlisting>
879   least   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> a
880   least xs = fst (sort xs)
881 </programlisting>
882 Without lifting a finger, the <literal>?cmp</literal> parameter is
883 propagated to become a parameter of <literal>least</literal> as well. With explicit
884 parameters, the default is that parameters must always be explicit
885 propagated. With implicit parameters, the default is to always
886 propagate them.
887 </para>
888 <para>
889 An implicit parameter differs from other type class constraints in the
890 following way: All uses of a particular implicit parameter must have
891 the same type. This means that the type of <literal>(?x, ?x)</literal> 
892 is <literal>(?x::a) => (a,a)</literal>, and not 
893 <literal>(?x::a, ?x::b) => (a, b)</literal>, as would be the case for type
894 class constraints.
895 </para>
896 <para>
897 An implicit parameter is bound using an expression of the form 
898 <emphasis>expr</emphasis> <literal>with</literal> <emphasis>binds</emphasis>, 
899 where <literal>with</literal> is a new keyword. This form binds the implicit
900 parameters arising in the body, not the free variables as a <literal>let</literal> or
901 <literal>where</literal> would do. For example, we define the <literal>min</literal> function by binding
902 <literal>cmp</literal>.
903 <programlisting>
904   min :: [a] -> a
905   min  = least with ?cmp = (<=)
906 </programlisting>
907 Syntactically, the <emphasis>binds</emphasis> part of a <literal>with</literal> construct must be a
908 collection of simple bindings to variables (no function-style
909 bindings, and no type signatures); these bindings are neither
910 polymorphic or recursive.
911 </para>
912 <para>
913 Note the following additional constraints:
914 <itemizedlist>
915 <listitem>
916 <para> You can't have an implicit parameter in the context of a class or instance
917 declaration.  For example, both these declarations are illegal:
918 <programlisting>
919   class (?x::Int) => C a where ...
920   instance (?x::a) => Foo [a] where ...
921 </programlisting>
922 Reason: exactly which implicit parameter you pick up depends on exactly where
923 you invoke a function. But the ``invocation'' of instance declarations is done
924 behind the scenes by the compiler, so it's hard to figure out exactly where it is done.
925 Easiest thing is to outlaw the offending types.</para>
926 </listitem>
927 </itemizedlist>
928 </para>
929
930 </sect2>
931
932 <sect2 id="linear-implicit-parameters">
933 <title>Linear implicit parameters
934 </title>
935 <para>
936 Linear implicit parameters are an idea developed by Koen Claessen,
937 Mark Shields, and Simon PJ.  They address the long-standing
938 problem that monads seem over-kill for certain sorts of problem, notably:
939 </para>
940 <itemizedlist>
941 <listitem> <para> distributing a supply of unique names </para> </listitem>
942 <listitem> <para> distributing a suppply of random numbers </para> </listitem>
943 <listitem> <para> distributing an oracle (as in QuickCheck) </para> </listitem>
944 </itemizedlist>
945
946 <para>
947 Linear implicit parameters are just like ordinary implicit parameters,
948 except that they are "linear" -- that is, they cannot be copied, and
949 must be explicitly "split" instead.  Linear implicit parameters are
950 written '<literal>%x</literal>' instead of '<literal>?x</literal>'.  
951 (The '/' in the '%' suggests the split!)
952 </para>
953 <para>
954 For example:
955 <programlisting>
956     import GHC.Exts( Splittable )
957
958     data NameSupply = ...
959     
960     splitNS :: NameSupply -> (NameSupply, NameSupply)
961     newName :: NameSupply -> Name
962
963     instance Splittable NameSupply where
964         split = splitNS
965
966
967     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
968     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
969                     where
970                       x'   = newName %ns
971                       env' = extend env x x'
972     ...more equations for f...
973 </programlisting>
974 Notice that the implicit parameter %ns is consumed 
975 <itemizedlist>
976 <listitem> <para> once by the call to <literal>newName</literal> </para> </listitem>
977 <listitem> <para> once by the recursive call to <literal>f</literal> </para></listitem>
978 </itemizedlist>
979 </para>
980 <para>
981 So the translation done by the type checker makes
982 the parameter explicit:
983 <programlisting>
984     f :: NameSupply -> Env -> Expr -> Expr
985     f ns env (Lam x e) = Lam x' (f ns1 env e)
986                        where
987                          (ns1,ns2) = splitNS ns
988                          x' = newName ns2
989                          env = extend env x x'
990 </programlisting>
991 Notice the call to 'split' introduced by the type checker.
992 How did it know to use 'splitNS'?  Because what it really did
993 was to introduce a call to the overloaded function 'split',
994 defined by the class <literal>Splittable</literal>:
995 <programlisting>
996         class Splittable a where
997           split :: a -> (a,a)
998 </programlisting>
999 The instance for <literal>Splittable NameSupply</literal> tells GHC how to implement
1000 split for name supplies.  But we can simply write
1001 <programlisting>
1002         g x = (x, %ns, %ns)
1003 </programlisting>
1004 and GHC will infer
1005 <programlisting>
1006         g :: (Splittable a, %ns :: a) => b -> (b,a,a)
1007 </programlisting>
1008 The <literal>Splittable</literal> class is built into GHC.  It's exported by module 
1009 <literal>GHC.Exts</literal>.
1010 </para>
1011 <para>
1012 Other points:
1013 <itemizedlist>
1014 <listitem> <para> '<literal>?x</literal>' and '<literal>%x</literal>' 
1015 are entirely distinct implicit parameters: you 
1016   can use them together and they won't intefere with each other. </para>
1017 </listitem>
1018
1019 <listitem> <para> You can bind linear implicit parameters in 'with' clauses. </para> </listitem>
1020
1021 <listitem> <para>You cannot have implicit parameters (whether linear or not)
1022   in the context of a class or instance declaration. </para></listitem>
1023 </itemizedlist>
1024 </para>
1025
1026 <sect3><title>Warnings</title>
1027
1028 <para>
1029 The monomorphism restriction is even more important than usual.
1030 Consider the example above:
1031 <programlisting>
1032     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
1033     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
1034                     where
1035                       x'   = newName %ns
1036                       env' = extend env x x'
1037 </programlisting>
1038 If we replaced the two occurrences of x' by (newName %ns), which is
1039 usually a harmless thing to do, we get:
1040 <programlisting>
1041     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
1042     f env (Lam x e) = Lam (newName %ns) (f env e)
1043                     where
1044                       env' = extend env x (newName %ns)
1045 </programlisting>
1046 But now the name supply is consumed in <emphasis>three</emphasis> places
1047 (the two calls to newName,and the recursive call to f), so
1048 the result is utterly different.  Urk!  We don't even have 
1049 the beta rule.
1050 </para>
1051 <para>
1052 Well, this is an experimental change.  With implicit
1053 parameters we have already lost beta reduction anyway, and
1054 (as John Launchbury puts it) we can't sensibly reason about
1055 Haskell programs without knowing their typing.
1056 </para>
1057
1058 </sect3>
1059
1060 </sect2>
1061
1062 <sect2 id="functional-dependencies">
1063 <title>Functional dependencies
1064 </title>
1065
1066 <para> Functional dependencies are implemented as described by Mark Jones
1067 in "Type Classes with Functional Dependencies", Mark P. Jones, 
1068 In Proceedings of the 9th European Symposium on Programming, 
1069 ESOP 2000, Berlin, Germany, March 2000, Springer-Verlag LNCS 1782.
1070 </para>
1071
1072 <para>
1073 There should be more documentation, but there isn't (yet).  Yell if you need it.
1074 </para>
1075 </sect2>
1076
1077
1078 <sect2 id="universal-quantification">
1079 <title>Arbitrary-rank polymorphism
1080 </title>
1081
1082 <para>
1083 Haskell type signatures are implicitly quantified.  The new keyword <literal>forall</literal>
1084 allows us to say exactly what this means.  For example:
1085 </para>
1086 <para>
1087 <programlisting>
1088         g :: b -> b
1089 </programlisting>
1090 means this:
1091 <programlisting>
1092         g :: forall b. (b -> b)
1093 </programlisting>
1094 The two are treated identically.
1095 </para>
1096
1097 <para>
1098 However, GHC's type system supports <emphasis>arbitrary-rank</emphasis> 
1099 explicit universal quantification in
1100 types. 
1101 For example, all the following types are legal:
1102 <programlisting>
1103     f1 :: forall a b. a -> b -> a
1104     g1 :: forall a b. (Ord a, Eq  b) => a -> b -> a
1105
1106     f2 :: (forall a. a->a) -> Int -> Int
1107     g2 :: (forall a. Eq a => [a] -> a -> Bool) -> Int -> Int
1108
1109     f3 :: ((forall a. a->a) -> Int) -> Bool -> Bool
1110 </programlisting>
1111 Here, <literal>f1</literal> and <literal>g1</literal> are rank-1 types, and
1112 can be written in standard Haskell (e.g. <literal>f1 :: a->b->a</literal>).
1113 The <literal>forall</literal> makes explicit the universal quantification that
1114 is implicitly added by Haskell.
1115 </para>
1116 <para>
1117 The functions <literal>f2</literal> and <literal>g2</literal> have rank-2 types;
1118 the <literal>forall</literal> is on the left of a function arrrow.  As <literal>g2</literal>
1119 shows, the polymorphic type on the left of the function arrow can be overloaded.
1120 </para>
1121 <para>
1122 The functions <literal>f3</literal> and <literal>g3</literal> have rank-3 types;
1123 they have rank-2 types on the left of a function arrow.
1124 </para>
1125 <para>
1126 GHC allows types of arbitrary rank; you can nest <literal>forall</literal>s
1127 arbitrarily deep in function arrows.   (GHC used to be restricted to rank 2, but
1128 that restriction has now been lifted.)
1129 In particular, a forall-type (also called a "type scheme"),
1130 including an operational type class context, is legal:
1131 <itemizedlist>
1132 <listitem> <para> On the left of a function arrow </para> </listitem>
1133 <listitem> <para> On the right of a function arrow (see <xref linkend="hoist">) </para> </listitem>
1134 <listitem> <para> As the argument of a constructor, or type of a field, in a data type declaration. For
1135 example, any of the <literal>f1,f2,f3,g1,g2,g3</literal> above would be valid
1136 field type signatures.</para> </listitem>
1137 <listitem> <para> As the type of an implicit parameter </para> </listitem>
1138 <listitem> <para> In a pattern type signature (see <xref linkend="scoped-type-variables">) </para> </listitem>
1139 </itemizedlist>
1140 There is one place you cannot put a <literal>forall</literal>:
1141 you cannot instantiate a type variable with a forall-type.  So you cannot 
1142 make a forall-type the argument of a type constructor.  So these types are illegal:
1143 <programlisting>
1144     x1 :: [forall a. a->a]
1145     x2 :: (forall a. a->a, Int)
1146     x3 :: Maybe (forall a. a->a)
1147 </programlisting>
1148 Of course <literal>forall</literal> becomes a keyword; you can't use <literal>forall</literal> as
1149 a type variable any more!
1150 </para>
1151
1152
1153 <sect3 id="univ">
1154 <title>Examples
1155 </title>
1156
1157 <para>
1158 In a <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal> declaration one can quantify
1159 the types of the constructor arguments.  Here are several examples:
1160 </para>
1161
1162 <para>
1163
1164 <programlisting>
1165 data T a = T1 (forall b. b -> b -> b) a
1166
1167 data MonadT m = MkMonad { return :: forall a. a -> m a,
1168                           bind   :: forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b
1169                         }
1170
1171 newtype Swizzle = MkSwizzle (Ord a => [a] -> [a])
1172 </programlisting>
1173
1174 </para>
1175
1176 <para>
1177 The constructors have rank-2 types:
1178 </para>
1179
1180 <para>
1181
1182 <programlisting>
1183 T1 :: forall a. (forall b. b -> b -> b) -> a -> T a
1184 MkMonad :: forall m. (forall a. a -> m a)
1185                   -> (forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b)
1186                   -> MonadT m
1187 MkSwizzle :: (Ord a => [a] -> [a]) -> Swizzle
1188 </programlisting>
1189
1190 </para>
1191
1192 <para>
1193 Notice that you don't need to use a <literal>forall</literal> if there's an
1194 explicit context.  For example in the first argument of the
1195 constructor <function>MkSwizzle</function>, an implicit "<literal>forall a.</literal>" is
1196 prefixed to the argument type.  The implicit <literal>forall</literal>
1197 quantifies all type variables that are not already in scope, and are
1198 mentioned in the type quantified over.
1199 </para>
1200
1201 <para>
1202 As for type signatures, implicit quantification happens for non-overloaded
1203 types too.  So if you write this:
1204
1205 <programlisting>
1206   data T a = MkT (Either a b) (b -> b)
1207 </programlisting>
1208
1209 it's just as if you had written this:
1210
1211 <programlisting>
1212   data T a = MkT (forall b. Either a b) (forall b. b -> b)
1213 </programlisting>
1214
1215 That is, since the type variable <literal>b</literal> isn't in scope, it's
1216 implicitly universally quantified.  (Arguably, it would be better
1217 to <emphasis>require</emphasis> explicit quantification on constructor arguments
1218 where that is what is wanted.  Feedback welcomed.)
1219 </para>
1220
1221 <para>
1222 You construct values of types <literal>T1, MonadT, Swizzle</literal> by applying
1223 the constructor to suitable values, just as usual.  For example,
1224 </para>
1225
1226 <para>
1227
1228 <programlisting>
1229     a1 :: T Int
1230     a1 = T1 (\xy->x) 3
1231     
1232     a2, a3 :: Swizzle
1233     a2 = MkSwizzle sort
1234     a3 = MkSwizzle reverse
1235     
1236     a4 :: MonadT Maybe
1237     a4 = let r x = Just x
1238              b m k = case m of
1239                        Just y -> k y
1240                        Nothing -> Nothing
1241          in
1242          MkMonad r b
1243
1244     mkTs :: (forall b. b -> b -> b) -> a -> [T a]
1245     mkTs f x y = [T1 f x, T1 f y]
1246 </programlisting>
1247
1248 </para>
1249
1250 <para>
1251 The type of the argument can, as usual, be more general than the type
1252 required, as <literal>(MkSwizzle reverse)</literal> shows.  (<function>reverse</function>
1253 does not need the <literal>Ord</literal> constraint.)
1254 </para>
1255
1256 <para>
1257 When you use pattern matching, the bound variables may now have
1258 polymorphic types.  For example:
1259 </para>
1260
1261 <para>
1262
1263 <programlisting>
1264     f :: T a -> a -> (a, Char)
1265     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
1266
1267     g :: (Ord a, Ord b) => Swizzle -> [a] -> (a -> b) -> [b]
1268     g (MkSwizzle s) xs f = s (map f (s xs))
1269
1270     h :: MonadT m -> [m a] -> m [a]
1271     h m [] = return m []
1272     h m (x:xs) = bind m x          $ \y ->
1273                  bind m (h m xs)   $ \ys ->
1274                  return m (y:ys)
1275 </programlisting>
1276
1277 </para>
1278
1279 <para>
1280 In the function <function>h</function> we use the record selectors <literal>return</literal>
1281 and <literal>bind</literal> to extract the polymorphic bind and return functions
1282 from the <literal>MonadT</literal> data structure, rather than using pattern
1283 matching.
1284 </para>
1285 </sect3>
1286
1287 <sect3>
1288 <title>Type inference</title>
1289
1290 <para>
1291 In general, type inference for arbitrary-rank types is undecideable.
1292 GHC uses an algorithm proposed by Odersky and Laufer ("Putting type annotations to work", POPL'96)
1293 to get a decidable algorithm by requiring some help from the programmer.
1294 We do not yet have a formal specification of "some help" but the rule is this:
1295 </para>
1296 <para>
1297 <emphasis>For a lambda-bound or case-bound variable, x, either the programmer
1298 provides an explicit polymorphic type for x, or GHC's type inference will assume
1299 that x's type has no foralls in it</emphasis>.
1300 </para>
1301 <para>
1302 What does it mean to "provide" an explicit type for x?  You can do that by 
1303 giving a type signature for x directly, using a pattern type signature
1304 (<xref linkend="scoped-type-variables">), thus:
1305 <programlisting>
1306      \ f :: (forall a. a->a) -> (f True, f 'c')
1307 </programlisting>
1308 Alternatively, you can give a type signature to the enclosing
1309 context, which GHC can "push down" to find the type for the variable:
1310 <programlisting>
1311      (\ f -> (f True, f 'c')) :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
1312 </programlisting>
1313 Here the type signature on the expression can be pushed inwards
1314 to give a type signature for f.  Similarly, and more commonly,
1315 one can give a type signature for the function itself:
1316 <programlisting>
1317      h :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
1318      h f = (f True, f 'c')
1319 </programlisting>
1320 You don't need to give a type signature if the lambda bound variable
1321 is a constructor argument.  Here is an example we saw earlier:
1322 <programlisting>
1323     f :: T a -> a -> (a, Char)
1324     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
1325 </programlisting>
1326 Here we do not need to give a type signature to <literal>w</literal>, because
1327 it is an argument of constructor <literal>T1</literal> and that tells GHC all
1328 it needs to know.
1329 </para>
1330
1331 </sect3>
1332
1333
1334 <sect3 id="implicit-quant">
1335 <title>Implicit quantification</title>
1336
1337 <para>
1338 GHC performs implicit quantification as follows.  <emphasis>At the top level (only) of 
1339 user-written types, if and only if there is no explicit <literal>forall</literal>,
1340 GHC finds all the type variables mentioned in the type that are not already
1341 in scope, and universally quantifies them.</emphasis>  For example, the following pairs are 
1342 equivalent:
1343 <programlisting>
1344   f :: a -> a
1345   f :: forall a. a -> a
1346
1347   g (x::a) = let
1348                 h :: a -> b -> b
1349                 h x y = y
1350              in ...
1351   g (x::a) = let
1352                 h :: forall b. a -> b -> b
1353                 h x y = y
1354              in ...
1355 </programlisting>
1356 </para>
1357 <para>
1358 Notice that GHC does <emphasis>not</emphasis> find the innermost possible quantification
1359 point.  For example:
1360 <programlisting>
1361   f :: (a -> a) -> Int
1362            -- MEANS
1363   f :: forall a. (a -> a) -> Int
1364            -- NOT
1365   f :: (forall a. a -> a) -> Int
1366
1367
1368   g :: (Ord a => a -> a) -> Int
1369            -- MEANS the illegal type
1370   g :: forall a. (Ord a => a -> a) -> Int
1371            -- NOT
1372   g :: (forall a. Ord a => a -> a) -> Int
1373 </programlisting>
1374 The latter produces an illegal type, which you might think is silly,
1375 but at least the rule is simple.  If you want the latter type, you
1376 can write your for-alls explicitly.  Indeed, doing so is strongly advised
1377 for rank-2 types.
1378 </para>
1379 </sect3>
1380 </sect2>
1381
1382 <sect2>
1383 <title>Liberalised type synonyms 
1384 </title>
1385
1386 <para>
1387 Type synonmys are like macros at the type level, and
1388 GHC does validity checking on types <emphasis>only after expanding type synonyms</emphasis>.
1389 That means that GHC can be very much more liberal about type synonyms than Haskell 98:
1390 <itemizedlist>
1391 <listitem> <para>You can write a <literal>forall</literal> (including overloading)
1392 in a type synonym, thus:
1393 <programlisting>
1394   type Discard a = forall b. Show b => a -> b -> (a, String)
1395
1396   f :: Discard a
1397   f x y = (x, show y)
1398
1399   g :: Discard Int -> (Int,Bool)    -- A rank-2 type
1400   g f = f Int True
1401 </programlisting>
1402 </para>
1403 </listitem>
1404
1405 <listitem><para>
1406 You can write an unboxed tuple in a type synonym:
1407 <programlisting>
1408   type Pr = (# Int, Int #)
1409
1410   h :: Int -> Pr
1411   h x = (# x, x #)
1412 </programlisting>
1413 </para></listitem>
1414
1415 <listitem><para>
1416 You can apply a type synonym to a forall type:
1417 <programlisting>
1418   type Foo a = a -> a -> Bool
1419  
1420   f :: Foo (forall b. b->b)
1421 </programlisting>
1422 After expanding the synonym, <literal>f</literal> has the legal (in GHC) type:
1423 <programlisting>
1424   f :: (forall b. b->b) -> (forall b. b->b) -> Bool
1425 </programlisting>
1426 </para></listitem>
1427
1428 <listitem><para>
1429 You can apply a type synonym to a partially applied type synonym:
1430 <programlisting>
1431   type Generic i o = forall x. i x -> o x
1432   type Id x = x
1433   
1434   foo :: Generic Id []
1435 </programlisting>
1436 After epxanding the synonym, <literal>foo</literal> has the legal (in GHC) type:
1437 <programlisting>
1438   foo :: forall x. x -> [x]
1439 </programlisting>
1440 </para></listitem>
1441
1442 </itemizedlist>
1443 </para>
1444
1445 <para>
1446 GHC currently does kind checking before expanding synonyms (though even that
1447 could be changed.)
1448 </para>
1449 <para>
1450 After expanding type synonyms, GHC does validity checking on types, looking for
1451 the following mal-formedness which isn't detected simply by kind checking:
1452 <itemizedlist>
1453 <listitem><para>
1454 Type constructor applied to a type involving for-alls.
1455 </para></listitem>
1456 <listitem><para>
1457 Unboxed tuple on left of an arrow.
1458 </para></listitem>
1459 <listitem><para>
1460 Partially-applied type synonym.
1461 </para></listitem>
1462 </itemizedlist>
1463 So, for example,
1464 this will be rejected:
1465 <programlisting>
1466   type Pr = (# Int, Int #)
1467
1468   h :: Pr -> Int
1469   h x = ...
1470 </programlisting>
1471 because GHC does not allow  unboxed tuples on the left of a function arrow.
1472 </para>
1473 </sect2>
1474
1475 <sect2 id="hoist">
1476 <title>For-all hoisting</title>
1477 <para>
1478 It is often convenient to use generalised type synonyms at the right hand
1479 end of an arrow, thus:
1480 <programlisting>
1481   type Discard a = forall b. a -> b -> a
1482
1483   g :: Int -> Discard Int
1484   g x y z = x+y
1485 </programlisting>
1486 Simply expanding the type synonym would give
1487 <programlisting>
1488   g :: Int -> (forall b. Int -> b -> Int)
1489 </programlisting>
1490 but GHC "hoists" the <literal>forall</literal> to give the isomorphic type
1491 <programlisting>
1492   g :: forall b. Int -> Int -> b -> Int
1493 </programlisting>
1494 In general, the rule is this: <emphasis>to determine the type specified by any explicit
1495 user-written type (e.g. in a type signature), GHC expands type synonyms and then repeatedly
1496 performs the transformation:</emphasis>
1497 <programlisting>
1498   <emphasis>type1</emphasis> -> forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type2</emphasis>
1499 ==>
1500   forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type1</emphasis> -> <emphasis>type2</emphasis>
1501 </programlisting>
1502 (In fact, GHC tries to retain as much synonym information as possible for use in
1503 error messages, but that is a usability issue.)  This rule applies, of course, whether
1504 or not the <literal>forall</literal> comes from a synonym. For example, here is another
1505 valid way to write <literal>g</literal>'s type signature:
1506 <programlisting>
1507   g :: Int -> Int -> forall b. b -> Int
1508 </programlisting>
1509 </para>
1510 </sect2>
1511
1512
1513 <sect2 id="existential-quantification">
1514 <title>Existentially quantified data constructors
1515 </title>
1516
1517 <para>
1518 The idea of using existential quantification in data type declarations
1519 was suggested by Laufer (I believe, thought doubtless someone will
1520 correct me), and implemented in Hope+. It's been in Lennart
1521 Augustsson's <Command>hbc</Command> Haskell compiler for several years, and
1522 proved very useful.  Here's the idea.  Consider the declaration:
1523 </para>
1524
1525 <para>
1526
1527 <programlisting>
1528   data Foo = forall a. MkFoo a (a -> Bool)
1529            | Nil
1530 </programlisting>
1531
1532 </para>
1533
1534 <para>
1535 The data type <literal>Foo</literal> has two constructors with types:
1536 </para>
1537
1538 <para>
1539
1540 <programlisting>
1541   MkFoo :: forall a. a -> (a -> Bool) -> Foo
1542   Nil   :: Foo
1543 </programlisting>
1544
1545 </para>
1546
1547 <para>
1548 Notice that the type variable <literal>a</literal> in the type of <function>MkFoo</function>
1549 does not appear in the data type itself, which is plain <literal>Foo</literal>.
1550 For example, the following expression is fine:
1551 </para>
1552
1553 <para>
1554
1555 <programlisting>
1556   [MkFoo 3 even, MkFoo 'c' isUpper] :: [Foo]
1557 </programlisting>
1558
1559 </para>
1560
1561 <para>
1562 Here, <literal>(MkFoo 3 even)</literal> packages an integer with a function
1563 <function>even</function> that maps an integer to <literal>Bool</literal>; and <function>MkFoo 'c'
1564 isUpper</function> packages a character with a compatible function.  These
1565 two things are each of type <literal>Foo</literal> and can be put in a list.
1566 </para>
1567
1568 <para>
1569 What can we do with a value of type <literal>Foo</literal>?.  In particular,
1570 what happens when we pattern-match on <function>MkFoo</function>?
1571 </para>
1572
1573 <para>
1574
1575 <programlisting>
1576   f (MkFoo val fn) = ???
1577 </programlisting>
1578
1579 </para>
1580
1581 <para>
1582 Since all we know about <literal>val</literal> and <function>fn</function> is that they
1583 are compatible, the only (useful) thing we can do with them is to
1584 apply <function>fn</function> to <literal>val</literal> to get a boolean.  For example:
1585 </para>
1586
1587 <para>
1588
1589 <programlisting>
1590   f :: Foo -> Bool
1591   f (MkFoo val fn) = fn val
1592 </programlisting>
1593
1594 </para>
1595
1596 <para>
1597 What this allows us to do is to package heterogenous values
1598 together with a bunch of functions that manipulate them, and then treat
1599 that collection of packages in a uniform manner.  You can express
1600 quite a bit of object-oriented-like programming this way.
1601 </para>
1602
1603 <sect3 id="existential">
1604 <title>Why existential?
1605 </title>
1606
1607 <para>
1608 What has this to do with <emphasis>existential</emphasis> quantification?
1609 Simply that <function>MkFoo</function> has the (nearly) isomorphic type
1610 </para>
1611
1612 <para>
1613
1614 <programlisting>
1615   MkFoo :: (exists a . (a, a -> Bool)) -> Foo
1616 </programlisting>
1617
1618 </para>
1619
1620 <para>
1621 But Haskell programmers can safely think of the ordinary
1622 <emphasis>universally</emphasis> quantified type given above, thereby avoiding
1623 adding a new existential quantification construct.
1624 </para>
1625
1626 </sect3>
1627
1628 <sect3>
1629 <title>Type classes</title>
1630
1631 <para>
1632 An easy extension (implemented in <Command>hbc</Command>) is to allow
1633 arbitrary contexts before the constructor.  For example:
1634 </para>
1635
1636 <para>
1637
1638 <programlisting>
1639 data Baz = forall a. Eq a => Baz1 a a
1640          | forall b. Show b => Baz2 b (b -> b)
1641 </programlisting>
1642
1643 </para>
1644
1645 <para>
1646 The two constructors have the types you'd expect:
1647 </para>
1648
1649 <para>
1650
1651 <programlisting>
1652 Baz1 :: forall a. Eq a => a -> a -> Baz
1653 Baz2 :: forall b. Show b => b -> (b -> b) -> Baz
1654 </programlisting>
1655
1656 </para>
1657
1658 <para>
1659 But when pattern matching on <function>Baz1</function> the matched values can be compared
1660 for equality, and when pattern matching on <function>Baz2</function> the first matched
1661 value can be converted to a string (as well as applying the function to it).
1662 So this program is legal:
1663 </para>
1664
1665 <para>
1666
1667 <programlisting>
1668   f :: Baz -> String
1669   f (Baz1 p q) | p == q    = "Yes"
1670                | otherwise = "No"
1671   f (Baz2 v fn)            = show (fn v)
1672 </programlisting>
1673
1674 </para>
1675
1676 <para>
1677 Operationally, in a dictionary-passing implementation, the
1678 constructors <function>Baz1</function> and <function>Baz2</function> must store the
1679 dictionaries for <literal>Eq</literal> and <literal>Show</literal> respectively, and
1680 extract it on pattern matching.
1681 </para>
1682
1683 <para>
1684 Notice the way that the syntax fits smoothly with that used for
1685 universal quantification earlier.
1686 </para>
1687
1688 </sect3>
1689
1690 <sect3>
1691 <title>Restrictions</title>
1692
1693 <para>
1694 There are several restrictions on the ways in which existentially-quantified
1695 constructors can be use.
1696 </para>
1697
1698 <para>
1699
1700 <itemizedlist>
1701 <listitem>
1702
1703 <para>
1704  When pattern matching, each pattern match introduces a new,
1705 distinct, type for each existential type variable.  These types cannot
1706 be unified with any other type, nor can they escape from the scope of
1707 the pattern match.  For example, these fragments are incorrect:
1708
1709
1710 <programlisting>
1711 f1 (MkFoo a f) = a
1712 </programlisting>
1713
1714
1715 Here, the type bound by <function>MkFoo</function> "escapes", because <literal>a</literal>
1716 is the result of <function>f1</function>.  One way to see why this is wrong is to
1717 ask what type <function>f1</function> has:
1718
1719
1720 <programlisting>
1721   f1 :: Foo -> a             -- Weird!
1722 </programlisting>
1723
1724
1725 What is this "<literal>a</literal>" in the result type? Clearly we don't mean
1726 this:
1727
1728
1729 <programlisting>
1730   f1 :: forall a. Foo -> a   -- Wrong!
1731 </programlisting>
1732
1733
1734 The original program is just plain wrong.  Here's another sort of error
1735
1736
1737 <programlisting>
1738   f2 (Baz1 a b) (Baz1 p q) = a==q
1739 </programlisting>
1740
1741
1742 It's ok to say <literal>a==b</literal> or <literal>p==q</literal>, but
1743 <literal>a==q</literal> is wrong because it equates the two distinct types arising
1744 from the two <function>Baz1</function> constructors.
1745
1746
1747 </para>
1748 </listitem>
1749 <listitem>
1750
1751 <para>
1752 You can't pattern-match on an existentially quantified
1753 constructor in a <literal>let</literal> or <literal>where</literal> group of
1754 bindings. So this is illegal:
1755
1756
1757 <programlisting>
1758   f3 x = a==b where { Baz1 a b = x }
1759 </programlisting>
1760
1761
1762 You can only pattern-match
1763 on an existentially-quantified constructor in a <literal>case</literal> expression or
1764 in the patterns of a function definition.
1765
1766 The reason for this restriction is really an implementation one.
1767 Type-checking binding groups is already a nightmare without
1768 existentials complicating the picture.  Also an existential pattern
1769 binding at the top level of a module doesn't make sense, because it's
1770 not clear how to prevent the existentially-quantified type "escaping".
1771 So for now, there's a simple-to-state restriction.  We'll see how
1772 annoying it is.
1773
1774 </para>
1775 </listitem>
1776 <listitem>
1777
1778 <para>
1779 You can't use existential quantification for <literal>newtype</literal>
1780 declarations.  So this is illegal:
1781
1782
1783 <programlisting>
1784   newtype T = forall a. Ord a => MkT a
1785 </programlisting>
1786
1787
1788 Reason: a value of type <literal>T</literal> must be represented as a pair
1789 of a dictionary for <literal>Ord t</literal> and a value of type <literal>t</literal>.
1790 That contradicts the idea that <literal>newtype</literal> should have no
1791 concrete representation.  You can get just the same efficiency and effect
1792 by using <literal>data</literal> instead of <literal>newtype</literal>.  If there is no
1793 overloading involved, then there is more of a case for allowing
1794 an existentially-quantified <literal>newtype</literal>, because the <literal>data</literal>
1795 because the <literal>data</literal> version does carry an implementation cost,
1796 but single-field existentially quantified constructors aren't much
1797 use.  So the simple restriction (no existential stuff on <literal>newtype</literal>)
1798 stands, unless there are convincing reasons to change it.
1799
1800
1801 </para>
1802 </listitem>
1803 <listitem>
1804
1805 <para>
1806  You can't use <literal>deriving</literal> to define instances of a
1807 data type with existentially quantified data constructors.
1808
1809 Reason: in most cases it would not make sense. For example:&num;
1810
1811 <programlisting>
1812 data T = forall a. MkT [a] deriving( Eq )
1813 </programlisting>
1814
1815 To derive <literal>Eq</literal> in the standard way we would need to have equality
1816 between the single component of two <function>MkT</function> constructors:
1817
1818 <programlisting>
1819 instance Eq T where
1820   (MkT a) == (MkT b) = ???
1821 </programlisting>
1822
1823 But <VarName>a</VarName> and <VarName>b</VarName> have distinct types, and so can't be compared.
1824 It's just about possible to imagine examples in which the derived instance
1825 would make sense, but it seems altogether simpler simply to prohibit such
1826 declarations.  Define your own instances!
1827 </para>
1828 </listitem>
1829
1830 </itemizedlist>
1831
1832 </para>
1833
1834 </sect3>
1835
1836 </sect2>
1837
1838 <sect2 id="scoped-type-variables">
1839 <title>Scoped type variables
1840 </title>
1841
1842 <para>
1843 A <emphasis>pattern type signature</emphasis> can introduce a <emphasis>scoped type
1844 variable</emphasis>.  For example
1845 </para>
1846
1847 <para>
1848
1849 <programlisting>
1850 f (xs::[a]) = ys ++ ys
1851            where
1852               ys :: [a]
1853               ys = reverse xs
1854 </programlisting>
1855
1856 </para>
1857
1858 <para>
1859 The pattern <literal>(xs::[a])</literal> includes a type signature for <VarName>xs</VarName>.
1860 This brings the type variable <literal>a</literal> into scope; it scopes over
1861 all the patterns and right hand sides for this equation for <function>f</function>.
1862 In particular, it is in scope at the type signature for <VarName>y</VarName>.
1863 </para>
1864
1865 <para>
1866  Pattern type signatures are completely orthogonal to ordinary, separate
1867 type signatures.  The two can be used independently or together.
1868 At ordinary type signatures, such as that for <VarName>ys</VarName>, any type variables
1869 mentioned in the type signature <emphasis>that are not in scope</emphasis> are
1870 implicitly universally quantified.  (If there are no type variables in
1871 scope, all type variables mentioned in the signature are universally
1872 quantified, which is just as in Haskell 98.)  In this case, since <VarName>a</VarName>
1873 is in scope, it is not universally quantified, so the type of <VarName>ys</VarName> is
1874 the same as that of <VarName>xs</VarName>.  In Haskell 98 it is not possible to declare
1875 a type for <VarName>ys</VarName>; a major benefit of scoped type variables is that
1876 it becomes possible to do so.
1877 </para>
1878
1879 <para>
1880 Scoped type variables are implemented in both GHC and Hugs.  Where the
1881 implementations differ from the specification below, those differences
1882 are noted.
1883 </para>
1884
1885 <para>
1886 So much for the basic idea.  Here are the details.
1887 </para>
1888
1889 <sect3>
1890 <title>What a pattern type signature means</title>
1891 <para>
1892 A type variable brought into scope by a pattern type signature is simply
1893 the name for a type.   The restriction they express is that all occurrences
1894 of the same name mean the same type.  For example:
1895 <programlisting>
1896   f :: [Int] -> Int -> Int
1897   f (xs::[a]) (y::a) = (head xs + y) :: a
1898 </programlisting>
1899 The pattern type signatures on the left hand side of
1900 <literal>f</literal> express the fact that <literal>xs</literal>
1901 must be a list of things of some type <literal>a</literal>; and that <literal>y</literal>
1902 must have this same type.  The type signature on the expression <literal>(head xs)</literal>
1903 specifies that this expression must have the same type <literal>a</literal>.
1904 <emphasis>There is no requirement that the type named by "<literal>a</literal>" is
1905 in fact a type variable</emphasis>.  Indeed, in this case, the type named by "<literal>a</literal>" is
1906 <literal>Int</literal>.  (This is a slight liberalisation from the original rather complex
1907 rules, which specified that a pattern-bound type variable should be universally quantified.)
1908 For example, all of these are legal:</para>
1909
1910 <programlisting>
1911   t (x::a) (y::a) = x+y*2
1912
1913   f (x::a) (y::b) = [x,y]       -- a unifies with b
1914
1915   g (x::a) = x + 1::Int         -- a unifies with Int
1916
1917   h x = let k (y::a) = [x,y]    -- a is free in the
1918         in k x                  -- environment
1919
1920   k (x::a) True    = ...        -- a unifies with Int
1921   k (x::Int) False = ...
1922
1923   w :: [b] -> [b]
1924   w (x::a) = x                  -- a unifies with [b]
1925 </programlisting>
1926
1927 </sect3>
1928
1929 <sect3>
1930 <title>Scope and implicit quantification</title>
1931
1932 <para>
1933
1934 <itemizedlist>
1935 <listitem>
1936
1937 <para>
1938 All the type variables mentioned in a pattern,
1939 that are not already in scope,
1940 are brought into scope by the pattern.  We describe this set as
1941 the <emphasis>type variables bound by the pattern</emphasis>.
1942 For example:
1943 <programlisting>
1944   f (x::a) = let g (y::(a,b)) = fst y
1945              in
1946              g (x,True)
1947 </programlisting>
1948 The pattern <literal>(x::a)</literal> brings the type variable
1949 <literal>a</literal> into scope, as well as the term 
1950 variable <literal>x</literal>.  The pattern <literal>(y::(a,b))</literal>
1951 contains an occurrence of the already-in-scope type variable <literal>a</literal>,
1952 and brings into scope the type variable <literal>b</literal>.
1953 </para>
1954 </listitem>
1955
1956 <listitem>
1957 <para>
1958 The type variable(s) bound by the pattern have the same scope
1959 as the term variable(s) bound by the pattern.  For example:
1960 <programlisting>
1961   let
1962     f (x::a) = <...rhs of f...>
1963     (p::b, q::b) = (1,2)
1964   in <...body of let...>
1965 </programlisting>
1966 Here, the type variable <literal>a</literal> scopes over the right hand side of <literal>f</literal>,
1967 just like <literal>x</literal> does; while the type variable <literal>b</literal> scopes over the
1968 body of the <literal>let</literal>, and all the other definitions in the <literal>let</literal>,
1969 just like <literal>p</literal> and <literal>q</literal> do.
1970 Indeed, the newly bound type variables also scope over any ordinary, separate
1971 type signatures in the <literal>let</literal> group.
1972 </para>
1973 </listitem>
1974
1975
1976 <listitem>
1977 <para>
1978 The type variables bound by the pattern may be 
1979 mentioned in ordinary type signatures or pattern 
1980 type signatures anywhere within their scope.
1981
1982 </para>
1983 </listitem>
1984
1985 <listitem>
1986 <para>
1987  In ordinary type signatures, any type variable mentioned in the
1988 signature that is in scope is <emphasis>not</emphasis> universally quantified.
1989
1990 </para>
1991 </listitem>
1992
1993 <listitem>
1994
1995 <para>
1996  Ordinary type signatures do not bring any new type variables
1997 into scope (except in the type signature itself!). So this is illegal:
1998
1999 <programlisting>
2000   f :: a -> a
2001   f x = x::a
2002 </programlisting>
2003
2004 It's illegal because <VarName>a</VarName> is not in scope in the body of <function>f</function>,
2005 so the ordinary signature <literal>x::a</literal> is equivalent to <literal>x::forall a.a</literal>;
2006 and that is an incorrect typing.
2007
2008 </para>
2009 </listitem>
2010
2011 <listitem>
2012 <para>
2013 The pattern type signature is a monotype:
2014 </para>
2015
2016 <itemizedlist>
2017 <listitem> <para> 
2018 A pattern type signature cannot contain any explicit <literal>forall</literal> quantification.
2019 </para> </listitem>
2020
2021 <listitem>  <para> 
2022 The type variables bound by a pattern type signature can only be instantiated to monotypes,
2023 not to type schemes.
2024 </para> </listitem>
2025
2026 <listitem>  <para> 
2027 There is no implicit universal quantification on pattern type signatures (in contrast to
2028 ordinary type signatures).
2029 </para> </listitem>
2030
2031 </itemizedlist>
2032
2033 </listitem>
2034
2035 <listitem>
2036 <para>
2037
2038 The type variables in the head of a <literal>class</literal> or <literal>instance</literal> declaration
2039 scope over the methods defined in the <literal>where</literal> part.  For example:
2040
2041
2042 <programlisting>
2043   class C a where
2044     op :: [a] -> a
2045
2046     op xs = let ys::[a]
2047                 ys = reverse xs
2048             in
2049             head ys
2050 </programlisting>
2051
2052
2053 (Not implemented in Hugs yet, Dec 98).
2054 </para>
2055 </listitem>
2056
2057 </itemizedlist>
2058
2059 </para>
2060
2061 </sect3>
2062
2063 <sect3>
2064 <title>Result type signatures</title>
2065
2066 <para>
2067
2068 <itemizedlist>
2069 <listitem>
2070
2071 <para>
2072  The result type of a function can be given a signature,
2073 thus:
2074
2075
2076 <programlisting>
2077   f (x::a) :: [a] = [x,x,x]
2078 </programlisting>
2079
2080
2081 The final <literal>:: [a]</literal> after all the patterns gives a signature to the
2082 result type.  Sometimes this is the only way of naming the type variable
2083 you want:
2084
2085
2086 <programlisting>
2087   f :: Int -> [a] -> [a]
2088   f n :: ([a] -> [a]) = let g (x::a, y::a) = (y,x)
2089                         in \xs -> map g (reverse xs `zip` xs)
2090 </programlisting>
2091
2092
2093 </para>
2094 </listitem>
2095
2096 </itemizedlist>
2097
2098 </para>
2099
2100 <para>
2101 Result type signatures are not yet implemented in Hugs.
2102 </para>
2103
2104 </sect3>
2105
2106 <sect3>
2107 <title>Where a pattern type signature can occur</title>
2108
2109 <para>
2110 A pattern type signature can occur in any pattern.  For example:
2111 <itemizedlist>
2112
2113 <listitem>
2114 <para>
2115 A pattern type signature can be on an arbitrary sub-pattern, not
2116 ust on a variable:
2117
2118
2119 <programlisting>
2120   f ((x,y)::(a,b)) = (y,x) :: (b,a)
2121 </programlisting>
2122
2123
2124 </para>
2125 </listitem>
2126 <listitem>
2127
2128 <para>
2129  Pattern type signatures, including the result part, can be used
2130 in lambda abstractions:
2131
2132 <programlisting>
2133   (\ (x::a, y) :: a -> x)
2134 </programlisting>
2135 </para>
2136 </listitem>
2137 <listitem>
2138
2139 <para>
2140  Pattern type signatures, including the result part, can be used
2141 in <literal>case</literal> expressions:
2142
2143
2144 <programlisting>
2145   case e of { (x::a, y) :: a -> x }
2146 </programlisting>
2147
2148 </para>
2149 </listitem>
2150
2151 <listitem>
2152 <para>
2153 To avoid ambiguity, the type after the &ldquo;<literal>::</literal>&rdquo; in a result
2154 pattern signature on a lambda or <literal>case</literal> must be atomic (i.e. a single
2155 token or a parenthesised type of some sort).  To see why,
2156 consider how one would parse this:
2157
2158
2159 <programlisting>
2160   \ x :: a -> b -> x
2161 </programlisting>
2162
2163
2164 </para>
2165 </listitem>
2166
2167 <listitem>
2168
2169 <para>
2170  Pattern type signatures can bind existential type variables.
2171 For example:
2172
2173
2174 <programlisting>
2175   data T = forall a. MkT [a]
2176
2177   f :: T -> T
2178   f (MkT [t::a]) = MkT t3
2179                  where
2180                    t3::[a] = [t,t,t]
2181 </programlisting>
2182
2183
2184 </para>
2185 </listitem>
2186
2187
2188 <listitem>
2189
2190 <para>
2191 Pattern type signatures 
2192 can be used in pattern bindings:
2193
2194 <programlisting>
2195   f x = let (y, z::a) = x in ...
2196   f1 x                = let (y, z::Int) = x in ...
2197   f2 (x::(Int,a))     = let (y, z::a)   = x in ...
2198   f3 :: (b->b)        = \x -> x
2199 </programlisting>
2200
2201 In all such cases, the binding is not generalised over the pattern-bound
2202 type variables.  Thus <literal>f3</literal> is monomorphic; <literal>f3</literal>
2203 has type <literal>b -&gt; b</literal> for some type <literal>b</literal>, 
2204 and <emphasis>not</emphasis> <literal>forall b. b -&gt; b</literal>.
2205 In contrast, the binding
2206 <programlisting>
2207   f4 :: b->b
2208   f4 = \x -> x
2209 </programlisting>
2210 makes a polymorphic function, but <literal>b</literal> is not in scope anywhere
2211 in <literal>f4</literal>'s scope.
2212
2213 </para>
2214 </listitem>
2215 </itemizedlist>
2216 </para>
2217
2218 </sect3>
2219 </sect2>
2220
2221 <sect2 id="sec-kinding">
2222 <title>Explicitly-kinded quantification</title>
2223
2224 <para>
2225 Haskell infers the kind of each type variable.  Sometimes it is nice to be able
2226 to give the kind explicitly as (machine-checked) documentation, 
2227 just as it is nice to give a type signature for a function.  On some occasions,
2228 it is essential to do so.  For example, in his paper "Restricted Data Types in Haskell" (Haskell Workshop 1999)
2229 John Hughes had to define the data type:
2230 <Screen>
2231      data Set cxt a = Set [a]
2232                     | Unused (cxt a -> ())
2233 </Screen>
2234 The only use for the <literal>Unused</literal> constructor was to force the correct
2235 kind for the type variable <literal>cxt</literal>.
2236 </para>
2237 <para>
2238 GHC now instead allows you to specify the kind of a type variable directly, wherever
2239 a type variable is explicitly bound.  Namely:
2240 <itemizedlist>
2241 <listitem><para><literal>data</literal> declarations:
2242 <Screen>
2243   data Set (cxt :: * -> *) a = Set [a]
2244 </Screen></para></listitem>
2245 <listitem><para><literal>type</literal> declarations:
2246 <Screen>
2247   type T (f :: * -> *) = f Int
2248 </Screen></para></listitem>
2249 <listitem><para><literal>class</literal> declarations:
2250 <Screen>
2251   class (Eq a) => C (f :: * -> *) a where ...
2252 </Screen></para></listitem>
2253 <listitem><para><literal>forall</literal>'s in type signatures:
2254 <Screen>
2255   f :: forall (cxt :: * -> *). Set cxt Int
2256 </Screen></para></listitem>
2257 </itemizedlist>
2258 </para>
2259
2260 <para>
2261 The parentheses are required.  Some of the spaces are required too, to
2262 separate the lexemes.  If you write <literal>(f::*->*)</literal> you
2263 will get a parse error, because "<literal>::*->*</literal>" is a
2264 single lexeme in Haskell.
2265 </para>
2266
2267 <para>
2268 As part of the same extension, you can put kind annotations in types
2269 as well.  Thus:
2270 <Screen>
2271    f :: (Int :: *) -> Int
2272    g :: forall a. a -> (a :: *)
2273 </Screen>
2274 The syntax is
2275 <Screen>
2276    atype ::= '(' ctype '::' kind ')
2277 </Screen>
2278 The parentheses are required.
2279 </para>
2280 </sect2>
2281
2282 </sect1>
2283 <!-- ==================== End of type system extensions =================  -->
2284   
2285
2286 <!-- ==================== ASSERTIONS =================  -->
2287
2288 <sect1 id="sec-assertions">
2289 <title>Assertions
2290 <indexterm><primary>Assertions</primary></indexterm>
2291 </title>
2292
2293 <para>
2294 If you want to make use of assertions in your standard Haskell code, you
2295 could define a function like the following:
2296 </para>
2297
2298 <para>
2299
2300 <programlisting>
2301 assert :: Bool -> a -> a
2302 assert False x = error "assertion failed!"
2303 assert _     x = x
2304 </programlisting>
2305
2306 </para>
2307
2308 <para>
2309 which works, but gives you back a less than useful error message --
2310 an assertion failed, but which and where?
2311 </para>
2312
2313 <para>
2314 One way out is to define an extended <function>assert</function> function which also
2315 takes a descriptive string to include in the error message and
2316 perhaps combine this with the use of a pre-processor which inserts
2317 the source location where <function>assert</function> was used.
2318 </para>
2319
2320 <para>
2321 Ghc offers a helping hand here, doing all of this for you. For every
2322 use of <function>assert</function> in the user's source:
2323 </para>
2324
2325 <para>
2326
2327 <programlisting>
2328 kelvinToC :: Double -> Double
2329 kelvinToC k = assert (k &gt;= 0.0) (k+273.15)
2330 </programlisting>
2331
2332 </para>
2333
2334 <para>
2335 Ghc will rewrite this to also include the source location where the
2336 assertion was made,
2337 </para>
2338
2339 <para>
2340
2341 <programlisting>
2342 assert pred val ==> assertError "Main.hs|15" pred val
2343 </programlisting>
2344
2345 </para>
2346
2347 <para>
2348 The rewrite is only performed by the compiler when it spots
2349 applications of <function>Exception.assert</function>, so you can still define and
2350 use your own versions of <function>assert</function>, should you so wish. If not,
2351 import <literal>Exception</literal> to make use <function>assert</function> in your code.
2352 </para>
2353
2354 <para>
2355 To have the compiler ignore uses of assert, use the compiler option
2356 <option>-fignore-asserts</option>. <indexterm><primary>-fignore-asserts option</primary></indexterm> That is,
2357 expressions of the form <literal>assert pred e</literal> will be rewritten to <literal>e</literal>.
2358 </para>
2359
2360 <para>
2361 Assertion failures can be caught, see the documentation for the
2362 <literal>Exception</literal> library (<xref linkend="sec-Exception">)
2363 for the details.
2364 </para>
2365
2366 </sect1>
2367
2368
2369 <sect1 id="syntax-extns">
2370 <title>Syntactic extensions</title>
2371
2372 <!-- ====================== PATTERN GUARDS =======================  -->
2373
2374 <sect2 id="pattern-guards">
2375 <title>Pattern guards</title>
2376
2377 <para>
2378 <indexterm><primary>Pattern guards (Glasgow extension)</primary></indexterm>
2379 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.)
2380 </para>
2381
2382 <para>
2383 Suppose we have an abstract data type of finite maps, with a
2384 lookup operation:
2385
2386 <programlisting>
2387 lookup :: FiniteMap -> Int -> Maybe Int
2388 </programlisting>
2389
2390 The lookup returns <function>Nothing</function> if the supplied key is not in the domain of the mapping, and <function>(Just v)</function> otherwise,
2391 where <VarName>v</VarName> is the value that the key maps to.  Now consider the following definition:
2392 </para>
2393
2394 <programlisting>
2395 clunky env var1 var2 | ok1 && ok2 = val1 + val2
2396 | otherwise  = var1 + var2
2397 where
2398   m1 = lookup env var1
2399   m2 = lookup env var2
2400   ok1 = maybeToBool m1
2401   ok2 = maybeToBool m2
2402   val1 = expectJust m1
2403   val2 = expectJust m2
2404 </programlisting>
2405
2406 <para>
2407 The auxiliary functions are 
2408 </para>
2409
2410 <programlisting>
2411 maybeToBool :: Maybe a -&gt; Bool
2412 maybeToBool (Just x) = True
2413 maybeToBool Nothing  = False
2414
2415 expectJust :: Maybe a -&gt; a
2416 expectJust (Just x) = x
2417 expectJust Nothing  = error "Unexpected Nothing"
2418 </programlisting>
2419
2420 <para>
2421 What is <function>clunky</function> doing? The guard <literal>ok1 &&
2422 ok2</literal> checks that both lookups succeed, using
2423 <function>maybeToBool</function> to convert the <function>Maybe</function>
2424 types to booleans. The (lazily evaluated) <function>expectJust</function>
2425 calls extract the values from the results of the lookups, and binds the
2426 returned values to <VarName>val1</VarName> and <VarName>val2</VarName>
2427 respectively.  If either lookup fails, then clunky takes the
2428 <literal>otherwise</literal> case and returns the sum of its arguments.
2429 </para>
2430
2431 <para>
2432 This is certainly legal Haskell, but it is a tremendously verbose and
2433 un-obvious way to achieve the desired effect.  Arguably, a more direct way
2434 to write clunky would be to use case expressions:
2435 </para>
2436
2437 <programlisting>
2438 clunky env var1 var1 = case lookup env var1 of
2439   Nothing -&gt; fail
2440   Just val1 -&gt; case lookup env var2 of
2441     Nothing -&gt; fail
2442     Just val2 -&gt; val1 + val2
2443 where
2444   fail = val1 + val2
2445 </programlisting>
2446
2447 <para>
2448 This is a bit shorter, but hardly better.  Of course, we can rewrite any set
2449 of pattern-matching, guarded equations as case expressions; that is
2450 precisely what the compiler does when compiling equations! The reason that
2451 Haskell provides guarded equations is because they allow us to write down
2452 the cases we want to consider, one at a time, independently of each other. 
2453 This structure is hidden in the case version.  Two of the right-hand sides
2454 are really the same (<function>fail</function>), and the whole expression
2455 tends to become more and more indented. 
2456 </para>
2457
2458 <para>
2459 Here is how I would write clunky:
2460 </para>
2461
2462 <programlisting>
2463 clunky env var1 var1
2464   | Just val1 &lt;- lookup env var1
2465   , Just val2 &lt;- lookup env var2
2466   = val1 + val2
2467 ...other equations for clunky...
2468 </programlisting>
2469
2470 <para>
2471 The semantics should be clear enough.  The qualifers are matched in order. 
2472 For a <literal>&lt;-</literal> qualifier, which I call a pattern guard, the
2473 right hand side is evaluated and matched against the pattern on the left. 
2474 If the match fails then the whole guard fails and the next equation is
2475 tried.  If it succeeds, then the appropriate binding takes place, and the
2476 next qualifier is matched, in the augmented environment.  Unlike list
2477 comprehensions, however, the type of the expression to the right of the
2478 <literal>&lt;-</literal> is the same as the type of the pattern to its
2479 left.  The bindings introduced by pattern guards scope over all the
2480 remaining guard qualifiers, and over the right hand side of the equation.
2481 </para>
2482
2483 <para>
2484 Just as with list comprehensions, boolean expressions can be freely mixed
2485 with among the pattern guards.  For example:
2486 </para>
2487
2488 <programlisting>
2489 f x | [y] <- x
2490     , y > 3
2491     , Just z <- h y
2492     = ...
2493 </programlisting>
2494
2495 <para>
2496 Haskell's current guards therefore emerge as a special case, in which the
2497 qualifier list has just one element, a boolean expression.
2498 </para>
2499 </sect2>
2500
2501 <!-- ===================== PARALLEL LIST COMPREHENSIONS ===================  -->
2502
2503   <sect2 id="parallel-list-comprehensions">
2504     <title>Parallel List Comprehensions</title>
2505     <indexterm><primary>list comprehensions</primary><secondary>parallel</secondary>
2506     </indexterm>
2507     <indexterm><primary>parallel list comprehensions</primary>
2508     </indexterm>
2509
2510     <para>Parallel list comprehensions are a natural extension to list
2511     comprehensions.  List comprehensions can be thought of as a nice
2512     syntax for writing maps and filters.  Parallel comprehensions
2513     extend this to include the zipWith family.</para>
2514
2515     <para>A parallel list comprehension has multiple independent
2516     branches of qualifier lists, each separated by a `|' symbol.  For
2517     example, the following zips together two lists:</para>
2518
2519 <programlisting>
2520    [ (x, y) | x <- xs | y <- ys ] 
2521 </programlisting>
2522
2523     <para>The behavior of parallel list comprehensions follows that of
2524     zip, in that the resulting list will have the same length as the
2525     shortest branch.</para>
2526
2527     <para>We can define parallel list comprehensions by translation to
2528     regular comprehensions.  Here's the basic idea:</para>
2529
2530     <para>Given a parallel comprehension of the form: </para>
2531
2532 <programlisting>
2533    [ e | p1 <- e11, p2 <- e12, ... 
2534        | q1 <- e21, q2 <- e22, ... 
2535        ... 
2536    ] 
2537 </programlisting>
2538
2539     <para>This will be translated to: </para>
2540
2541 <programlisting>
2542    [ e | ((p1,p2), (q1,q2), ...) <- zipN [(p1,p2) | p1 <- e11, p2 <- e12, ...] 
2543                                          [(q1,q2) | q1 <- e21, q2 <- e22, ...] 
2544                                          ... 
2545    ] 
2546 </programlisting>
2547
2548     <para>where `zipN' is the appropriate zip for the given number of
2549     branches.</para>
2550
2551   </sect2>
2552
2553 <sect2 id="rebindable-syntax">
2554 <title>Rebindable syntax</title>
2555
2556
2557             <para> Your may want to
2558             define your own numeric class hierarchy.  It completely
2559             defeats that purpose if the literal "1" means
2560             "<literal>Prelude.fromInteger 1</literal>", which is what
2561             the Haskell Report specifies.  So the
2562             <option>-fno-implicit-prelude</option> flag causes the
2563             following pieces of built-in syntax to refer to <emphasis>whatever
2564             is in scope</emphasis>, not the Prelude versions:</para>
2565
2566             <itemizedlist>
2567               <listitem>
2568                 <para>Integer and fractional literals mean
2569                 "<literal>fromInteger 1</literal>" and
2570                 "<literal>fromRational 3.2</literal>", not the
2571                 Prelude-qualified versions; both in expressions and in
2572                 patterns. </para>
2573               </listitem>
2574
2575               <listitem>
2576                 <para>Negation (e.g. "<literal>- (f x)</literal>")
2577                 means "<literal>negate (f x)</literal>" (not
2578                 <literal>Prelude.negate</literal>).</para>
2579               </listitem>
2580
2581               <listitem>
2582                 <para>In an n+k pattern, the standard Prelude
2583                 <literal>Ord</literal> class is still used for comparison,
2584                 but the necessary subtraction uses whatever
2585                 "<literal>(-)</literal>" is in scope (not
2586                 "<literal>Prelude.(-)</literal>").</para>
2587               </listitem>
2588
2589               <listitem>
2590               <para>"Do" notation is translated using whatever functions
2591               <literal>(>>=)</literal>, <literal>(>>)</literal>, <literal>fail</literal>, 
2592               and <literal>return</literal>, are in scope (not the Prelude versions).
2593               List comprehensions, and parallel array comprehensions, are unaffected.
2594              </para></listitem>
2595             </itemizedlist>
2596
2597              <para>Be warned: this is an experimental facility, with fewer checks than
2598              usual.  In particular, it is essential that the functions GHC finds in scope
2599              must have the appropriate types, namely:
2600              <screen>
2601                 fromInteger  :: forall a. (...) => Integer  -> a
2602                 fromRational :: forall a. (...) => Rational -> a
2603                 negate       :: forall a. (...) => a -> a
2604                 (-)          :: forall a. (...) => a -> a -> a
2605                 (>>=)        :: forall m a. (...) => m a -> (a -> m b) -> m b
2606                 (>>)         :: forall m a. (...) => m a -> m b -> m b
2607                 return       :: forall m a. (...) => a      -> m a
2608                 fail         :: forall m a. (...) => String -> m a
2609              </screen>
2610              (The (...) part can be any context including the empty context; that part 
2611              is up to you.)
2612              If the functions don't have the right type, very peculiar things may 
2613              happen.  Use <literal>-dcore-lint</literal> to
2614              typecheck the desugared program.  If Core Lint is happy you should be all right.</para>
2615
2616 </sect2>
2617 </sect1>
2618
2619 <!-- =============================== PRAGMAS ===========================  -->
2620
2621   <sect1 id="pragmas">
2622     <title>Pragmas</title>
2623
2624     <indexterm><primary>pragma</primary></indexterm>
2625
2626     <para>GHC supports several pragmas, or instructions to the
2627     compiler placed in the source code.  Pragmas don't normally affect
2628     the meaning of the program, but they might affect the efficiency
2629     of the generated code.</para>
2630
2631     <para>Pragmas all take the form
2632
2633 <literal>{-# <replaceable>word</replaceable> ... #-}</literal>  
2634
2635     where <replaceable>word</replaceable> indicates the type of
2636     pragma, and is followed optionally by information specific to that
2637     type of pragma.  Case is ignored in
2638     <replaceable>word</replaceable>.  The various values for
2639     <replaceable>word</replaceable> that GHC understands are described
2640     in the following sections; any pragma encountered with an
2641     unrecognised <replaceable>word</replaceable> is (silently)
2642     ignored.</para>
2643
2644 <sect2 id="inline-pragma">
2645 <title>INLINE pragma
2646
2647 <indexterm><primary>INLINE pragma</primary></indexterm>
2648 <indexterm><primary>pragma, INLINE</primary></indexterm></title>
2649
2650 <para>
2651 GHC (with <option>-O</option>, as always) tries to inline (or &ldquo;unfold&rdquo;)
2652 functions/values that are &ldquo;small enough,&rdquo; thus avoiding the call
2653 overhead and possibly exposing other more-wonderful optimisations.
2654 </para>
2655
2656 <para>
2657 You will probably see these unfoldings (in Core syntax) in your
2658 interface files.
2659 </para>
2660
2661 <para>
2662 Normally, if GHC decides a function is &ldquo;too expensive&rdquo; to inline, it
2663 will not do so, nor will it export that unfolding for other modules to
2664 use.
2665 </para>
2666
2667 <para>
2668 The sledgehammer you can bring to bear is the
2669 <literal>INLINE</literal><indexterm><primary>INLINE pragma</primary></indexterm> pragma, used thusly:
2670
2671 <programlisting>
2672 key_function :: Int -> String -> (Bool, Double)
2673
2674 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
2675 {-# INLINE key_function #-}
2676 #endif
2677 </programlisting>
2678
2679 (You don't need to do the C pre-processor carry-on unless you're going
2680 to stick the code through HBC&mdash;it doesn't like <literal>INLINE</literal> pragmas.)
2681 </para>
2682
2683 <para>
2684 The major effect of an <literal>INLINE</literal> pragma is to declare a function's
2685 &ldquo;cost&rdquo; to be very low.  The normal unfolding machinery will then be
2686 very keen to inline it.
2687 </para>
2688
2689 <para>
2690 An <literal>INLINE</literal> pragma for a function can be put anywhere its type
2691 signature could be put.
2692 </para>
2693
2694 <para>
2695 <literal>INLINE</literal> pragmas are a particularly good idea for the
2696 <literal>then</literal>/<literal>return</literal> (or <literal>bind</literal>/<literal>unit</literal>) functions in a monad.
2697 For example, in GHC's own <literal>UniqueSupply</literal> monad code, we have:
2698
2699 <programlisting>
2700 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
2701 {-# INLINE thenUs #-}
2702 {-# INLINE returnUs #-}
2703 #endif
2704 </programlisting>
2705
2706 </para>
2707
2708 </sect2>
2709
2710 <sect2 id="noinline-pragma">
2711 <title>NOINLINE pragma
2712 </title>
2713
2714 <indexterm><primary>NOINLINE pragma</primary></indexterm>
2715 <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>NOINLINE</secondary></indexterm>
2716 <indexterm><primary>NOTINLINE pragma</primary></indexterm>
2717 <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>NOTINLINE</secondary></indexterm>
2718
2719 <para>
2720 The <literal>NOINLINE</literal> pragma does exactly what you'd expect:
2721 it stops the named function from being inlined by the compiler.  You
2722 shouldn't ever need to do this, unless you're very cautious about code
2723 size.
2724 </para>
2725
2726 <para><literal>NOTINLINE</literal> is a synonym for
2727 <literal>NOINLINE</literal> (<literal>NOTINLINE</literal> is specified
2728 by Haskell 98 as the standard way to disable inlining, so it should be
2729 used if you want your code to be portable).</para>
2730
2731 </sect2>
2732
2733     <sect2 id="specialize-pragma">
2734       <title>SPECIALIZE pragma</title>
2735
2736       <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
2737       <indexterm><primary>pragma, SPECIALIZE</primary></indexterm>
2738       <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
2739
2740       <para>(UK spelling also accepted.)  For key overloaded
2741       functions, you can create extra versions (NB: more code space)
2742       specialised to particular types.  Thus, if you have an
2743       overloaded function:</para>
2744
2745 <programlisting>
2746 hammeredLookup :: Ord key => [(key, value)] -> key -> value
2747 </programlisting>
2748
2749       <para>If it is heavily used on lists with
2750       <literal>Widget</literal> keys, you could specialise it as
2751       follows:</para>
2752
2753 <programlisting>
2754 {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Widget, value)] -> Widget -> value #-}
2755 </programlisting>
2756
2757       <para>To get very fancy, you can also specify a named function
2758       to use for the specialised value, as in:</para>
2759
2760 <programlisting>
2761 {-# RULES hammeredLookup = blah #-}
2762 </programlisting>
2763
2764       <para>where <literal>blah</literal> is an implementation of
2765       <literal>hammerdLookup</literal> written specialy for
2766       <literal>Widget</literal> lookups.  It's <emphasis>Your
2767       Responsibility</emphasis> to make sure that
2768       <function>blah</function> really behaves as a specialised
2769       version of <function>hammeredLookup</function>!!!</para>
2770
2771       <para>Note we use the <literal>RULE</literal> pragma here to
2772       indicate that <literal>hammeredLookup</literal> applied at a
2773       certain type should be replaced by <literal>blah</literal>.  See
2774       <xref linkend="rules"> for more information on
2775       <literal>RULES</literal>.</para>
2776
2777       <para>An example in which using <literal>RULES</literal> for
2778       specialisation will Win Big:
2779
2780 <programlisting>
2781 toDouble :: Real a => a -> Double
2782 toDouble = fromRational . toRational
2783
2784 {-# SPECIALIZE toDouble :: Int -> Double = i2d #-}
2785 i2d (I# i) = D# (int2Double# i) -- uses Glasgow prim-op directly
2786 </programlisting>
2787
2788       The <function>i2d</function> function is virtually one machine
2789       instruction; the default conversion&mdash;via an intermediate
2790       <literal>Rational</literal>&mdash;is obscenely expensive by
2791       comparison.</para>
2792
2793       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> pragma for a function can
2794       be put anywhere its type signature could be put.</para>
2795
2796     </sect2>
2797
2798 <sect2 id="specialize-instance-pragma">
2799 <title>SPECIALIZE instance pragma
2800 </title>
2801
2802 <para>
2803 <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
2804 <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
2805 Same idea, except for instance declarations.  For example:
2806
2807 <programlisting>
2808 instance (Eq a) => Eq (Foo a) where { 
2809    {-# SPECIALIZE instance Eq (Foo [(Int, Bar)]) #-}
2810    ... usual stuff ...
2811  }
2812 </programlisting>
2813 The pragma must occur inside the <literal>where</literal> part
2814 of the instance declaration.
2815 </para>
2816 <para>
2817 Compatible with HBC, by the way, except perhaps in the placement
2818 of the pragma.
2819 </para>
2820
2821 </sect2>
2822
2823 <sect2 id="line-pragma">
2824 <title>LINE pragma
2825 </title>
2826
2827 <para>
2828 <indexterm><primary>LINE pragma</primary></indexterm>
2829 <indexterm><primary>pragma, LINE</primary></indexterm>
2830 </para>
2831
2832 <para>
2833 This pragma is similar to C's <literal>&num;line</literal> pragma, and is mainly for use in
2834 automatically generated Haskell code.  It lets you specify the line
2835 number and filename of the original code; for example
2836 </para>
2837
2838 <para>
2839
2840 <programlisting>
2841 {-# LINE 42 "Foo.vhs" #-}
2842 </programlisting>
2843
2844 </para>
2845
2846 <para>
2847 if you'd generated the current file from something called <filename>Foo.vhs</filename>
2848 and this line corresponds to line 42 in the original.  GHC will adjust
2849 its error messages to refer to the line/file named in the <literal>LINE</literal>
2850 pragma.
2851 </para>
2852
2853 </sect2>
2854
2855 <sect2 id="rules">
2856 <title>RULES pragma</title>
2857
2858 <para>
2859 The RULES pragma lets you specify rewrite rules.  It is described in
2860 <xref LinkEnd="rewrite-rules">.
2861 </para>
2862
2863 </sect2>
2864
2865 <sect2 id="deprecated-pragma">
2866 <title>DEPRECATED pragma</title>
2867
2868 <para>
2869 The DEPRECATED pragma lets you specify that a particular function, class, or type, is deprecated.  
2870 There are two forms.  
2871 </para>
2872 <itemizedlist>
2873 <listitem><para>
2874 You can deprecate an entire module thus:</para>
2875 <programlisting>
2876    module Wibble {-# DEPRECATED "Use Wobble instead" #-} where
2877      ...
2878 </programlisting>
2879 <para>
2880 When you compile any module that import <literal>Wibble</literal>, GHC will print
2881 the specified message.</para>
2882 </listitem>
2883
2884 <listitem>
2885 <para>
2886 You can deprecate a function, class, or type, with the following top-level declaration:
2887 </para>
2888 <programlisting>
2889    {-# DEPRECATED f, C, T "Don't use these" #-}
2890 </programlisting>
2891 <para>
2892 When you compile any module that imports and uses any of the specifed entities, 
2893 GHC will print the specified message.
2894 </para>
2895 </listitem>
2896 </itemizedlist>
2897 <para>You can suppress the warnings with the flag <option>-fno-warn-deprecations</option>.</para>
2898
2899 </sect2>
2900
2901 </sect1>
2902
2903 <!--  ======================= REWRITE RULES ======================== -->
2904
2905 <sect1 id="rewrite-rules">
2906 <title>Rewrite rules
2907
2908 <indexterm><primary>RULES pagma</primary></indexterm>
2909 <indexterm><primary>pragma, RULES</primary></indexterm>
2910 <indexterm><primary>rewrite rules</primary></indexterm></title>
2911
2912 <para>
2913 The programmer can specify rewrite rules as part of the source program
2914 (in a pragma).  GHC applies these rewrite rules wherever it can.
2915 </para>
2916
2917 <para>
2918 Here is an example:
2919
2920 <programlisting>
2921   {-# RULES
2922         "map/map"       forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
2923   #-}
2924 </programlisting>
2925
2926 </para>
2927
2928 <sect2>
2929 <title>Syntax</title>
2930
2931 <para>
2932 From a syntactic point of view:
2933
2934 <itemizedlist>
2935 <listitem>
2936
2937 <para>
2938  Each rule has a name, enclosed in double quotes.  The name itself has
2939 no significance at all.  It is only used when reporting how many times the rule fired.
2940 </para>
2941 </listitem>
2942 <listitem>
2943
2944 <para>
2945  There may be zero or more rules in a <literal>RULES</literal> pragma.
2946 </para>
2947 </listitem>
2948 <listitem>
2949
2950 <para>
2951  Layout applies in a <literal>RULES</literal> pragma.  Currently no new indentation level
2952 is set, so you must lay out your rules starting in the same column as the
2953 enclosing definitions.
2954 </para>
2955 </listitem>
2956 <listitem>
2957
2958 <para>
2959  Each variable mentioned in a rule must either be in scope (e.g. <function>map</function>),
2960 or bound by the <literal>forall</literal> (e.g. <function>f</function>, <function>g</function>, <function>xs</function>).  The variables bound by
2961 the <literal>forall</literal> are called the <emphasis>pattern</emphasis> variables.  They are separated
2962 by spaces, just like in a type <literal>forall</literal>.
2963 </para>
2964 </listitem>
2965 <listitem>
2966
2967 <para>
2968  A pattern variable may optionally have a type signature.
2969 If the type of the pattern variable is polymorphic, it <emphasis>must</emphasis> have a type signature.
2970 For example, here is the <literal>foldr/build</literal> rule:
2971
2972 <programlisting>
2973 "fold/build"  forall k z (g::forall b. (a->b->b) -> b -> b) .
2974               foldr k z (build g) = g k z
2975 </programlisting>
2976
2977 Since <function>g</function> has a polymorphic type, it must have a type signature.
2978
2979 </para>
2980 </listitem>
2981 <listitem>
2982
2983 <para>
2984 The left hand side of a rule must consist of a top-level variable applied
2985 to arbitrary expressions.  For example, this is <emphasis>not</emphasis> OK:
2986
2987 <programlisting>
2988 "wrong1"   forall e1 e2.  case True of { True -> e1; False -> e2 } = e1
2989 "wrong2"   forall f.      f True = True
2990 </programlisting>
2991
2992 In <literal>"wrong1"</literal>, the LHS is not an application; in <literal>"wrong2"</literal>, the LHS has a pattern variable
2993 in the head.
2994 </para>
2995 </listitem>
2996 <listitem>
2997
2998 <para>
2999  A rule does not need to be in the same module as (any of) the
3000 variables it mentions, though of course they need to be in scope.
3001 </para>
3002 </listitem>
3003 <listitem>
3004
3005 <para>
3006  Rules are automatically exported from a module, just as instance declarations are.
3007 </para>
3008 </listitem>
3009
3010 </itemizedlist>
3011
3012 </para>
3013
3014 </sect2>
3015
3016 <sect2>
3017 <title>Semantics</title>
3018
3019 <para>
3020 From a semantic point of view:
3021
3022 <itemizedlist>
3023 <listitem>
3024
3025 <para>
3026 Rules are only applied if you use the <option>-O</option> flag.
3027 </para>
3028 </listitem>
3029
3030 <listitem>
3031 <para>
3032  Rules are regarded as left-to-right rewrite rules.
3033 When GHC finds an expression that is a substitution instance of the LHS
3034 of a rule, it replaces the expression by the (appropriately-substituted) RHS.
3035 By "a substitution instance" we mean that the LHS can be made equal to the
3036 expression by substituting for the pattern variables.
3037
3038 </para>
3039 </listitem>
3040 <listitem>
3041
3042 <para>
3043  The LHS and RHS of a rule are typechecked, and must have the
3044 same type.
3045
3046 </para>
3047 </listitem>
3048 <listitem>
3049
3050 <para>
3051  GHC makes absolutely no attempt to verify that the LHS and RHS
3052 of a rule have the same meaning.  That is undecideable in general, and
3053 infeasible in most interesting cases.  The responsibility is entirely the programmer's!
3054
3055 </para>
3056 </listitem>
3057 <listitem>
3058
3059 <para>
3060  GHC makes no attempt to make sure that the rules are confluent or
3061 terminating.  For example:
3062
3063 <programlisting>
3064   "loop"        forall x,y.  f x y = f y x
3065 </programlisting>
3066
3067 This rule will cause the compiler to go into an infinite loop.
3068
3069 </para>
3070 </listitem>
3071 <listitem>
3072
3073 <para>
3074  If more than one rule matches a call, GHC will choose one arbitrarily to apply.
3075
3076 </para>
3077 </listitem>
3078 <listitem>
3079 <para>
3080  GHC currently uses a very simple, syntactic, matching algorithm
3081 for matching a rule LHS with an expression.  It seeks a substitution
3082 which makes the LHS and expression syntactically equal modulo alpha
3083 conversion.  The pattern (rule), but not the expression, is eta-expanded if
3084 necessary.  (Eta-expanding the epression can lead to laziness bugs.)
3085 But not beta conversion (that's called higher-order matching).
3086 </para>
3087
3088 <para>
3089 Matching is carried out on GHC's intermediate language, which includes
3090 type abstractions and applications.  So a rule only matches if the
3091 types match too.  See <xref LinkEnd="rule-spec"> below.
3092 </para>
3093 </listitem>
3094 <listitem>
3095
3096 <para>
3097  GHC keeps trying to apply the rules as it optimises the program.
3098 For example, consider:
3099
3100 <programlisting>
3101   let s = map f
3102       t = map g
3103   in
3104   s (t xs)
3105 </programlisting>
3106
3107 The expression <literal>s (t xs)</literal> does not match the rule <literal>"map/map"</literal>, but GHC
3108 will substitute for <VarName>s</VarName> and <VarName>t</VarName>, giving an expression which does match.
3109 If <VarName>s</VarName> or <VarName>t</VarName> was (a) used more than once, and (b) large or a redex, then it would
3110 not be substituted, and the rule would not fire.
3111
3112 </para>
3113 </listitem>
3114 <listitem>
3115
3116 <para>
3117  In the earlier phases of compilation, GHC inlines <emphasis>nothing
3118 that appears on the LHS of a rule</emphasis>, because once you have substituted
3119 for something you can't match against it (given the simple minded
3120 matching).  So if you write the rule
3121
3122 <programlisting>
3123         "map/map"       forall f,g.  map f . map g = map (f.g)
3124 </programlisting>
3125
3126 this <emphasis>won't</emphasis> match the expression <literal>map f (map g xs)</literal>.
3127 It will only match something written with explicit use of ".".
3128 Well, not quite.  It <emphasis>will</emphasis> match the expression
3129
3130 <programlisting>
3131 wibble f g xs
3132 </programlisting>
3133
3134 where <function>wibble</function> is defined:
3135
3136 <programlisting>
3137 wibble f g = map f . map g
3138 </programlisting>
3139
3140 because <function>wibble</function> will be inlined (it's small).
3141
3142 Later on in compilation, GHC starts inlining even things on the
3143 LHS of rules, but still leaves the rules enabled.  This inlining
3144 policy is controlled by the per-simplification-pass flag <option>-finline-phase</option><emphasis>n</emphasis>.
3145
3146 </para>
3147 </listitem>
3148 <listitem>
3149
3150 <para>
3151  All rules are implicitly exported from the module, and are therefore
3152 in force in any module that imports the module that defined the rule, directly
3153 or indirectly.  (That is, if A imports B, which imports C, then C's rules are
3154 in force when compiling A.)  The situation is very similar to that for instance
3155 declarations.
3156 </para>
3157 </listitem>
3158
3159 </itemizedlist>
3160
3161 </para>
3162
3163 </sect2>
3164
3165 <sect2>
3166 <title>List fusion</title>
3167
3168 <para>
3169 The RULES mechanism is used to implement fusion (deforestation) of common list functions.
3170 If a "good consumer" consumes an intermediate list constructed by a "good producer", the
3171 intermediate list should be eliminated entirely.
3172 </para>
3173
3174 <para>
3175 The following are good producers:
3176
3177 <itemizedlist>
3178 <listitem>
3179
3180 <para>
3181  List comprehensions
3182 </para>
3183 </listitem>
3184 <listitem>
3185
3186 <para>
3187  Enumerations of <literal>Int</literal> and <literal>Char</literal> (e.g. <literal>['a'..'z']</literal>).
3188 </para>
3189 </listitem>
3190 <listitem>
3191
3192 <para>
3193  Explicit lists (e.g. <literal>[True, False]</literal>)
3194 </para>
3195 </listitem>
3196 <listitem>
3197
3198 <para>
3199  The cons constructor (e.g <literal>3:4:[]</literal>)
3200 </para>
3201 </listitem>
3202 <listitem>
3203
3204 <para>
3205  <function>++</function>
3206 </para>
3207 </listitem>
3208
3209 <listitem>
3210 <para>
3211  <function>map</function>
3212 </para>
3213 </listitem>
3214
3215 <listitem>
3216 <para>
3217  <function>filter</function>
3218 </para>
3219 </listitem>
3220 <listitem>
3221
3222 <para>
3223  <function>iterate</function>, <function>repeat</function>
3224 </para>
3225 </listitem>
3226 <listitem>
3227
3228 <para>
3229  <function>zip</function>, <function>zipWith</function>
3230 </para>
3231 </listitem>
3232
3233 </itemizedlist>
3234
3235 </para>
3236
3237 <para>
3238 The following are good consumers:
3239
3240 <itemizedlist>
3241 <listitem>
3242
3243 <para>
3244  List comprehensions
3245 </para>
3246 </listitem>
3247 <listitem>
3248
3249 <para>
3250  <function>array</function> (on its second argument)
3251 </para>
3252 </listitem>
3253 <listitem>
3254
3255 <para>
3256  <function>length</function>
3257 </para>
3258 </listitem>
3259 <listitem>
3260
3261 <para>
3262  <function>++</function> (on its first argument)
3263 </para>
3264 </listitem>
3265
3266 <listitem>
3267 <para>
3268  <function>foldr</function>
3269 </para>
3270 </listitem>
3271
3272 <listitem>
3273 <para>
3274  <function>map</function>
3275 </para>
3276 </listitem>
3277 <listitem>
3278
3279 <para>
3280  <function>filter</function>
3281 </para>
3282 </listitem>
3283 <listitem>
3284
3285 <para>
3286  <function>concat</function>
3287 </para>
3288 </listitem>
3289 <listitem>
3290
3291 <para>
3292  <function>unzip</function>, <function>unzip2</function>, <function>unzip3</function>, <function>unzip4</function>
3293 </para>
3294 </listitem>
3295 <listitem>
3296
3297 <para>
3298  <function>zip</function>, <function>zipWith</function> (but on one argument only; if both are good producers, <function>zip</function>
3299 will fuse with one but not the other)
3300 </para>
3301 </listitem>
3302 <listitem>
3303
3304 <para>
3305  <function>partition</function>
3306 </para>
3307 </listitem>
3308 <listitem>
3309
3310 <para>
3311  <function>head</function>
3312 </para>
3313 </listitem>
3314 <listitem>
3315
3316 <para>
3317  <function>and</function>, <function>or</function>, <function>any</function>, <function>all</function>
3318 </para>
3319 </listitem>
3320 <listitem>
3321
3322 <para>
3323  <function>sequence&lowbar;</function>
3324 </para>
3325 </listitem>
3326 <listitem>
3327
3328 <para>
3329  <function>msum</function>
3330 </para>
3331 </listitem>
3332 <listitem>
3333
3334 <para>
3335  <function>sortBy</function>
3336 </para>
3337 </listitem>
3338
3339 </itemizedlist>
3340
3341 </para>
3342
3343 <para>
3344 So, for example, the following should generate no intermediate lists:
3345
3346 <programlisting>
3347 array (1,10) [(i,i*i) | i &#60;- map (+ 1) [0..9]]
3348 </programlisting>
3349
3350 </para>
3351
3352 <para>
3353 This list could readily be extended; if there are Prelude functions that you use
3354 a lot which are not included, please tell us.
3355 </para>
3356
3357 <para>
3358 If you want to write your own good consumers or producers, look at the
3359 Prelude definitions of the above functions to see how to do so.
3360 </para>
3361
3362 </sect2>
3363
3364 <sect2 id="rule-spec">
3365 <title>Specialisation
3366 </title>
3367
3368 <para>
3369 Rewrite rules can be used to get the same effect as a feature
3370 present in earlier version of GHC:
3371
3372 <programlisting>
3373   {-# SPECIALIZE fromIntegral :: Int8 -> Int16 = int8ToInt16 #-}
3374 </programlisting>
3375
3376 This told GHC to use <function>int8ToInt16</function> instead of <function>fromIntegral</function> whenever
3377 the latter was called with type <literal>Int8 -&gt; Int16</literal>.  That is, rather than
3378 specialising the original definition of <function>fromIntegral</function> the programmer is
3379 promising that it is safe to use <function>int8ToInt16</function> instead.
3380 </para>
3381
3382 <para>
3383 This feature is no longer in GHC.  But rewrite rules let you do the
3384 same thing:
3385
3386 <programlisting>
3387 {-# RULES
3388   "fromIntegral/Int8/Int16" fromIntegral = int8ToInt16
3389 #-}
3390 </programlisting>
3391
3392 This slightly odd-looking rule instructs GHC to replace <function>fromIntegral</function>
3393 by <function>int8ToInt16</function> <emphasis>whenever the types match</emphasis>.  Speaking more operationally,
3394 GHC adds the type and dictionary applications to get the typed rule
3395
3396 <programlisting>
3397 forall (d1::Integral Int8) (d2::Num Int16) .
3398         fromIntegral Int8 Int16 d1 d2 = int8ToInt16
3399 </programlisting>
3400
3401 What is more,
3402 this rule does not need to be in the same file as fromIntegral,
3403 unlike the <literal>SPECIALISE</literal> pragmas which currently do (so that they
3404 have an original definition available to specialise).
3405 </para>
3406
3407 </sect2>
3408
3409 <sect2>
3410 <title>Controlling what's going on</title>
3411
3412 <para>
3413
3414 <itemizedlist>
3415 <listitem>
3416
3417 <para>
3418  Use <option>-ddump-rules</option> to see what transformation rules GHC is using.
3419 </para>
3420 </listitem>
3421 <listitem>
3422
3423 <para>
3424  Use <option>-ddump-simpl-stats</option> to see what rules are being fired.
3425 If you add <option>-dppr-debug</option> you get a more detailed listing.
3426 </para>
3427 </listitem>
3428 <listitem>
3429
3430 <para>
3431  The defintion of (say) <function>build</function> in <FileName>PrelBase.lhs</FileName> looks llike this:
3432
3433 <programlisting>
3434         build   :: forall a. (forall b. (a -> b -> b) -> b -> b) -> [a]
3435         {-# INLINE build #-}
3436         build g = g (:) []
3437 </programlisting>
3438
3439 Notice the <literal>INLINE</literal>!  That prevents <literal>(:)</literal> from being inlined when compiling
3440 <literal>PrelBase</literal>, so that an importing module will &ldquo;see&rdquo; the <literal>(:)</literal>, and can
3441 match it on the LHS of a rule.  <literal>INLINE</literal> prevents any inlining happening
3442 in the RHS of the <literal>INLINE</literal> thing.  I regret the delicacy of this.
3443
3444 </para>
3445 </listitem>
3446 <listitem>
3447
3448 <para>
3449  In <filename>ghc/lib/std/PrelBase.lhs</filename> look at the rules for <function>map</function> to
3450 see how to write rules that will do fusion and yet give an efficient
3451 program even if fusion doesn't happen.  More rules in <filename>PrelList.lhs</filename>.
3452 </para>
3453 </listitem>
3454
3455 </itemizedlist>
3456
3457 </para>
3458
3459 </sect2>
3460
3461 </sect1>
3462
3463 <sect1 id="generic-classes">
3464 <title>Generic classes</title>
3465
3466     <para>(Note: support for generic classes is currently broken in
3467     GHC 5.02).</para>
3468
3469 <para>
3470 The ideas behind this extension are described in detail in "Derivable type classes",
3471 Ralf Hinze and Simon Peyton Jones, Haskell Workshop, Montreal Sept 2000, pp94-105.
3472 An example will give the idea:
3473 </para>
3474
3475 <programlisting>
3476   import Generics
3477
3478   class Bin a where
3479     toBin   :: a -> [Int]
3480     fromBin :: [Int] -> (a, [Int])
3481   
3482     toBin {| Unit |}    Unit      = []
3483     toBin {| a :+: b |} (Inl x)   = 0 : toBin x
3484     toBin {| a :+: b |} (Inr y)   = 1 : toBin y
3485     toBin {| a :*: b |} (x :*: y) = toBin x ++ toBin y
3486   
3487     fromBin {| Unit |}    bs      = (Unit, bs)
3488     fromBin {| a :+: b |} (0:bs)  = (Inl x, bs')    where (x,bs') = fromBin bs
3489     fromBin {| a :+: b |} (1:bs)  = (Inr y, bs')    where (y,bs') = fromBin bs
3490     fromBin {| a :*: b |} bs      = (x :*: y, bs'') where (x,bs' ) = fromBin bs
3491                                                           (y,bs'') = fromBin bs'
3492 </programlisting>
3493 <para>
3494 This class declaration explains how <literal>toBin</literal> and <literal>fromBin</literal>
3495 work for arbitrary data types.  They do so by giving cases for unit, product, and sum,
3496 which are defined thus in the library module <literal>Generics</literal>:
3497 </para>
3498 <programlisting>
3499   data Unit    = Unit
3500   data a :+: b = Inl a | Inr b
3501   data a :*: b = a :*: b
3502 </programlisting>
3503 <para>
3504 Now you can make a data type into an instance of Bin like this:
3505 <programlisting>
3506   instance (Bin a, Bin b) => Bin (a,b)
3507   instance Bin a => Bin [a]
3508 </programlisting>
3509 That is, just leave off the "where" clasuse.  Of course, you can put in the
3510 where clause and over-ride whichever methods you please.
3511 </para>
3512
3513     <sect2>
3514       <title> Using generics </title>
3515       <para>To use generics you need to</para>
3516       <itemizedlist>
3517         <listitem>
3518           <para>Use the flags <option>-fglasgow-exts</option> (to enable the extra syntax), 
3519                 <option>-fgenerics</option> (to generate extra per-data-type code),
3520                 and <option>-package lang</option> (to make the <literal>Generics</literal> library
3521                 available.  </para>
3522         </listitem>
3523         <listitem>
3524           <para>Import the module <literal>Generics</literal> from the
3525           <literal>lang</literal> package.  This import brings into
3526           scope the data types <literal>Unit</literal>,
3527           <literal>:*:</literal>, and <literal>:+:</literal>.  (You
3528           don't need this import if you don't mention these types
3529           explicitly; for example, if you are simply giving instance
3530           declarations.)</para>
3531         </listitem>
3532       </itemizedlist>
3533     </sect2>
3534
3535 <sect2> <title> Changes wrt the paper </title>
3536 <para>
3537 Note that the type constructors <literal>:+:</literal> and <literal>:*:</literal> 
3538 can be written infix (indeed, you can now use
3539 any operator starting in a colon as an infix type constructor).  Also note that
3540 the type constructors are not exactly as in the paper (Unit instead of 1, etc).
3541 Finally, note that the syntax of the type patterns in the class declaration
3542 uses "<literal>{|</literal>" and "<literal>|}</literal>" brackets; curly braces
3543 alone would ambiguous when they appear on right hand sides (an extension we 
3544 anticipate wanting).
3545 </para>
3546 </sect2>
3547
3548 <sect2> <title>Terminology and restrictions</title>
3549 <para>
3550 Terminology.  A "generic default method" in a class declaration
3551 is one that is defined using type patterns as above.
3552 A "polymorphic default method" is a default method defined as in Haskell 98.
3553 A "generic class declaration" is a class declaration with at least one
3554 generic default method.
3555 </para>
3556
3557 <para>
3558 Restrictions:
3559 <itemizedlist>
3560 <listitem>
3561 <para>
3562 Alas, we do not yet implement the stuff about constructor names and 
3563 field labels.
3564 </para>
3565 </listitem>
3566
3567 <listitem>
3568 <para>
3569 A generic class can have only one parameter; you can't have a generic
3570 multi-parameter class.
3571 </para>
3572 </listitem>
3573
3574 <listitem>
3575 <para>
3576 A default method must be defined entirely using type patterns, or entirely
3577 without.  So this is illegal:
3578 <programlisting>
3579   class Foo a where
3580     op :: a -> (a, Bool)
3581     op {| Unit |} Unit = (Unit, True)
3582     op x               = (x,    False)
3583 </programlisting>
3584 However it is perfectly OK for some methods of a generic class to have 
3585 generic default methods and others to have polymorphic default methods.
3586 </para>
3587 </listitem>
3588
3589 <listitem>
3590 <para>
3591 The type variable(s) in the type pattern for a generic method declaration
3592 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:
3593 <programlisting>
3594   class Foo a where
3595     op :: a -> Bool
3596     op {| p :*: q |} (x :*: y) = op (x :: p)
3597     ...
3598 </programlisting>
3599 </para>
3600 </listitem>
3601
3602 <listitem>
3603 <para>
3604 The type patterns in a generic default method must take one of the forms:
3605 <programlisting>
3606        a :+: b
3607        a :*: b
3608        Unit
3609 </programlisting>
3610 where "a" and "b" are type variables.  Furthermore, all the type patterns for
3611 a single type constructor (<literal>:*:</literal>, say) must be identical; they
3612 must use the same type variables.  So this is illegal:
3613 <programlisting>
3614   class Foo a where
3615     op :: a -> Bool
3616     op {| a :+: b |} (Inl x) = True
3617     op {| p :+: q |} (Inr y) = False
3618 </programlisting>
3619 The type patterns must be identical, even in equations for different methods of the class.
3620 So this too is illegal:
3621 <programlisting>
3622   class Foo a where
3623     op1 :: a -> Bool
3624     op1 {| a :*: b |} (x :*: y) = True
3625
3626     op2 :: a -> Bool
3627     op2 {| p :*: q |} (x :*: y) = False
3628 </programlisting>
3629 (The reason for this restriction is that we gather all the equations for a particular type consructor
3630 into a single generic instance declaration.)
3631 </para>
3632 </listitem>
3633
3634 <listitem>
3635 <para>
3636 A generic method declaration must give a case for each of the three type constructors.
3637 </para>
3638 </listitem>
3639
3640 <listitem>
3641 <para>
3642 The type for a generic method can be built only from:
3643   <itemizedlist>
3644   <listitem> <para> Function arrows </para> </listitem>
3645   <listitem> <para> Type variables </para> </listitem>
3646   <listitem> <para> Tuples </para> </listitem>
3647   <listitem> <para> Arbitrary types not involving type variables </para> </listitem>
3648   </itemizedlist>
3649 Here are some example type signatures for generic methods:
3650 <programlisting>
3651     op1 :: a -> Bool
3652     op2 :: Bool -> (a,Bool)
3653     op3 :: [Int] -> a -> a
3654     op4 :: [a] -> Bool
3655 </programlisting>
3656 Here, op1, op2, op3 are OK, but op4 is rejected, because it has a type variable
3657 inside a list.  
3658 </para>
3659 <para>
3660 This restriction is an implementation restriction: we just havn't got around to
3661 implementing the necessary bidirectional maps over arbitrary type constructors.
3662 It would be relatively easy to add specific type constructors, such as Maybe and list,
3663 to the ones that are allowed.</para>
3664 </listitem>
3665
3666 <listitem>
3667 <para>
3668 In an instance declaration for a generic class, the idea is that the compiler
3669 will fill in the methods for you, based on the generic templates.  However it can only
3670 do so if
3671   <itemizedlist>
3672   <listitem>
3673   <para>
3674   The instance type is simple (a type constructor applied to type variables, as in Haskell 98).
3675   </para>
3676   </listitem>
3677   <listitem>
3678   <para>
3679   No constructor of the instance type has unboxed fields.
3680   </para>
3681   </listitem>
3682   </itemizedlist>
3683 (Of course, these things can only arise if you are already using GHC extensions.)
3684 However, you can still give an instance declarations for types which break these rules,
3685 provided you give explicit code to override any generic default methods.
3686 </para>
3687 </listitem>
3688
3689 </itemizedlist>
3690 </para>
3691
3692 <para>
3693 The option <option>-ddump-deriv</option> dumps incomprehensible stuff giving details of 
3694 what the compiler does with generic declarations.
3695 </para>
3696
3697 </sect2>
3698
3699 <sect2> <title> Another example </title>
3700 <para>
3701 Just to finish with, here's another example I rather like:
3702 <programlisting>
3703   class Tag a where
3704     nCons :: a -> Int
3705     nCons {| Unit |}    _ = 1
3706     nCons {| a :*: b |} _ = 1
3707     nCons {| a :+: b |} _ = nCons (bot::a) + nCons (bot::b)
3708   
3709     tag :: a -> Int
3710     tag {| Unit |}    _       = 1
3711     tag {| a :*: b |} _       = 1   
3712     tag {| a :+: b |} (Inl x) = tag x
3713     tag {| a :+: b |} (Inr y) = nCons (bot::a) + tag y
3714 </programlisting>
3715 </para>
3716 </sect2>
3717 </sect1>
3718
3719 <sect1 id="newtype-deriving">
3720 <title>Generalised derived instances for newtypes</title>
3721
3722 <para>
3723 When you define an abstract type using <literal>newtype</literal>, you may want
3724 the new type to inherit some instances from its representation. In
3725 Haskell 98, you can inherit instances of <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
3726 <literal>Enum</literal> and <literal>Bounded</literal> by deriving them, but for any
3727 other classes you have to write an explicit instance declaration. For
3728 example, if you define
3729
3730 <programlisting> 
3731   newtype Dollars = Dollars Int 
3732 </programlisting> 
3733
3734 and you want to use arithmetic on <literal>Dollars</literal>, you have to
3735 explicitly define an instance of <literal>Num</literal>:
3736
3737 <programlisting> 
3738   instance Num Dollars where
3739     Dollars a + Dollars b = Dollars (a+b)
3740     ...
3741 </programlisting>
3742 All the instance does is apply and remove the <literal>newtype</literal>
3743 constructor. It is particularly galling that, since the constructor
3744 doesn't appear at run-time, this instance declaration defines a
3745 dictionary which is <emphasis>wholly equivalent</emphasis> to the <literal>Int</literal>
3746 dictionary, only slower!
3747 </para>
3748
3749 <sect2> <title> Generalising the deriving clause </title>
3750 <para>
3751 GHC now permits such instances to be derived instead, so one can write 
3752 <programlisting> 
3753   newtype Dollars = Dollars Int deriving (Eq,Show,Num)
3754 </programlisting> 
3755
3756 and the implementation uses the <emphasis>same</emphasis> <literal>Num</literal> dictionary
3757 for <literal>Dollars</literal> as for <literal>Int</literal>. Notionally, the compiler
3758 derives an instance declaration of the form
3759
3760 <programlisting> 
3761   instance Num Int => Num Dollars
3762 </programlisting> 
3763
3764 which just adds or removes the <literal>newtype</literal> constructor according to the type.
3765 </para>
3766 <para>
3767
3768 We can also derive instances of constructor classes in a similar
3769 way. For example, suppose we have implemented state and failure monad
3770 transformers, such that
3771
3772 <programlisting> 
3773   instance Monad m => Monad (State s m) 
3774   instance Monad m => Monad (Failure m)
3775 </programlisting> 
3776 In Haskell 98, we can define a parsing monad by 
3777 <programlisting> 
3778   type Parser tok m a = State [tok] (Failure m) a
3779 </programlisting> 
3780
3781 which is automatically a monad thanks to the instance declarations
3782 above. With the extension, we can make the parser type abstract,
3783 without needing to write an instance of class <literal>Monad</literal>, via
3784
3785 <programlisting> 
3786   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3787                          deriving Monad
3788 </programlisting>
3789 In this case the derived instance declaration is of the form 
3790 <programlisting> 
3791   instance Monad (State [tok] (Failure m)) => Monad (Parser tok m) 
3792 </programlisting> 
3793
3794 Notice that, since <literal>Monad</literal> is a constructor class, the
3795 instance is a <emphasis>partial application</emphasis> of the new type, not the
3796 entire left hand side. We can imagine that the type declaration is
3797 ``eta-converted'' to generate the context of the instance
3798 declaration.
3799 </para>
3800 <para>
3801
3802 We can even derive instances of multi-parameter classes, provided the
3803 newtype is the last class parameter. In this case, a ``partial
3804 application'' of the class appears in the <literal>deriving</literal>
3805 clause. For example, given the class
3806
3807 <programlisting> 
3808   class StateMonad s m | m -> s where ... 
3809   instance Monad m => StateMonad s (State s m) where ... 
3810 </programlisting> 
3811 then we can derive an instance of <literal>StateMonad</literal> for <literal>Parser</literal>s by 
3812 <programlisting> 
3813   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3814                          deriving (Monad, StateMonad [tok])
3815 </programlisting>
3816
3817 The derived instance is obtained by completing the application of the
3818 class to the new type:
3819
3820 <programlisting> 
3821   instance StateMonad [tok] (State [tok] (Failure m)) =>
3822            StateMonad [tok] (Parser tok m)
3823 </programlisting>
3824 </para>
3825 <para>
3826
3827 As a result of this extension, all derived instances in newtype
3828 declarations are treated uniformly (and implemented just by reusing
3829 the dictionary for the representation type), <emphasis>except</emphasis>
3830 <literal>Show</literal> and <literal>Read</literal>, which really behave differently for
3831 the newtype and its representation.
3832 </para>
3833 </sect2>
3834
3835 <sect2> <title> A more precise specification </title>
3836 <para>
3837 Derived instance declarations are constructed as follows. Consider the
3838 declaration (after expansion of any type synonyms)
3839
3840 <programlisting> 
3841   newtype T v1...vn = T' (S t1...tk vk+1...vn) deriving (c1...cm) 
3842 </programlisting> 
3843
3844 where <literal>S</literal> is a type constructor, <literal>t1...tk</literal> are 
3845 types,
3846 <literal>vk+1...vn</literal> are type variables which do not occur in any of
3847 the <literal>ti</literal>, and the <literal>ci</literal> are partial applications of
3848 classes of the form <literal>C t1'...tj'</literal>.  The derived instance
3849 declarations are, for each <literal>ci</literal>,
3850
3851 <programlisting> 
3852   instance ci (S t1...tk vk+1...v) => ci (T v1...vp)
3853 </programlisting>
3854 where <literal>p</literal> is chosen so that <literal>T v1...vp</literal> is of the 
3855 right <emphasis>kind</emphasis> for the last parameter of class <literal>Ci</literal>.
3856 </para>
3857 <para>
3858
3859 As an example which does <emphasis>not</emphasis> work, consider 
3860 <programlisting> 
3861   newtype NonMonad m s = NonMonad (State s m s) deriving Monad 
3862 </programlisting> 
3863 Here we cannot derive the instance 
3864 <programlisting> 
3865   instance Monad (State s m) => Monad (NonMonad m) 
3866 </programlisting> 
3867
3868 because the type variable <literal>s</literal> occurs in <literal>State s m</literal>,
3869 and so cannot be "eta-converted" away. It is a good thing that this
3870 <literal>deriving</literal> clause is rejected, because <literal>NonMonad m</literal> is
3871 not, in fact, a monad --- for the same reason. Try defining
3872 <literal>>>=</literal> with the correct type: you won't be able to.
3873 </para>
3874 <para>
3875
3876 Notice also that the <emphasis>order</emphasis> of class parameters becomes
3877 important, since we can only derive instances for the last one. If the
3878 <literal>StateMonad</literal> class above were instead defined as
3879
3880 <programlisting> 
3881   class StateMonad m s | m -> s where ... 
3882 </programlisting>
3883
3884 then we would not have been able to derive an instance for the
3885 <literal>Parser</literal> type above. We hypothesise that multi-parameter
3886 classes usually have one "main" parameter for which deriving new
3887 instances is most interesting.
3888 </para>
3889 </sect2>
3890 </sect1>
3891
3892
3893
3894 <!-- Emacs stuff:
3895      ;;; Local Variables: ***
3896      ;;; mode: sgml ***
3897      ;;; sgml-parent-document: ("users_guide.sgml" "book" "chapter" "sect1") ***
3898      ;;; End: ***
3899  -->