528e13f3221dbf6912063bad4ba6bed21c0bdeda
[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, all
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> With one group of exceptions!  You may want to
143             define your own numeric class hierarchy.  It completely
144             defeats that purpose if the literal "1" means
145             "<literal>Prelude.fromInteger 1</literal>", which is what
146             the Haskell Report specifies.  So the
147             <option>-fno-implicit-prelude</option> flag causes the
148             following pieces of built-in syntax to refer to <emphasis>whatever
149             is in scope</emphasis>, not the Prelude versions:</para>
150
151             <itemizedlist>
152               <listitem>
153                 <para>Integer and fractional literals mean
154                 "<literal>fromInteger 1</literal>" and
155                 "<literal>fromRational 3.2</literal>", not the
156                 Prelude-qualified versions; both in expressions and in
157                 patterns.</para>
158               </listitem>
159
160               <listitem>
161                 <para>Negation (e.g. "<literal>- (f x)</literal>")
162                 means "<literal>negate (f x)</literal>" (not
163                 <literal>Prelude.negate</literal>).</para>
164               </listitem>
165
166               <listitem>
167                 <para>In an n+k pattern, the standard Prelude
168                 <literal>Ord</literal> class is still used for comparison,
169                 but the necessary subtraction uses whatever
170                 "<literal>(-)</literal>" is in scope (not
171                 "<literal>Prelude.(-)</literal>").</para>
172               </listitem>
173             </itemizedlist>
174
175              <para>Note: Negative literals, such as <literal>-3</literal>, are
176              specified by (a careful reading of) the Haskell Report as 
177              meaning <literal>Prelude.negate (Prelude.fromInteger 3)</literal>.
178              However, GHC deviates from this slightly, and treats them as meaning
179              <literal>fromInteger (-3)</literal>.  One particular effect of this
180              slightly-non-standard reading is that there is no difficulty with
181              the literal <literal>-2147483648</literal> at type <literal>Int</literal>;
182              it means <literal>fromInteger (-2147483648)</literal>.  The strict interpretation
183              would be <literal>negate (fromInteger 2147483648)</literal>,
184              and the call to <literal>fromInteger</literal> would overflow
185              (at type <literal>Int</literal>, remember).
186              </para>
187
188           </listitem>
189         </varlistentry>
190
191     </variablelist>
192   </sect1>
193
194 <!-- UNBOXED TYPES AND PRIMITIVE OPERATIONS -->
195 <!--    included from primitives.sgml  -->
196 &primitives;
197
198
199 <!-- TYPE SYSTEM EXTENSIONS -->
200 <sect1 id="type-extensions">
201 <title>Type system extensions</title>
202
203 <sect2 id="nullary-types">
204 <title>Data types with no constructors</title>
205
206 <para>With the <option>-fglasgow-exts</option> flag, GHC lets you declare
207 a data type with no constructors.  For example:</para>
208 <programlisting>
209   data S      -- S :: *
210   data T a    -- T :: * -> *
211 </programlisting>
212 <para>Syntactically, the declaration lacks the "= constrs" part.  The 
213 type can be parameterised, but only over ordinary types, of kind *; since
214 Haskell does not have kind signatures, you cannot parameterise over higher-kinded
215 types.</para>
216
217 <para>Such data types have only one value, namely bottom.
218 Nevertheless, they can be useful when defining "phantom types".</para>
219 </sect2>
220
221 <sect2 id="infix-tycons">
222 <title>Infix type constructors</title>
223
224 <para>
225 GHC allows type constructors to be operators, and to be written infix, very much 
226 like expressions.  More specifically:
227 <itemizedlist>
228 <listitem><para>
229   A type constructor can be an operator, beginning with a colon; e.g. <literal>:*:</literal>.
230   The lexical syntax is the same as that for data constructors.
231   </para></listitem>
232 <listitem><para>
233   Types can be written infix.  For example <literal>Int :*: Bool</literal>.  
234   </para></listitem>
235 <listitem><para>
236   Back-quotes work
237   as for expressions, both for type constructors and type variables;  e.g. <literal>Int `Either` Bool</literal>, or
238   <literal>Int `a` Bool</literal>.  Similarly, parentheses work the same; e.g.  <literal>(:*:) Int Bool</literal>.
239   </para></listitem>
240 <listitem><para>
241   Fixities may be declared for type constructors just as for data constructors.  However,
242   one cannot distinguish between the two in a fixity declaration; a fixity declaration
243   sets the fixity for a data constructor and the corresponding type constructor.  For example:
244 <screen>
245   infixl 7 T, :*:
246 </screen>
247   sets the fixity for both type constructor <literal>T</literal> and data constructor <literal>T</literal>,
248   and similarly for <literal>:*:</literal>.
249   <literal>Int `a` Bool</literal>.
250   </para></listitem>
251 <listitem><para>
252   Function arrow is <literal>infixr</literal> with fixity 0.  (This might change; I'm not sure what it should be.)
253   </para></listitem>
254 <listitem><para>
255   Data type and type-synonym declarations can be written infix.  E.g.
256 <screen>
257   data a :*: b = Foo a b
258   type a :+: b = Either a b
259 </screen>
260   </para></listitem>
261 <listitem><para>
262   The only thing that differs between operators in types and operators in expressions is that
263   ordinary non-constructor operators, such as <literal>+</literal> and <literal>*</literal>
264   are not allowed in types. Reason: the uniform thing to do would be to make them type
265   variables, but that's not very useful.  A less uniform but more useful thing would be to
266   allow them to be type <emphasis>constructors</emphasis>.  But that gives trouble in export
267   lists.  So for now we just exclude them.
268   </para></listitem>
269
270 </itemizedlist>
271 </para>
272 </sect2>
273
274 <sect2 id="class-method-types">
275 <title>Class method types
276 </title>
277 <para>
278 Haskell 98 prohibits class method types to mention constraints on the
279 class type variable, thus:
280 <programlisting>
281   class Seq s a where
282     fromList :: [a] -> s a
283     elem     :: Eq a => a -> s a -> Bool
284 </programlisting>
285 The type of <literal>elem</literal> is illegal in Haskell 98, because it
286 contains the constraint <literal>Eq a</literal>, constrains only the 
287 class type variable (in this case <literal>a</literal>).
288 </para>
289 <para>
290 With the <option>-fglasgow-exts</option> GHC lifts this restriction.
291 </para>
292
293 </sect2>
294
295 <sect2 id="multi-param-type-classes">
296 <title>Multi-parameter type classes
297 </title>
298
299 <para>
300 This section documents GHC's implementation of multi-parameter type
301 classes.  There's lots of background in the paper <ULink
302 URL="http://research.microsoft.com/~simonpj/multi.ps.gz" >Type
303 classes: exploring the design space</ULink > (Simon Peyton Jones, Mark
304 Jones, Erik Meijer).
305 </para>
306
307 <para>
308 I'd like to thank people who reported shorcomings in the GHC 3.02
309 implementation.  Our default decisions were all conservative ones, and
310 the experience of these heroic pioneers has given useful concrete
311 examples to support several generalisations.  (These appear below as
312 design choices not implemented in 3.02.)
313 </para>
314
315 <para>
316 I've discussed these notes with Mark Jones, and I believe that Hugs
317 will migrate towards the same design choices as I outline here.
318 Thanks to him, and to many others who have offered very useful
319 feedback.
320 </para>
321
322 <sect3>
323 <title>Types</title>
324
325 <para>
326 There are the following restrictions on the form of a qualified
327 type:
328 </para>
329
330 <para>
331
332 <programlisting>
333   forall tv1..tvn (c1, ...,cn) => type
334 </programlisting>
335
336 </para>
337
338 <para>
339 (Here, I write the "foralls" explicitly, although the Haskell source
340 language omits them; in Haskell 1.4, all the free type variables of an
341 explicit source-language type signature are universally quantified,
342 except for the class type variables in a class declaration.  However,
343 in GHC, you can give the foralls if you want.  See <xref LinkEnd="universal-quantification">).
344 </para>
345
346 <para>
347
348 <OrderedList>
349 <listitem>
350
351 <para>
352  <emphasis>Each universally quantified type variable
353 <literal>tvi</literal> must be mentioned (i.e. appear free) in <literal>type</literal></emphasis>.
354
355 The reason for this is that a value with a type that does not obey
356 this restriction could not be used without introducing
357 ambiguity. Here, for example, is an illegal type:
358
359
360 <programlisting>
361   forall a. Eq a => Int
362 </programlisting>
363
364
365 When a value with this type was used, the constraint <literal>Eq tv</literal>
366 would be introduced where <literal>tv</literal> is a fresh type variable, and
367 (in the dictionary-translation implementation) the value would be
368 applied to a dictionary for <literal>Eq tv</literal>.  The difficulty is that we
369 can never know which instance of <literal>Eq</literal> to use because we never
370 get any more information about <literal>tv</literal>.
371
372 </para>
373 </listitem>
374 <listitem>
375
376 <para>
377  <emphasis>Every constraint <literal>ci</literal> must mention at least one of the
378 universally quantified type variables <literal>tvi</literal></emphasis>.
379
380 For example, this type is OK because <literal>C a b</literal> mentions the
381 universally quantified type variable <literal>b</literal>:
382
383
384 <programlisting>
385   forall a. C a b => burble
386 </programlisting>
387
388
389 The next type is illegal because the constraint <literal>Eq b</literal> does not
390 mention <literal>a</literal>:
391
392
393 <programlisting>
394   forall a. Eq b => burble
395 </programlisting>
396
397
398 The reason for this restriction is milder than the other one.  The
399 excluded types are never useful or necessary (because the offending
400 context doesn't need to be witnessed at this point; it can be floated
401 out).  Furthermore, floating them out increases sharing. Lastly,
402 excluding them is a conservative choice; it leaves a patch of
403 territory free in case we need it later.
404
405 </para>
406 </listitem>
407
408 </OrderedList>
409
410 </para>
411
412 <para>
413 These restrictions apply to all types, whether declared in a type signature
414 or inferred.
415 </para>
416
417 <para>
418 Unlike Haskell 1.4, constraints in types do <emphasis>not</emphasis> have to be of
419 the form <emphasis>(class type-variables)</emphasis>.  Thus, these type signatures
420 are perfectly OK
421 </para>
422
423 <para>
424
425 <programlisting>
426   f :: Eq (m a) => [m a] -> [m a]
427   g :: Eq [a] => ...
428 </programlisting>
429
430 </para>
431
432 <para>
433 This choice recovers principal types, a property that Haskell 1.4 does not have.
434 </para>
435
436 </sect3>
437
438 <sect3>
439 <title>Class declarations</title>
440
441 <para>
442
443 <OrderedList>
444 <listitem>
445
446 <para>
447  <emphasis>Multi-parameter type classes are permitted</emphasis>. For example:
448
449
450 <programlisting>
451   class Collection c a where
452     union :: c a -> c a -> c a
453     ...etc.
454 </programlisting>
455
456
457
458 </para>
459 </listitem>
460 <listitem>
461
462 <para>
463  <emphasis>The class hierarchy must be acyclic</emphasis>.  However, the definition
464 of "acyclic" involves only the superclass relationships.  For example,
465 this is OK:
466
467
468 <programlisting>
469   class C a where {
470     op :: D b => a -> b -> b
471   }
472
473   class C a => D a where { ... }
474 </programlisting>
475
476
477 Here, <literal>C</literal> is a superclass of <literal>D</literal>, but it's OK for a
478 class operation <literal>op</literal> of <literal>C</literal> to mention <literal>D</literal>.  (It
479 would not be OK for <literal>D</literal> to be a superclass of <literal>C</literal>.)
480
481 </para>
482 </listitem>
483 <listitem>
484
485 <para>
486  <emphasis>There are no restrictions on the context in a class declaration
487 (which introduces superclasses), except that the class hierarchy must
488 be acyclic</emphasis>.  So these class declarations are OK:
489
490
491 <programlisting>
492   class Functor (m k) => FiniteMap m k where
493     ...
494
495   class (Monad m, Monad (t m)) => Transform t m where
496     lift :: m a -> (t m) a
497 </programlisting>
498
499
500 </para>
501 </listitem>
502 <listitem>
503
504 <para>
505  <emphasis>In the signature of a class operation, every constraint
506 must mention at least one type variable that is not a class type
507 variable</emphasis>.
508
509 Thus:
510
511
512 <programlisting>
513   class Collection c a where
514     mapC :: Collection c b => (a->b) -> c a -> c b
515 </programlisting>
516
517
518 is OK because the constraint <literal>(Collection a b)</literal> mentions
519 <literal>b</literal>, even though it also mentions the class variable
520 <literal>a</literal>.  On the other hand:
521
522
523 <programlisting>
524   class C a where
525     op :: Eq a => (a,b) -> (a,b)
526 </programlisting>
527
528
529 is not OK because the constraint <literal>(Eq a)</literal> mentions on the class
530 type variable <literal>a</literal>, but not <literal>b</literal>.  However, any such
531 example is easily fixed by moving the offending context up to the
532 superclass context:
533
534
535 <programlisting>
536   class Eq a => C a where
537     op ::(a,b) -> (a,b)
538 </programlisting>
539
540
541 A yet more relaxed rule would allow the context of a class-op signature
542 to mention only class type variables.  However, that conflicts with
543 Rule 1(b) for types above.
544
545 </para>
546 </listitem>
547 <listitem>
548
549 <para>
550  <emphasis>The type of each class operation must mention <emphasis>all</emphasis> of
551 the class type variables</emphasis>.  For example:
552
553
554 <programlisting>
555   class Coll s a where
556     empty  :: s
557     insert :: s -> a -> s
558 </programlisting>
559
560
561 is not OK, because the type of <literal>empty</literal> doesn't mention
562 <literal>a</literal>.  This rule is a consequence of Rule 1(a), above, for
563 types, and has the same motivation.
564
565 Sometimes, offending class declarations exhibit misunderstandings.  For
566 example, <literal>Coll</literal> might be rewritten
567
568
569 <programlisting>
570   class Coll s a where
571     empty  :: s a
572     insert :: s a -> a -> s a
573 </programlisting>
574
575
576 which makes the connection between the type of a collection of
577 <literal>a</literal>'s (namely <literal>(s a)</literal>) and the element type <literal>a</literal>.
578 Occasionally this really doesn't work, in which case you can split the
579 class like this:
580
581
582 <programlisting>
583   class CollE s where
584     empty  :: s
585
586   class CollE s => Coll s a where
587     insert :: s -> a -> s
588 </programlisting>
589
590
591 </para>
592 </listitem>
593
594 </OrderedList>
595
596 </para>
597
598 </sect3>
599
600 <sect3 id="instance-decls">
601 <title>Instance declarations</title>
602
603 <para>
604
605 <OrderedList>
606 <listitem>
607
608 <para>
609  <emphasis>Instance declarations may not overlap</emphasis>.  The two instance
610 declarations
611
612
613 <programlisting>
614   instance context1 => C type1 where ...
615   instance context2 => C type2 where ...
616 </programlisting>
617
618
619 "overlap" if <literal>type1</literal> and <literal>type2</literal> unify
620
621 However, if you give the command line option
622 <option>-fallow-overlapping-instances</option><indexterm><primary>-fallow-overlapping-instances
623 option</primary></indexterm> then overlapping instance declarations are permitted.
624 However, GHC arranges never to commit to using an instance declaration
625 if another instance declaration also applies, either now or later.
626
627 <itemizedlist>
628 <listitem>
629
630 <para>
631  EITHER <literal>type1</literal> and <literal>type2</literal> do not unify
632 </para>
633 </listitem>
634 <listitem>
635
636 <para>
637  OR <literal>type2</literal> is a substitution instance of <literal>type1</literal>
638 (but not identical to <literal>type1</literal>), or vice versa.
639 </para>
640 </listitem>
641 </itemizedlist>
642 Notice that these rules
643 <itemizedlist>
644 <listitem>
645
646 <para>
647  make it clear which instance decl to use
648 (pick the most specific one that matches)
649
650 </para>
651 </listitem>
652 <listitem>
653
654 <para>
655  do not mention the contexts <literal>context1</literal>, <literal>context2</literal>
656 Reason: you can pick which instance decl
657 "matches" based on the type.
658 </para>
659 </listitem>
660
661 </itemizedlist>
662 However the rules are over-conservative.  Two instance declarations can overlap,
663 but it can still be clear in particular situations which to use.  For example:
664 <programlisting>
665   instance C (Int,a) where ...
666   instance C (a,Bool) where ...
667 </programlisting>
668 These are rejected by GHC's rules, but it is clear what to do when trying
669 to solve the constraint <literal>C (Int,Int)</literal> because the second instance
670 cannot apply.  Yell if this restriction bites you.
671 </para>
672 <para>
673 GHC is also conservative about committing to an overlapping instance.  For example:
674 <programlisting>
675   class C a where { op :: a -> a }
676   instance C [Int] where ...
677   instance C a => C [a] where ...
678   
679   f :: C b => [b] -> [b]
680   f x = op x
681 </programlisting>
682 From the RHS of f we get the constraint <literal>C [b]</literal>.  But
683 GHC does not commit to the second instance declaration, because in a paricular
684 call of f, b might be instantiate to Int, so the first instance declaration
685 would be appropriate.  So GHC rejects the program.  If you add <option>-fallow-incoherent-instances</option>
686 GHC will instead silently pick the second instance, without complaining about 
687 the problem of subsequent instantiations.
688 </para>
689 <para>
690 Regrettably, GHC doesn't guarantee to detect overlapping instance
691 declarations if they appear in different modules.  GHC can "see" the
692 instance declarations in the transitive closure of all the modules
693 imported by the one being compiled, so it can "see" all instance decls
694 when it is compiling <literal>Main</literal>.  However, it currently chooses not
695 to look at ones that can't possibly be of use in the module currently
696 being compiled, in the interests of efficiency.  (Perhaps we should
697 change that decision, at least for <literal>Main</literal>.)
698
699 </para>
700 </listitem>
701 <listitem>
702
703 <para>
704  <emphasis>There are no restrictions on the type in an instance
705 <emphasis>head</emphasis>, except that at least one must not be a type variable</emphasis>.
706 The instance "head" is the bit after the "=>" in an instance decl. For
707 example, these are OK:
708
709
710 <programlisting>
711   instance C Int a where ...
712
713   instance D (Int, Int) where ...
714
715   instance E [[a]] where ...
716 </programlisting>
717
718
719 Note that instance heads <emphasis>may</emphasis> contain repeated type variables.
720 For example, this is OK:
721
722
723 <programlisting>
724   instance Stateful (ST s) (MutVar s) where ...
725 </programlisting>
726
727
728 The "at least one not a type variable" restriction is to ensure that
729 context reduction terminates: each reduction step removes one type
730 constructor.  For example, the following would make the type checker
731 loop if it wasn't excluded:
732
733
734 <programlisting>
735   instance C a => C a where ...
736 </programlisting>
737
738
739 There are two situations in which the rule is a bit of a pain. First,
740 if one allows overlapping instance declarations then it's quite
741 convenient to have a "default instance" declaration that applies if
742 something more specific does not:
743
744
745 <programlisting>
746   instance C a where
747     op = ... -- Default
748 </programlisting>
749
750
751 Second, sometimes you might want to use the following to get the
752 effect of a "class synonym":
753
754
755 <programlisting>
756   class (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
757
758   instance (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
759 </programlisting>
760
761
762 This allows you to write shorter signatures:
763
764
765 <programlisting>
766   f :: C a => ...
767 </programlisting>
768
769
770 instead of
771
772
773 <programlisting>
774   f :: (C1 a, C2 a, C3 a) => ...
775 </programlisting>
776
777
778 I'm on the lookout for a simple rule that preserves decidability while
779 allowing these idioms.  The experimental flag
780 <option>-fallow-undecidable-instances</option><indexterm><primary>-fallow-undecidable-instances
781 option</primary></indexterm> lifts this restriction, allowing all the types in an
782 instance head to be type variables.
783
784 </para>
785 </listitem>
786 <listitem>
787
788 <para>
789  <emphasis>Unlike Haskell 1.4, instance heads may use type
790 synonyms</emphasis>.  As always, using a type synonym is just shorthand for
791 writing the RHS of the type synonym definition.  For example:
792
793
794 <programlisting>
795   type Point = (Int,Int)
796   instance C Point   where ...
797   instance C [Point] where ...
798 </programlisting>
799
800
801 is legal.  However, if you added
802
803
804 <programlisting>
805   instance C (Int,Int) where ...
806 </programlisting>
807
808
809 as well, then the compiler will complain about the overlapping
810 (actually, identical) instance declarations.  As always, type synonyms
811 must be fully applied.  You cannot, for example, write:
812
813
814 <programlisting>
815   type P a = [[a]]
816   instance Monad P where ...
817 </programlisting>
818
819
820 This design decision is independent of all the others, and easily
821 reversed, but it makes sense to me.
822
823 </para>
824 </listitem>
825 <listitem>
826
827 <para>
828 <emphasis>The types in an instance-declaration <emphasis>context</emphasis> must all
829 be type variables</emphasis>. Thus
830
831
832 <programlisting>
833 instance C a b => Eq (a,b) where ...
834 </programlisting>
835
836
837 is OK, but
838
839
840 <programlisting>
841 instance C Int b => Foo b where ...
842 </programlisting>
843
844
845 is not OK.  Again, the intent here is to make sure that context
846 reduction terminates.
847
848 Voluminous correspondence on the Haskell mailing list has convinced me
849 that it's worth experimenting with a more liberal rule.  If you use
850 the flag <option>-fallow-undecidable-instances</option> can use arbitrary
851 types in an instance context.  Termination is ensured by having a
852 fixed-depth recursion stack.  If you exceed the stack depth you get a
853 sort of backtrace, and the opportunity to increase the stack depth
854 with <option>-fcontext-stack</option><emphasis>N</emphasis>.
855
856 </para>
857 </listitem>
858
859 </OrderedList>
860
861 </para>
862
863 </sect3>
864
865 </sect2>
866
867 <sect2 id="implicit-parameters">
868 <title>Implicit parameters
869 </title>
870
871 <para> Implicit paramters are implemented as described in 
872 "Implicit parameters: dynamic scoping with static types", 
873 J Lewis, MB Shields, E Meijer, J Launchbury,
874 27th ACM Symposium on Principles of Programming Languages (POPL'00),
875 Boston, Jan 2000.
876 </para>
877 <para>(Most of the following, stil rather incomplete, documentation is due to Jeff Lewis.)</para>
878 <para>
879 A variable is called <emphasis>dynamically bound</emphasis> when it is bound by the calling
880 context of a function and <emphasis>statically bound</emphasis> when bound by the callee's
881 context. In Haskell, all variables are statically bound. Dynamic
882 binding of variables is a notion that goes back to Lisp, but was later
883 discarded in more modern incarnations, such as Scheme. Dynamic binding
884 can be very confusing in an untyped language, and unfortunately, typed
885 languages, in particular Hindley-Milner typed languages like Haskell,
886 only support static scoping of variables.
887 </para>
888 <para>
889 However, by a simple extension to the type class system of Haskell, we
890 can support dynamic binding. Basically, we express the use of a
891 dynamically bound variable as a constraint on the type. These
892 constraints lead to types of the form <literal>(?x::t') => t</literal>, which says "this
893 function uses a dynamically-bound variable <literal>?x</literal> 
894 of type <literal>t'</literal>". For
895 example, the following expresses the type of a sort function,
896 implicitly parameterized by a comparison function named <literal>cmp</literal>.
897 <programlisting>
898   sort :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
899 </programlisting>
900 The dynamic binding constraints are just a new form of predicate in the type class system.
901 </para>
902 <para>
903 An implicit parameter is introduced by the special form <literal>?x</literal>, 
904 where <literal>x</literal> is
905 any valid identifier. Use if this construct also introduces new
906 dynamic binding constraints. For example, the following definition
907 shows how we can define an implicitly parameterized sort function in
908 terms of an explicitly parameterized <literal>sortBy</literal> function:
909 <programlisting>
910   sortBy :: (a -> a -> Bool) -> [a] -> [a]
911
912   sort   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
913   sort    = sortBy ?cmp
914 </programlisting>
915 Dynamic binding constraints behave just like other type class
916 constraints in that they are automatically propagated. Thus, when a
917 function is used, its implicit parameters are inherited by the
918 function that called it. For example, our <literal>sort</literal> function might be used
919 to pick out the least value in a list:
920 <programlisting>
921   least   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> a
922   least xs = fst (sort xs)
923 </programlisting>
924 Without lifting a finger, the <literal>?cmp</literal> parameter is
925 propagated to become a parameter of <literal>least</literal> as well. With explicit
926 parameters, the default is that parameters must always be explicit
927 propagated. With implicit parameters, the default is to always
928 propagate them.
929 </para>
930 <para>
931 An implicit parameter differs from other type class constraints in the
932 following way: All uses of a particular implicit parameter must have
933 the same type. This means that the type of <literal>(?x, ?x)</literal> 
934 is <literal>(?x::a) => (a,a)</literal>, and not 
935 <literal>(?x::a, ?x::b) => (a, b)</literal>, as would be the case for type
936 class constraints.
937 </para>
938 <para>
939 An implicit parameter is bound using an expression of the form 
940 <emphasis>expr</emphasis> <literal>with</literal> <emphasis>binds</emphasis>, 
941 where <literal>with</literal> is a new keyword. This form binds the implicit
942 parameters arising in the body, not the free variables as a <literal>let</literal> or
943 <literal>where</literal> would do. For example, we define the <literal>min</literal> function by binding
944 <literal>cmp</literal>.
945 <programlisting>
946   min :: [a] -> a
947   min  = least with ?cmp = (<=)
948 </programlisting>
949 Syntactically, the <emphasis>binds</emphasis> part of a <literal>with</literal> construct must be a
950 collection of simple bindings to variables (no function-style
951 bindings, and no type signatures); these bindings are neither
952 polymorphic or recursive.
953 </para>
954 <para>
955 Note the following additional constraints:
956 <itemizedlist>
957 <listitem>
958 <para> You can't have an implicit parameter in the context of a class or instance
959 declaration.  For example, both these declarations are illegal:
960 <programlisting>
961   class (?x::Int) => C a where ...
962   instance (?x::a) => Foo [a] where ...
963 </programlisting>
964 Reason: exactly which implicit parameter you pick up depends on exactly where
965 you invoke a function. But the ``invocation'' of instance declarations is done
966 behind the scenes by the compiler, so it's hard to figure out exactly where it is done.
967 Easiest thing is to outlaw the offending types.</para>
968 </listitem>
969 </itemizedlist>
970 </para>
971
972 </sect2>
973
974 <sect2 id="linear-implicit-parameters">
975 <title>Linear implicit parameters
976 </title>
977 <para>
978 Linear implicit parameters are an idea developed by Koen Claessen,
979 Mark Shields, and Simon PJ.  They address the long-standing
980 problem that monads seem over-kill for certain sorts of problem, notably:
981 </para>
982 <itemizedlist>
983 <listitem> <para> distributing a supply of unique names </para> </listitem>
984 <listitem> <para> distributing a suppply of random numbers </para> </listitem>
985 <listitem> <para> distributing an oracle (as in QuickCheck) </para> </listitem>
986 </itemizedlist>
987
988 <para>
989 Linear implicit parameters are just like ordinary implicit parameters,
990 except that they are "linear" -- that is, they cannot be copied, and
991 must be explicitly "split" instead.  Linear implicit parameters are
992 written '<literal>%x</literal>' instead of '<literal>?x</literal>'.  
993 (The '/' in the '%' suggests the split!)
994 </para>
995 <para>
996 For example:
997 <programlisting>
998     import GHC.Exts( Splittable )
999
1000     data NameSupply = ...
1001     
1002     splitNS :: NameSupply -> (NameSupply, NameSupply)
1003     newName :: NameSupply -> Name
1004
1005     instance Splittable NameSupply where
1006         split = splitNS
1007
1008
1009     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
1010     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
1011                     where
1012                       x'   = newName %ns
1013                       env' = extend env x x'
1014     ...more equations for f...
1015 </programlisting>
1016 Notice that the implicit parameter %ns is consumed 
1017 <itemizedlist>
1018 <listitem> <para> once by the call to <literal>newName</literal> </para> </listitem>
1019 <listitem> <para> once by the recursive call to <literal>f</literal> </para></listitem>
1020 </itemizedlist>
1021 </para>
1022 <para>
1023 So the translation done by the type checker makes
1024 the parameter explicit:
1025 <programlisting>
1026     f :: NameSupply -> Env -> Expr -> Expr
1027     f ns env (Lam x e) = Lam x' (f ns1 env e)
1028                        where
1029                          (ns1,ns2) = splitNS ns
1030                          x' = newName ns2
1031                          env = extend env x x'
1032 </programlisting>
1033 Notice the call to 'split' introduced by the type checker.
1034 How did it know to use 'splitNS'?  Because what it really did
1035 was to introduce a call to the overloaded function 'split',
1036 defined by the class <literal>Splittable</literal>:
1037 <programlisting>
1038         class Splittable a where
1039           split :: a -> (a,a)
1040 </programlisting>
1041 The instance for <literal>Splittable NameSupply</literal> tells GHC how to implement
1042 split for name supplies.  But we can simply write
1043 <programlisting>
1044         g x = (x, %ns, %ns)
1045 </programlisting>
1046 and GHC will infer
1047 <programlisting>
1048         g :: (Splittable a, %ns :: a) => b -> (b,a,a)
1049 </programlisting>
1050 The <literal>Splittable</literal> class is built into GHC.  It's exported by module 
1051 <literal>GHC.Exts</literal>.
1052 </para>
1053 <para>
1054 Other points:
1055 <itemizedlist>
1056 <listitem> <para> '<literal>?x</literal>' and '<literal>%x</literal>' 
1057 are entirely distinct implicit parameters: you 
1058   can use them together and they won't intefere with each other. </para>
1059 </listitem>
1060
1061 <listitem> <para> You can bind linear implicit parameters in 'with' clauses. </para> </listitem>
1062
1063 <listitem> <para>You cannot have implicit parameters (whether linear or not)
1064   in the context of a class or instance declaration. </para></listitem>
1065 </itemizedlist>
1066 </para>
1067
1068 <sect3><title>Warnings</title>
1069
1070 <para>
1071 The monomorphism restriction is even more important than usual.
1072 Consider the example above:
1073 <programlisting>
1074     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
1075     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
1076                     where
1077                       x'   = newName %ns
1078                       env' = extend env x x'
1079 </programlisting>
1080 If we replaced the two occurrences of x' by (newName %ns), which is
1081 usually a harmless thing to do, we get:
1082 <programlisting>
1083     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
1084     f env (Lam x e) = Lam (newName %ns) (f env e)
1085                     where
1086                       env' = extend env x (newName %ns)
1087 </programlisting>
1088 But now the name supply is consumed in <emphasis>three</emphasis> places
1089 (the two calls to newName,and the recursive call to f), so
1090 the result is utterly different.  Urk!  We don't even have 
1091 the beta rule.
1092 </para>
1093 <para>
1094 Well, this is an experimental change.  With implicit
1095 parameters we have already lost beta reduction anyway, and
1096 (as John Launchbury puts it) we can't sensibly reason about
1097 Haskell programs without knowing their typing.
1098 </para>
1099
1100 </sect3>
1101
1102 </sect2>
1103
1104 <sect2 id="functional-dependencies">
1105 <title>Functional dependencies
1106 </title>
1107
1108 <para> Functional dependencies are implemented as described by Mark Jones
1109 in "Type Classes with Functional Dependencies", Mark P. Jones, 
1110 In Proceedings of the 9th European Symposium on Programming, 
1111 ESOP 2000, Berlin, Germany, March 2000, Springer-Verlag LNCS 1782.
1112 </para>
1113
1114 <para>
1115 There should be more documentation, but there isn't (yet).  Yell if you need it.
1116 </para>
1117 </sect2>
1118
1119
1120 <sect2 id="universal-quantification">
1121 <title>Arbitrary-rank polymorphism
1122 </title>
1123
1124 <para>
1125 Haskell type signatures are implicitly quantified.  The new keyword <literal>forall</literal>
1126 allows us to say exactly what this means.  For example:
1127 </para>
1128 <para>
1129 <programlisting>
1130         g :: b -> b
1131 </programlisting>
1132 means this:
1133 <programlisting>
1134         g :: forall b. (b -> b)
1135 </programlisting>
1136 The two are treated identically.
1137 </para>
1138
1139 <para>
1140 However, GHC's type system supports <emphasis>arbitrary-rank</emphasis> 
1141 explicit universal quantification in
1142 types. 
1143 For example, all the following types are legal:
1144 <programlisting>
1145     f1 :: forall a b. a -> b -> a
1146     g1 :: forall a b. (Ord a, Eq  b) => a -> b -> a
1147
1148     f2 :: (forall a. a->a) -> Int -> Int
1149     g2 :: (forall a. Eq a => [a] -> a -> Bool) -> Int -> Int
1150
1151     f3 :: ((forall a. a->a) -> Int) -> Bool -> Bool
1152 </programlisting>
1153 Here, <literal>f1</literal> and <literal>g1</literal> are rank-1 types, and
1154 can be written in standard Haskell (e.g. <literal>f1 :: a->b->a</literal>).
1155 The <literal>forall</literal> makes explicit the universal quantification that
1156 is implicitly added by Haskell.
1157 </para>
1158 <para>
1159 The functions <literal>f2</literal> and <literal>g2</literal> have rank-2 types;
1160 the <literal>forall</literal> is on the left of a function arrrow.  As <literal>g2</literal>
1161 shows, the polymorphic type on the left of the function arrow can be overloaded.
1162 </para>
1163 <para>
1164 The functions <literal>f3</literal> and <literal>g3</literal> have rank-3 types;
1165 they have rank-2 types on the left of a function arrow.
1166 </para>
1167 <para>
1168 GHC allows types of arbitrary rank; you can nest <literal>forall</literal>s
1169 arbitrarily deep in function arrows.   (GHC used to be restricted to rank 2, but
1170 that restriction has now been lifted.)
1171 In particular, a forall-type (also called a "type scheme"),
1172 including an operational type class context, is legal:
1173 <itemizedlist>
1174 <listitem> <para> On the left of a function arrow </para> </listitem>
1175 <listitem> <para> On the right of a function arrow (see <xref linkend="hoist">) </para> </listitem>
1176 <listitem> <para> As the argument of a constructor, or type of a field, in a data type declaration. For
1177 example, any of the <literal>f1,f2,f3,g1,g2,g3</literal> above would be valid
1178 field type signatures.</para> </listitem>
1179 <listitem> <para> As the type of an implicit parameter </para> </listitem>
1180 <listitem> <para> In a pattern type signature (see <xref linkend="scoped-type-variables">) </para> </listitem>
1181 </itemizedlist>
1182 There is one place you cannot put a <literal>forall</literal>:
1183 you cannot instantiate a type variable with a forall-type.  So you cannot 
1184 make a forall-type the argument of a type constructor.  So these types are illegal:
1185 <programlisting>
1186     x1 :: [forall a. a->a]
1187     x2 :: (forall a. a->a, Int)
1188     x3 :: Maybe (forall a. a->a)
1189 </programlisting>
1190 Of course <literal>forall</literal> becomes a keyword; you can't use <literal>forall</literal> as
1191 a type variable any more!
1192 </para>
1193
1194
1195 <sect3 id="univ">
1196 <title>Examples
1197 </title>
1198
1199 <para>
1200 In a <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal> declaration one can quantify
1201 the types of the constructor arguments.  Here are several examples:
1202 </para>
1203
1204 <para>
1205
1206 <programlisting>
1207 data T a = T1 (forall b. b -> b -> b) a
1208
1209 data MonadT m = MkMonad { return :: forall a. a -> m a,
1210                           bind   :: forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b
1211                         }
1212
1213 newtype Swizzle = MkSwizzle (Ord a => [a] -> [a])
1214 </programlisting>
1215
1216 </para>
1217
1218 <para>
1219 The constructors have rank-2 types:
1220 </para>
1221
1222 <para>
1223
1224 <programlisting>
1225 T1 :: forall a. (forall b. b -> b -> b) -> a -> T a
1226 MkMonad :: forall m. (forall a. a -> m a)
1227                   -> (forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b)
1228                   -> MonadT m
1229 MkSwizzle :: (Ord a => [a] -> [a]) -> Swizzle
1230 </programlisting>
1231
1232 </para>
1233
1234 <para>
1235 Notice that you don't need to use a <literal>forall</literal> if there's an
1236 explicit context.  For example in the first argument of the
1237 constructor <function>MkSwizzle</function>, an implicit "<literal>forall a.</literal>" is
1238 prefixed to the argument type.  The implicit <literal>forall</literal>
1239 quantifies all type variables that are not already in scope, and are
1240 mentioned in the type quantified over.
1241 </para>
1242
1243 <para>
1244 As for type signatures, implicit quantification happens for non-overloaded
1245 types too.  So if you write this:
1246
1247 <programlisting>
1248   data T a = MkT (Either a b) (b -> b)
1249 </programlisting>
1250
1251 it's just as if you had written this:
1252
1253 <programlisting>
1254   data T a = MkT (forall b. Either a b) (forall b. b -> b)
1255 </programlisting>
1256
1257 That is, since the type variable <literal>b</literal> isn't in scope, it's
1258 implicitly universally quantified.  (Arguably, it would be better
1259 to <emphasis>require</emphasis> explicit quantification on constructor arguments
1260 where that is what is wanted.  Feedback welcomed.)
1261 </para>
1262
1263 <para>
1264 You construct values of types <literal>T1, MonadT, Swizzle</literal> by applying
1265 the constructor to suitable values, just as usual.  For example,
1266 </para>
1267
1268 <para>
1269
1270 <programlisting>
1271     a1 :: T Int
1272     a1 = T1 (\xy->x) 3
1273     
1274     a2, a3 :: Swizzle
1275     a2 = MkSwizzle sort
1276     a3 = MkSwizzle reverse
1277     
1278     a4 :: MonadT Maybe
1279     a4 = let r x = Just x
1280              b m k = case m of
1281                        Just y -> k y
1282                        Nothing -> Nothing
1283          in
1284          MkMonad r b
1285
1286     mkTs :: (forall b. b -> b -> b) -> a -> [T a]
1287     mkTs f x y = [T1 f x, T1 f y]
1288 </programlisting>
1289
1290 </para>
1291
1292 <para>
1293 The type of the argument can, as usual, be more general than the type
1294 required, as <literal>(MkSwizzle reverse)</literal> shows.  (<function>reverse</function>
1295 does not need the <literal>Ord</literal> constraint.)
1296 </para>
1297
1298 <para>
1299 When you use pattern matching, the bound variables may now have
1300 polymorphic types.  For example:
1301 </para>
1302
1303 <para>
1304
1305 <programlisting>
1306     f :: T a -> a -> (a, Char)
1307     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
1308
1309     g :: (Ord a, Ord b) => Swizzle -> [a] -> (a -> b) -> [b]
1310     g (MkSwizzle s) xs f = s (map f (s xs))
1311
1312     h :: MonadT m -> [m a] -> m [a]
1313     h m [] = return m []
1314     h m (x:xs) = bind m x          $ \y ->
1315                  bind m (h m xs)   $ \ys ->
1316                  return m (y:ys)
1317 </programlisting>
1318
1319 </para>
1320
1321 <para>
1322 In the function <function>h</function> we use the record selectors <literal>return</literal>
1323 and <literal>bind</literal> to extract the polymorphic bind and return functions
1324 from the <literal>MonadT</literal> data structure, rather than using pattern
1325 matching.
1326 </para>
1327 </sect3>
1328
1329 <sect3>
1330 <title>Type inference</title>
1331
1332 <para>
1333 In general, type inference for arbitrary-rank types is undecideable.
1334 GHC uses an algorithm proposed by Odersky and Laufer ("Putting type annotations to work", POPL'96)
1335 to get a decidable algorithm by requiring some help from the programmer.
1336 We do not yet have a formal specification of "some help" but the rule is this:
1337 </para>
1338 <para>
1339 <emphasis>For a lambda-bound or case-bound variable, x, either the programmer
1340 provides an explicit polymorphic type for x, or GHC's type inference will assume
1341 that x's type has no foralls in it</emphasis>.
1342 </para>
1343 <para>
1344 What does it mean to "provide" an explicit type for x?  You can do that by 
1345 giving a type signature for x directly, using a pattern type signature
1346 (<xref linkend="scoped-type-variables">), thus:
1347 <programlisting>
1348      \ f :: (forall a. a->a) -> (f True, f 'c')
1349 </programlisting>
1350 Alternatively, you can give a type signature to the enclosing
1351 context, which GHC can "push down" to find the type for the variable:
1352 <programlisting>
1353      (\ f -> (f True, f 'c')) :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
1354 </programlisting>
1355 Here the type signature on the expression can be pushed inwards
1356 to give a type signature for f.  Similarly, and more commonly,
1357 one can give a type signature for the function itself:
1358 <programlisting>
1359      h :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
1360      h f = (f True, f 'c')
1361 </programlisting>
1362 You don't need to give a type signature if the lambda bound variable
1363 is a constructor argument.  Here is an example we saw earlier:
1364 <programlisting>
1365     f :: T a -> a -> (a, Char)
1366     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
1367 </programlisting>
1368 Here we do not need to give a type signature to <literal>w</literal>, because
1369 it is an argument of constructor <literal>T1</literal> and that tells GHC all
1370 it needs to know.
1371 </para>
1372
1373 </sect3>
1374
1375
1376 <sect3 id="implicit-quant">
1377 <title>Implicit quantification</title>
1378
1379 <para>
1380 GHC performs implicit quantification as follows.  <emphasis>At the top level (only) of 
1381 user-written types, if and only if there is no explicit <literal>forall</literal>,
1382 GHC finds all the type variables mentioned in the type that are not already
1383 in scope, and universally quantifies them.</emphasis>  For example, the following pairs are 
1384 equivalent:
1385 <programlisting>
1386   f :: a -> a
1387   f :: forall a. a -> a
1388
1389   g (x::a) = let
1390                 h :: a -> b -> b
1391                 h x y = y
1392              in ...
1393   g (x::a) = let
1394                 h :: forall b. a -> b -> b
1395                 h x y = y
1396              in ...
1397 </programlisting>
1398 </para>
1399 <para>
1400 Notice that GHC does <emphasis>not</emphasis> find the innermost possible quantification
1401 point.  For example:
1402 <programlisting>
1403   f :: (a -> a) -> Int
1404            -- MEANS
1405   f :: forall a. (a -> a) -> Int
1406            -- NOT
1407   f :: (forall a. a -> a) -> Int
1408
1409
1410   g :: (Ord a => a -> a) -> Int
1411            -- MEANS the illegal type
1412   g :: forall a. (Ord a => a -> a) -> Int
1413            -- NOT
1414   g :: (forall a. Ord a => a -> a) -> Int
1415 </programlisting>
1416 The latter produces an illegal type, which you might think is silly,
1417 but at least the rule is simple.  If you want the latter type, you
1418 can write your for-alls explicitly.  Indeed, doing so is strongly advised
1419 for rank-2 types.
1420 </para>
1421 </sect3>
1422 </sect2>
1423
1424 <sect2>
1425 <title>Liberalised type synonyms 
1426 </title>
1427
1428 <para>
1429 Type synonmys are like macros at the type level, and
1430 GHC does validity checking on types <emphasis>only after expanding type synonyms</emphasis>.
1431 That means that GHC can be very much more liberal about type synonyms than Haskell 98:
1432 <itemizedlist>
1433 <listitem> <para>You can write a <literal>forall</literal> (including overloading)
1434 in a type synonym, thus:
1435 <programlisting>
1436   type Discard a = forall b. Show b => a -> b -> (a, String)
1437
1438   f :: Discard a
1439   f x y = (x, show y)
1440
1441   g :: Discard Int -> (Int,Bool)    -- A rank-2 type
1442   g f = f Int True
1443 </programlisting>
1444 </para>
1445 </listitem>
1446
1447 <listitem><para>
1448 You can write an unboxed tuple in a type synonym:
1449 <programlisting>
1450   type Pr = (# Int, Int #)
1451
1452   h :: Int -> Pr
1453   h x = (# x, x #)
1454 </programlisting>
1455 </para></listitem>
1456
1457 <listitem><para>
1458 You can apply a type synonym to a forall type:
1459 <programlisting>
1460   type Foo a = a -> a -> Bool
1461  
1462   f :: Foo (forall b. b->b)
1463 </programlisting>
1464 After epxanding the synonym, <literal>f</literal> has the legal (in GHC) type:
1465 <programlisting>
1466   f :: (forall b. b->b) -> (forall b. b->b) -> Bool
1467 </programlisting>
1468 </para></listitem>
1469
1470 <listitem><para>
1471 You can apply a type synonym to a partially applied type synonym:
1472 <programlisting>
1473   type Generic i o = forall x. i x -> o x
1474   type Id x = x
1475   
1476   foo :: Generic Id []
1477 </programlisting>
1478 After epxanding the synonym, <literal>foo</literal> has the legal (in GHC) type:
1479 <programlisting>
1480   foo :: forall x. x -> [x]
1481 </programlisting>
1482 </para></listitem>
1483
1484 </itemizedlist>
1485 </para>
1486
1487 <para>
1488 GHC currently does kind checking before expanding synonyms (though even that
1489 could be changed.)
1490 </para>
1491 <para>
1492 After expanding type synonyms, GHC does validity checking on types, looking for
1493 the following mal-formedness which isn't detected simply by kind checking:
1494 <itemizedlist>
1495 <listitem><para>
1496 Type constructor applied to a type involving for-alls.
1497 </para></listitem>
1498 <listitem><para>
1499 Unboxed tuple on left of an arrow.
1500 </para></listitem>
1501 <listitem><para>
1502 Partially-applied type synonym.
1503 </para></listitem>
1504 </itemizedlist>
1505 So, for example,
1506 this will be rejected:
1507 <programlisting>
1508   type Pr = (# Int, Int #)
1509
1510   h :: Pr -> Int
1511   h x = ...
1512 </programlisting>
1513 because GHC does not allow  unboxed tuples on the left of a function arrow.
1514 </para>
1515 </sect2>
1516
1517 <sect2 id="hoist">
1518 <title>For-all hoisting</title>
1519 <para>
1520 It is often convenient to use generalised type synonyms at the right hand
1521 end of an arrow, thus:
1522 <programlisting>
1523   type Discard a = forall b. a -> b -> a
1524
1525   g :: Int -> Discard Int
1526   g x y z = x+y
1527 </programlisting>
1528 Simply expanding the type synonym would give
1529 <programlisting>
1530   g :: Int -> (forall b. Int -> b -> Int)
1531 </programlisting>
1532 but GHC "hoists" the <literal>forall</literal> to give the isomorphic type
1533 <programlisting>
1534   g :: forall b. Int -> Int -> b -> Int
1535 </programlisting>
1536 In general, the rule is this: <emphasis>to determine the type specified by any explicit
1537 user-written type (e.g. in a type signature), GHC expands type synonyms and then repeatedly
1538 performs the transformation:</emphasis>
1539 <programlisting>
1540   <emphasis>type1</emphasis> -> forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type2</emphasis>
1541 ==>
1542   forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type1</emphasis> -> <emphasis>type2</emphasis>
1543 </programlisting>
1544 (In fact, GHC tries to retain as much synonym information as possible for use in
1545 error messages, but that is a usability issue.)  This rule applies, of course, whether
1546 or not the <literal>forall</literal> comes from a synonym. For example, here is another
1547 valid way to write <literal>g</literal>'s type signature:
1548 <programlisting>
1549   g :: Int -> Int -> forall b. b -> Int
1550 </programlisting>
1551 </para>
1552 </sect2>
1553
1554
1555 <sect2 id="existential-quantification">
1556 <title>Existentially quantified data constructors
1557 </title>
1558
1559 <para>
1560 The idea of using existential quantification in data type declarations
1561 was suggested by Laufer (I believe, thought doubtless someone will
1562 correct me), and implemented in Hope+. It's been in Lennart
1563 Augustsson's <Command>hbc</Command> Haskell compiler for several years, and
1564 proved very useful.  Here's the idea.  Consider the declaration:
1565 </para>
1566
1567 <para>
1568
1569 <programlisting>
1570   data Foo = forall a. MkFoo a (a -> Bool)
1571            | Nil
1572 </programlisting>
1573
1574 </para>
1575
1576 <para>
1577 The data type <literal>Foo</literal> has two constructors with types:
1578 </para>
1579
1580 <para>
1581
1582 <programlisting>
1583   MkFoo :: forall a. a -> (a -> Bool) -> Foo
1584   Nil   :: Foo
1585 </programlisting>
1586
1587 </para>
1588
1589 <para>
1590 Notice that the type variable <literal>a</literal> in the type of <function>MkFoo</function>
1591 does not appear in the data type itself, which is plain <literal>Foo</literal>.
1592 For example, the following expression is fine:
1593 </para>
1594
1595 <para>
1596
1597 <programlisting>
1598   [MkFoo 3 even, MkFoo 'c' isUpper] :: [Foo]
1599 </programlisting>
1600
1601 </para>
1602
1603 <para>
1604 Here, <literal>(MkFoo 3 even)</literal> packages an integer with a function
1605 <function>even</function> that maps an integer to <literal>Bool</literal>; and <function>MkFoo 'c'
1606 isUpper</function> packages a character with a compatible function.  These
1607 two things are each of type <literal>Foo</literal> and can be put in a list.
1608 </para>
1609
1610 <para>
1611 What can we do with a value of type <literal>Foo</literal>?.  In particular,
1612 what happens when we pattern-match on <function>MkFoo</function>?
1613 </para>
1614
1615 <para>
1616
1617 <programlisting>
1618   f (MkFoo val fn) = ???
1619 </programlisting>
1620
1621 </para>
1622
1623 <para>
1624 Since all we know about <literal>val</literal> and <function>fn</function> is that they
1625 are compatible, the only (useful) thing we can do with them is to
1626 apply <function>fn</function> to <literal>val</literal> to get a boolean.  For example:
1627 </para>
1628
1629 <para>
1630
1631 <programlisting>
1632   f :: Foo -> Bool
1633   f (MkFoo val fn) = fn val
1634 </programlisting>
1635
1636 </para>
1637
1638 <para>
1639 What this allows us to do is to package heterogenous values
1640 together with a bunch of functions that manipulate them, and then treat
1641 that collection of packages in a uniform manner.  You can express
1642 quite a bit of object-oriented-like programming this way.
1643 </para>
1644
1645 <sect3 id="existential">
1646 <title>Why existential?
1647 </title>
1648
1649 <para>
1650 What has this to do with <emphasis>existential</emphasis> quantification?
1651 Simply that <function>MkFoo</function> has the (nearly) isomorphic type
1652 </para>
1653
1654 <para>
1655
1656 <programlisting>
1657   MkFoo :: (exists a . (a, a -> Bool)) -> Foo
1658 </programlisting>
1659
1660 </para>
1661
1662 <para>
1663 But Haskell programmers can safely think of the ordinary
1664 <emphasis>universally</emphasis> quantified type given above, thereby avoiding
1665 adding a new existential quantification construct.
1666 </para>
1667
1668 </sect3>
1669
1670 <sect3>
1671 <title>Type classes</title>
1672
1673 <para>
1674 An easy extension (implemented in <Command>hbc</Command>) is to allow
1675 arbitrary contexts before the constructor.  For example:
1676 </para>
1677
1678 <para>
1679
1680 <programlisting>
1681 data Baz = forall a. Eq a => Baz1 a a
1682          | forall b. Show b => Baz2 b (b -> b)
1683 </programlisting>
1684
1685 </para>
1686
1687 <para>
1688 The two constructors have the types you'd expect:
1689 </para>
1690
1691 <para>
1692
1693 <programlisting>
1694 Baz1 :: forall a. Eq a => a -> a -> Baz
1695 Baz2 :: forall b. Show b => b -> (b -> b) -> Baz
1696 </programlisting>
1697
1698 </para>
1699
1700 <para>
1701 But when pattern matching on <function>Baz1</function> the matched values can be compared
1702 for equality, and when pattern matching on <function>Baz2</function> the first matched
1703 value can be converted to a string (as well as applying the function to it).
1704 So this program is legal:
1705 </para>
1706
1707 <para>
1708
1709 <programlisting>
1710   f :: Baz -> String
1711   f (Baz1 p q) | p == q    = "Yes"
1712                | otherwise = "No"
1713   f (Baz2 v fn)            = show (fn v)
1714 </programlisting>
1715
1716 </para>
1717
1718 <para>
1719 Operationally, in a dictionary-passing implementation, the
1720 constructors <function>Baz1</function> and <function>Baz2</function> must store the
1721 dictionaries for <literal>Eq</literal> and <literal>Show</literal> respectively, and
1722 extract it on pattern matching.
1723 </para>
1724
1725 <para>
1726 Notice the way that the syntax fits smoothly with that used for
1727 universal quantification earlier.
1728 </para>
1729
1730 </sect3>
1731
1732 <sect3>
1733 <title>Restrictions</title>
1734
1735 <para>
1736 There are several restrictions on the ways in which existentially-quantified
1737 constructors can be use.
1738 </para>
1739
1740 <para>
1741
1742 <itemizedlist>
1743 <listitem>
1744
1745 <para>
1746  When pattern matching, each pattern match introduces a new,
1747 distinct, type for each existential type variable.  These types cannot
1748 be unified with any other type, nor can they escape from the scope of
1749 the pattern match.  For example, these fragments are incorrect:
1750
1751
1752 <programlisting>
1753 f1 (MkFoo a f) = a
1754 </programlisting>
1755
1756
1757 Here, the type bound by <function>MkFoo</function> "escapes", because <literal>a</literal>
1758 is the result of <function>f1</function>.  One way to see why this is wrong is to
1759 ask what type <function>f1</function> has:
1760
1761
1762 <programlisting>
1763   f1 :: Foo -> a             -- Weird!
1764 </programlisting>
1765
1766
1767 What is this "<literal>a</literal>" in the result type? Clearly we don't mean
1768 this:
1769
1770
1771 <programlisting>
1772   f1 :: forall a. Foo -> a   -- Wrong!
1773 </programlisting>
1774
1775
1776 The original program is just plain wrong.  Here's another sort of error
1777
1778
1779 <programlisting>
1780   f2 (Baz1 a b) (Baz1 p q) = a==q
1781 </programlisting>
1782
1783
1784 It's ok to say <literal>a==b</literal> or <literal>p==q</literal>, but
1785 <literal>a==q</literal> is wrong because it equates the two distinct types arising
1786 from the two <function>Baz1</function> constructors.
1787
1788
1789 </para>
1790 </listitem>
1791 <listitem>
1792
1793 <para>
1794 You can't pattern-match on an existentially quantified
1795 constructor in a <literal>let</literal> or <literal>where</literal> group of
1796 bindings. So this is illegal:
1797
1798
1799 <programlisting>
1800   f3 x = a==b where { Baz1 a b = x }
1801 </programlisting>
1802
1803
1804 You can only pattern-match
1805 on an existentially-quantified constructor in a <literal>case</literal> expression or
1806 in the patterns of a function definition.
1807
1808 The reason for this restriction is really an implementation one.
1809 Type-checking binding groups is already a nightmare without
1810 existentials complicating the picture.  Also an existential pattern
1811 binding at the top level of a module doesn't make sense, because it's
1812 not clear how to prevent the existentially-quantified type "escaping".
1813 So for now, there's a simple-to-state restriction.  We'll see how
1814 annoying it is.
1815
1816 </para>
1817 </listitem>
1818 <listitem>
1819
1820 <para>
1821 You can't use existential quantification for <literal>newtype</literal>
1822 declarations.  So this is illegal:
1823
1824
1825 <programlisting>
1826   newtype T = forall a. Ord a => MkT a
1827 </programlisting>
1828
1829
1830 Reason: a value of type <literal>T</literal> must be represented as a pair
1831 of a dictionary for <literal>Ord t</literal> and a value of type <literal>t</literal>.
1832 That contradicts the idea that <literal>newtype</literal> should have no
1833 concrete representation.  You can get just the same efficiency and effect
1834 by using <literal>data</literal> instead of <literal>newtype</literal>.  If there is no
1835 overloading involved, then there is more of a case for allowing
1836 an existentially-quantified <literal>newtype</literal>, because the <literal>data</literal>
1837 because the <literal>data</literal> version does carry an implementation cost,
1838 but single-field existentially quantified constructors aren't much
1839 use.  So the simple restriction (no existential stuff on <literal>newtype</literal>)
1840 stands, unless there are convincing reasons to change it.
1841
1842
1843 </para>
1844 </listitem>
1845 <listitem>
1846
1847 <para>
1848  You can't use <literal>deriving</literal> to define instances of a
1849 data type with existentially quantified data constructors.
1850
1851 Reason: in most cases it would not make sense. For example:&num;
1852
1853 <programlisting>
1854 data T = forall a. MkT [a] deriving( Eq )
1855 </programlisting>
1856
1857 To derive <literal>Eq</literal> in the standard way we would need to have equality
1858 between the single component of two <function>MkT</function> constructors:
1859
1860 <programlisting>
1861 instance Eq T where
1862   (MkT a) == (MkT b) = ???
1863 </programlisting>
1864
1865 But <VarName>a</VarName> and <VarName>b</VarName> have distinct types, and so can't be compared.
1866 It's just about possible to imagine examples in which the derived instance
1867 would make sense, but it seems altogether simpler simply to prohibit such
1868 declarations.  Define your own instances!
1869 </para>
1870 </listitem>
1871
1872 </itemizedlist>
1873
1874 </para>
1875
1876 </sect3>
1877
1878 </sect2>
1879
1880 <sect2 id="scoped-type-variables">
1881 <title>Scoped type variables
1882 </title>
1883
1884 <para>
1885 A <emphasis>pattern type signature</emphasis> can introduce a <emphasis>scoped type
1886 variable</emphasis>.  For example
1887 </para>
1888
1889 <para>
1890
1891 <programlisting>
1892 f (xs::[a]) = ys ++ ys
1893            where
1894               ys :: [a]
1895               ys = reverse xs
1896 </programlisting>
1897
1898 </para>
1899
1900 <para>
1901 The pattern <literal>(xs::[a])</literal> includes a type signature for <VarName>xs</VarName>.
1902 This brings the type variable <literal>a</literal> into scope; it scopes over
1903 all the patterns and right hand sides for this equation for <function>f</function>.
1904 In particular, it is in scope at the type signature for <VarName>y</VarName>.
1905 </para>
1906
1907 <para>
1908  Pattern type signatures are completely orthogonal to ordinary, separate
1909 type signatures.  The two can be used independently or together.
1910 At ordinary type signatures, such as that for <VarName>ys</VarName>, any type variables
1911 mentioned in the type signature <emphasis>that are not in scope</emphasis> are
1912 implicitly universally quantified.  (If there are no type variables in
1913 scope, all type variables mentioned in the signature are universally
1914 quantified, which is just as in Haskell 98.)  In this case, since <VarName>a</VarName>
1915 is in scope, it is not universally quantified, so the type of <VarName>ys</VarName> is
1916 the same as that of <VarName>xs</VarName>.  In Haskell 98 it is not possible to declare
1917 a type for <VarName>ys</VarName>; a major benefit of scoped type variables is that
1918 it becomes possible to do so.
1919 </para>
1920
1921 <para>
1922 Scoped type variables are implemented in both GHC and Hugs.  Where the
1923 implementations differ from the specification below, those differences
1924 are noted.
1925 </para>
1926
1927 <para>
1928 So much for the basic idea.  Here are the details.
1929 </para>
1930
1931 <sect3>
1932 <title>What a pattern type signature means</title>
1933 <para>
1934 A type variable brought into scope by a pattern type signature is simply
1935 the name for a type.   The restriction they express is that all occurrences
1936 of the same name mean the same type.  For example:
1937 <programlisting>
1938   f :: [Int] -> Int -> Int
1939   f (xs::[a]) (y::a) = (head xs + y) :: a
1940 </programlisting>
1941 The pattern type signatures on the left hand side of
1942 <literal>f</literal> express the fact that <literal>xs</literal>
1943 must be a list of things of some type <literal>a</literal>; and that <literal>y</literal>
1944 must have this same type.  The type signature on the expression <literal>(head xs)</literal>
1945 specifies that this expression must have the same type <literal>a</literal>.
1946 <emphasis>There is no requirement that the type named by "<literal>a</literal>" is
1947 in fact a type variable</emphasis>.  Indeed, in this case, the type named by "<literal>a</literal>" is
1948 <literal>Int</literal>.  (This is a slight liberalisation from the original rather complex
1949 rules, which specified that a pattern-bound type variable should be universally quantified.)
1950 For example, all of these are legal:</para>
1951
1952 <programlisting>
1953   t (x::a) (y::a) = x+y*2
1954
1955   f (x::a) (y::b) = [x,y]       -- a unifies with b
1956
1957   g (x::a) = x + 1::Int         -- a unifies with Int
1958
1959   h x = let k (y::a) = [x,y]    -- a is free in the
1960         in k x                  -- environment
1961
1962   k (x::a) True    = ...        -- a unifies with Int
1963   k (x::Int) False = ...
1964
1965   w :: [b] -> [b]
1966   w (x::a) = x                  -- a unifies with [b]
1967 </programlisting>
1968
1969 </sect3>
1970
1971 <sect3>
1972 <title>Scope and implicit quantification</title>
1973
1974 <para>
1975
1976 <itemizedlist>
1977 <listitem>
1978
1979 <para>
1980 All the type variables mentioned in a pattern,
1981 that are not already in scope,
1982 are brought into scope by the pattern.  We describe this set as
1983 the <emphasis>type variables bound by the pattern</emphasis>.
1984 For example:
1985 <programlisting>
1986   f (x::a) = let g (y::(a,b)) = fst y
1987              in
1988              g (x,True)
1989 </programlisting>
1990 The pattern <literal>(x::a)</literal> brings the type variable
1991 <literal>a</literal> into scope, as well as the term 
1992 variable <literal>x</literal>.  The pattern <literal>(y::(a,b))</literal>
1993 contains an occurrence of the already-in-scope type variable <literal>a</literal>,
1994 and brings into scope the type variable <literal>b</literal>.
1995 </para>
1996 </listitem>
1997
1998 <listitem>
1999 <para>
2000 The type variable(s) bound by the pattern have the same scope
2001 as the term variable(s) bound by the pattern.  For example:
2002 <programlisting>
2003   let
2004     f (x::a) = <...rhs of f...>
2005     (p::b, q::b) = (1,2)
2006   in <...body of let...>
2007 </programlisting>
2008 Here, the type variable <literal>a</literal> scopes over the right hand side of <literal>f</literal>,
2009 just like <literal>x</literal> does; while the type variable <literal>b</literal> scopes over the
2010 body of the <literal>let</literal>, and all the other definitions in the <literal>let</literal>,
2011 just like <literal>p</literal> and <literal>q</literal> do.
2012 Indeed, the newly bound type variables also scope over any ordinary, separate
2013 type signatures in the <literal>let</literal> group.
2014 </para>
2015 </listitem>
2016
2017
2018 <listitem>
2019 <para>
2020 The type variables bound by the pattern may be 
2021 mentioned in ordinary type signatures or pattern 
2022 type signatures anywhere within their scope.
2023
2024 </para>
2025 </listitem>
2026
2027 <listitem>
2028 <para>
2029  In ordinary type signatures, any type variable mentioned in the
2030 signature that is in scope is <emphasis>not</emphasis> universally quantified.
2031
2032 </para>
2033 </listitem>
2034
2035 <listitem>
2036
2037 <para>
2038  Ordinary type signatures do not bring any new type variables
2039 into scope (except in the type signature itself!). So this is illegal:
2040
2041 <programlisting>
2042   f :: a -> a
2043   f x = x::a
2044 </programlisting>
2045
2046 It's illegal because <VarName>a</VarName> is not in scope in the body of <function>f</function>,
2047 so the ordinary signature <literal>x::a</literal> is equivalent to <literal>x::forall a.a</literal>;
2048 and that is an incorrect typing.
2049
2050 </para>
2051 </listitem>
2052
2053 <listitem>
2054 <para>
2055 The pattern type signature is a monotype:
2056 </para>
2057
2058 <itemizedlist>
2059 <listitem> <para> 
2060 A pattern type signature cannot contain any explicit <literal>forall</literal> quantification.
2061 </para> </listitem>
2062
2063 <listitem>  <para> 
2064 The type variables bound by a pattern type signature can only be instantiated to monotypes,
2065 not to type schemes.
2066 </para> </listitem>
2067
2068 <listitem>  <para> 
2069 There is no implicit universal quantification on pattern type signatures (in contrast to
2070 ordinary type signatures).
2071 </para> </listitem>
2072
2073 </itemizedlist>
2074
2075 </listitem>
2076
2077 <listitem>
2078 <para>
2079
2080 The type variables in the head of a <literal>class</literal> or <literal>instance</literal> declaration
2081 scope over the methods defined in the <literal>where</literal> part.  For example:
2082
2083
2084 <programlisting>
2085   class C a where
2086     op :: [a] -> a
2087
2088     op xs = let ys::[a]
2089                 ys = reverse xs
2090             in
2091             head ys
2092 </programlisting>
2093
2094
2095 (Not implemented in Hugs yet, Dec 98).
2096 </para>
2097 </listitem>
2098
2099 </itemizedlist>
2100
2101 </para>
2102
2103 </sect3>
2104
2105 <sect3>
2106 <title>Result type signatures</title>
2107
2108 <para>
2109
2110 <itemizedlist>
2111 <listitem>
2112
2113 <para>
2114  The result type of a function can be given a signature,
2115 thus:
2116
2117
2118 <programlisting>
2119   f (x::a) :: [a] = [x,x,x]
2120 </programlisting>
2121
2122
2123 The final <literal>:: [a]</literal> after all the patterns gives a signature to the
2124 result type.  Sometimes this is the only way of naming the type variable
2125 you want:
2126
2127
2128 <programlisting>
2129   f :: Int -> [a] -> [a]
2130   f n :: ([a] -> [a]) = let g (x::a, y::a) = (y,x)
2131                         in \xs -> map g (reverse xs `zip` xs)
2132 </programlisting>
2133
2134
2135 </para>
2136 </listitem>
2137
2138 </itemizedlist>
2139
2140 </para>
2141
2142 <para>
2143 Result type signatures are not yet implemented in Hugs.
2144 </para>
2145
2146 </sect3>
2147
2148 <sect3>
2149 <title>Where a pattern type signature can occur</title>
2150
2151 <para>
2152 A pattern type signature can occur in any pattern.  For example:
2153 <itemizedlist>
2154
2155 <listitem>
2156 <para>
2157 A pattern type signature can be on an arbitrary sub-pattern, not
2158 ust on a variable:
2159
2160
2161 <programlisting>
2162   f ((x,y)::(a,b)) = (y,x) :: (b,a)
2163 </programlisting>
2164
2165
2166 </para>
2167 </listitem>
2168 <listitem>
2169
2170 <para>
2171  Pattern type signatures, including the result part, can be used
2172 in lambda abstractions:
2173
2174 <programlisting>
2175   (\ (x::a, y) :: a -> x)
2176 </programlisting>
2177 </para>
2178 </listitem>
2179 <listitem>
2180
2181 <para>
2182  Pattern type signatures, including the result part, can be used
2183 in <literal>case</literal> expressions:
2184
2185
2186 <programlisting>
2187   case e of { (x::a, y) :: a -> x }
2188 </programlisting>
2189
2190 </para>
2191 </listitem>
2192
2193 <listitem>
2194 <para>
2195 To avoid ambiguity, the type after the &ldquo;<literal>::</literal>&rdquo; in a result
2196 pattern signature on a lambda or <literal>case</literal> must be atomic (i.e. a single
2197 token or a parenthesised type of some sort).  To see why,
2198 consider how one would parse this:
2199
2200
2201 <programlisting>
2202   \ x :: a -> b -> x
2203 </programlisting>
2204
2205
2206 </para>
2207 </listitem>
2208
2209 <listitem>
2210
2211 <para>
2212  Pattern type signatures can bind existential type variables.
2213 For example:
2214
2215
2216 <programlisting>
2217   data T = forall a. MkT [a]
2218
2219   f :: T -> T
2220   f (MkT [t::a]) = MkT t3
2221                  where
2222                    t3::[a] = [t,t,t]
2223 </programlisting>
2224
2225
2226 </para>
2227 </listitem>
2228
2229
2230 <listitem>
2231
2232 <para>
2233 Pattern type signatures 
2234 can be used in pattern bindings:
2235
2236 <programlisting>
2237   f x = let (y, z::a) = x in ...
2238   f1 x                = let (y, z::Int) = x in ...
2239   f2 (x::(Int,a))     = let (y, z::a)   = x in ...
2240   f3 :: (b->b)        = \x -> x
2241 </programlisting>
2242
2243 In all such cases, the binding is not generalised over the pattern-bound
2244 type variables.  Thus <literal>f3</literal> is monomorphic; <literal>f3</literal>
2245 has type <literal>b -&gt; b</literal> for some type <literal>b</literal>, 
2246 and <emphasis>not</emphasis> <literal>forall b. b -&gt; b</literal>.
2247 In contrast, the binding
2248 <programlisting>
2249   f4 :: b->b
2250   f4 = \x -> x
2251 </programlisting>
2252 makes a polymorphic function, but <literal>b</literal> is not in scope anywhere
2253 in <literal>f4</literal>'s scope.
2254
2255 </para>
2256 </listitem>
2257 </itemizedlist>
2258 </para>
2259
2260 </sect3>
2261 </sect2>
2262
2263 <sect2 id="sec-kinding">
2264 <title>Explicitly-kinded quantification</title>
2265
2266 <para>
2267 Haskell infers the kind of each type variable.  Sometimes it is nice to be able
2268 to give the kind explicitly as (machine-checked) documentation, 
2269 just as it is nice to give a type signature for a function.  On some occasions,
2270 it is essential to do so.  For example, in his paper "Restricted Data Types in Haskell" (Haskell Workshop 1999)
2271 John Hughes had to define the data type:
2272 <Screen>
2273      data Set cxt a = Set [a]
2274                     | Unused (cxt a -> ())
2275 </Screen>
2276 The only use for the <literal>Unused</literal> constructor was to force the correct
2277 kind for the type variable <literal>cxt</literal>.
2278 </para>
2279 <para>
2280 GHC now instead allows you to specify the kind of a type variable directly, wherever
2281 a type variable is explicitly bound.  Namely:
2282 <itemizedlist>
2283 <listitem><para><literal>data</literal> declarations:
2284 <Screen>
2285   data Set (cxt :: * -> *) a = Set [a]
2286 </Screen></para></listitem>
2287 <listitem><para><literal>type</literal> declarations:
2288 <Screen>
2289   type T (f :: * -> *) = f Int
2290 </Screen></para></listitem>
2291 <listitem><para><literal>class</literal> declarations:
2292 <Screen>
2293   class (Eq a) => C (f :: * -> *) a where ...
2294 </Screen></para></listitem>
2295 <listitem><para><literal>forall</literal>'s in type signatures:
2296 <Screen>
2297   f :: forall (cxt :: * -> *). Set cxt Int
2298 </Screen></para></listitem>
2299 </itemizedlist>
2300 </para>
2301
2302 <para>
2303 The parentheses are required.  Some of the spaces are required too, to
2304 separate the lexemes.  If you write <literal>(f::*->*)</literal> you
2305 will get a parse error, because "<literal>::*->*</literal>" is a
2306 single lexeme in Haskell.
2307 </para>
2308
2309 <para>
2310 As part of the same extension, you can put kind annotations in types
2311 as well.  Thus:
2312 <Screen>
2313    f :: (Int :: *) -> Int
2314    g :: forall a. a -> (a :: *)
2315 </Screen>
2316 The syntax is
2317 <Screen>
2318    atype ::= '(' ctype '::' kind ')
2319 </Screen>
2320 The parentheses are required.
2321 </para>
2322 </sect2>
2323
2324 </sect1>
2325 <!-- ==================== End of type system extensions =================  -->
2326   
2327
2328 <!-- ==================== ASSERTIONS =================  -->
2329
2330 <sect1 id="sec-assertions">
2331 <title>Assertions
2332 <indexterm><primary>Assertions</primary></indexterm>
2333 </title>
2334
2335 <para>
2336 If you want to make use of assertions in your standard Haskell code, you
2337 could define a function like the following:
2338 </para>
2339
2340 <para>
2341
2342 <programlisting>
2343 assert :: Bool -> a -> a
2344 assert False x = error "assertion failed!"
2345 assert _     x = x
2346 </programlisting>
2347
2348 </para>
2349
2350 <para>
2351 which works, but gives you back a less than useful error message --
2352 an assertion failed, but which and where?
2353 </para>
2354
2355 <para>
2356 One way out is to define an extended <function>assert</function> function which also
2357 takes a descriptive string to include in the error message and
2358 perhaps combine this with the use of a pre-processor which inserts
2359 the source location where <function>assert</function> was used.
2360 </para>
2361
2362 <para>
2363 Ghc offers a helping hand here, doing all of this for you. For every
2364 use of <function>assert</function> in the user's source:
2365 </para>
2366
2367 <para>
2368
2369 <programlisting>
2370 kelvinToC :: Double -> Double
2371 kelvinToC k = assert (k &gt;= 0.0) (k+273.15)
2372 </programlisting>
2373
2374 </para>
2375
2376 <para>
2377 Ghc will rewrite this to also include the source location where the
2378 assertion was made,
2379 </para>
2380
2381 <para>
2382
2383 <programlisting>
2384 assert pred val ==> assertError "Main.hs|15" pred val
2385 </programlisting>
2386
2387 </para>
2388
2389 <para>
2390 The rewrite is only performed by the compiler when it spots
2391 applications of <function>Exception.assert</function>, so you can still define and
2392 use your own versions of <function>assert</function>, should you so wish. If not,
2393 import <literal>Exception</literal> to make use <function>assert</function> in your code.
2394 </para>
2395
2396 <para>
2397 To have the compiler ignore uses of assert, use the compiler option
2398 <option>-fignore-asserts</option>. <indexterm><primary>-fignore-asserts option</primary></indexterm> That is,
2399 expressions of the form <literal>assert pred e</literal> will be rewritten to <literal>e</literal>.
2400 </para>
2401
2402 <para>
2403 Assertion failures can be caught, see the documentation for the
2404 <literal>Exception</literal> library (<xref linkend="sec-Exception">)
2405 for the details.
2406 </para>
2407
2408 </sect1>
2409
2410 <!-- ====================== PATTERN GUARDS =======================  -->
2411
2412 <sect1 id="pattern-guards">
2413 <title>Pattern guards</title>
2414
2415 <para>
2416 <indexterm><primary>Pattern guards (Glasgow extension)</primary></indexterm>
2417 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.)
2418 </para>
2419
2420 <para>
2421 Suppose we have an abstract data type of finite maps, with a
2422 lookup operation:
2423
2424 <programlisting>
2425 lookup :: FiniteMap -> Int -> Maybe Int
2426 </programlisting>
2427
2428 The lookup returns <function>Nothing</function> if the supplied key is not in the domain of the mapping, and <function>(Just v)</function> otherwise,
2429 where <VarName>v</VarName> is the value that the key maps to.  Now consider the following definition:
2430 </para>
2431
2432 <programlisting>
2433 clunky env var1 var2 | ok1 && ok2 = val1 + val2
2434 | otherwise  = var1 + var2
2435 where
2436   m1 = lookup env var1
2437   m2 = lookup env var2
2438   ok1 = maybeToBool m1
2439   ok2 = maybeToBool m2
2440   val1 = expectJust m1
2441   val2 = expectJust m2
2442 </programlisting>
2443
2444 <para>
2445 The auxiliary functions are 
2446 </para>
2447
2448 <programlisting>
2449 maybeToBool :: Maybe a -&gt; Bool
2450 maybeToBool (Just x) = True
2451 maybeToBool Nothing  = False
2452
2453 expectJust :: Maybe a -&gt; a
2454 expectJust (Just x) = x
2455 expectJust Nothing  = error "Unexpected Nothing"
2456 </programlisting>
2457
2458 <para>
2459 What is <function>clunky</function> doing? The guard <literal>ok1 &&
2460 ok2</literal> checks that both lookups succeed, using
2461 <function>maybeToBool</function> to convert the <function>Maybe</function>
2462 types to booleans. The (lazily evaluated) <function>expectJust</function>
2463 calls extract the values from the results of the lookups, and binds the
2464 returned values to <VarName>val1</VarName> and <VarName>val2</VarName>
2465 respectively.  If either lookup fails, then clunky takes the
2466 <literal>otherwise</literal> case and returns the sum of its arguments.
2467 </para>
2468
2469 <para>
2470 This is certainly legal Haskell, but it is a tremendously verbose and
2471 un-obvious way to achieve the desired effect.  Arguably, a more direct way
2472 to write clunky would be to use case expressions:
2473 </para>
2474
2475 <programlisting>
2476 clunky env var1 var1 = case lookup env var1 of
2477   Nothing -&gt; fail
2478   Just val1 -&gt; case lookup env var2 of
2479     Nothing -&gt; fail
2480     Just val2 -&gt; val1 + val2
2481 where
2482   fail = val1 + val2
2483 </programlisting>
2484
2485 <para>
2486 This is a bit shorter, but hardly better.  Of course, we can rewrite any set
2487 of pattern-matching, guarded equations as case expressions; that is
2488 precisely what the compiler does when compiling equations! The reason that
2489 Haskell provides guarded equations is because they allow us to write down
2490 the cases we want to consider, one at a time, independently of each other. 
2491 This structure is hidden in the case version.  Two of the right-hand sides
2492 are really the same (<function>fail</function>), and the whole expression
2493 tends to become more and more indented. 
2494 </para>
2495
2496 <para>
2497 Here is how I would write clunky:
2498 </para>
2499
2500 <programlisting>
2501 clunky env var1 var1
2502   | Just val1 &lt;- lookup env var1
2503   , Just val2 &lt;- lookup env var2
2504   = val1 + val2
2505 ...other equations for clunky...
2506 </programlisting>
2507
2508 <para>
2509 The semantics should be clear enough.  The qualifers are matched in order. 
2510 For a <literal>&lt;-</literal> qualifier, which I call a pattern guard, the
2511 right hand side is evaluated and matched against the pattern on the left. 
2512 If the match fails then the whole guard fails and the next equation is
2513 tried.  If it succeeds, then the appropriate binding takes place, and the
2514 next qualifier is matched, in the augmented environment.  Unlike list
2515 comprehensions, however, the type of the expression to the right of the
2516 <literal>&lt;-</literal> is the same as the type of the pattern to its
2517 left.  The bindings introduced by pattern guards scope over all the
2518 remaining guard qualifiers, and over the right hand side of the equation.
2519 </para>
2520
2521 <para>
2522 Just as with list comprehensions, boolean expressions can be freely mixed
2523 with among the pattern guards.  For example:
2524 </para>
2525
2526 <programlisting>
2527 f x | [y] <- x
2528     , y > 3
2529     , Just z <- h y
2530     = ...
2531 </programlisting>
2532
2533 <para>
2534 Haskell's current guards therefore emerge as a special case, in which the
2535 qualifier list has just one element, a boolean expression.
2536 </para>
2537 </sect1>
2538
2539 <!-- ===================== PARALLEL LIST COMPREHENSIONS ===================  -->
2540
2541   <sect1 id="parallel-list-comprehensions">
2542     <title>Parallel List Comprehensions</title>
2543     <indexterm><primary>list comprehensions</primary><secondary>parallel</secondary>
2544     </indexterm>
2545     <indexterm><primary>parallel list comprehensions</primary>
2546     </indexterm>
2547
2548     <para>Parallel list comprehensions are a natural extension to list
2549     comprehensions.  List comprehensions can be thought of as a nice
2550     syntax for writing maps and filters.  Parallel comprehensions
2551     extend this to include the zipWith family.</para>
2552
2553     <para>A parallel list comprehension has multiple independent
2554     branches of qualifier lists, each separated by a `|' symbol.  For
2555     example, the following zips together two lists:</para>
2556
2557 <programlisting>
2558    [ (x, y) | x <- xs | y <- ys ] 
2559 </programlisting>
2560
2561     <para>The behavior of parallel list comprehensions follows that of
2562     zip, in that the resulting list will have the same length as the
2563     shortest branch.</para>
2564
2565     <para>We can define parallel list comprehensions by translation to
2566     regular comprehensions.  Here's the basic idea:</para>
2567
2568     <para>Given a parallel comprehension of the form: </para>
2569
2570 <programlisting>
2571    [ e | p1 <- e11, p2 <- e12, ... 
2572        | q1 <- e21, q2 <- e22, ... 
2573        ... 
2574    ] 
2575 </programlisting>
2576
2577     <para>This will be translated to: </para>
2578
2579 <programlisting>
2580    [ e | ((p1,p2), (q1,q2), ...) <- zipN [(p1,p2) | p1 <- e11, p2 <- e12, ...] 
2581                                          [(q1,q2) | q1 <- e21, q2 <- e22, ...] 
2582                                          ... 
2583    ] 
2584 </programlisting>
2585
2586     <para>where `zipN' is the appropriate zip for the given number of
2587     branches.</para>
2588
2589   </sect1>
2590
2591 <!-- =============================== PRAGMAS ===========================  -->
2592
2593   <sect1 id="pragmas">
2594     <title>Pragmas</title>
2595
2596     <indexterm><primary>pragma</primary></indexterm>
2597
2598     <para>GHC supports several pragmas, or instructions to the
2599     compiler placed in the source code.  Pragmas don't normally affect
2600     the meaning of the program, but they might affect the efficiency
2601     of the generated code.</para>
2602
2603     <para>Pragmas all take the form
2604
2605 <literal>{-# <replaceable>word</replaceable> ... #-}</literal>  
2606
2607     where <replaceable>word</replaceable> indicates the type of
2608     pragma, and is followed optionally by information specific to that
2609     type of pragma.  Case is ignored in
2610     <replaceable>word</replaceable>.  The various values for
2611     <replaceable>word</replaceable> that GHC understands are described
2612     in the following sections; any pragma encountered with an
2613     unrecognised <replaceable>word</replaceable> is (silently)
2614     ignored.</para>
2615
2616 <sect2 id="inline-pragma">
2617 <title>INLINE pragma
2618
2619 <indexterm><primary>INLINE pragma</primary></indexterm>
2620 <indexterm><primary>pragma, INLINE</primary></indexterm></title>
2621
2622 <para>
2623 GHC (with <option>-O</option>, as always) tries to inline (or &ldquo;unfold&rdquo;)
2624 functions/values that are &ldquo;small enough,&rdquo; thus avoiding the call
2625 overhead and possibly exposing other more-wonderful optimisations.
2626 </para>
2627
2628 <para>
2629 You will probably see these unfoldings (in Core syntax) in your
2630 interface files.
2631 </para>
2632
2633 <para>
2634 Normally, if GHC decides a function is &ldquo;too expensive&rdquo; to inline, it
2635 will not do so, nor will it export that unfolding for other modules to
2636 use.
2637 </para>
2638
2639 <para>
2640 The sledgehammer you can bring to bear is the
2641 <literal>INLINE</literal><indexterm><primary>INLINE pragma</primary></indexterm> pragma, used thusly:
2642
2643 <programlisting>
2644 key_function :: Int -> String -> (Bool, Double)
2645
2646 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
2647 {-# INLINE key_function #-}
2648 #endif
2649 </programlisting>
2650
2651 (You don't need to do the C pre-processor carry-on unless you're going
2652 to stick the code through HBC&mdash;it doesn't like <literal>INLINE</literal> pragmas.)
2653 </para>
2654
2655 <para>
2656 The major effect of an <literal>INLINE</literal> pragma is to declare a function's
2657 &ldquo;cost&rdquo; to be very low.  The normal unfolding machinery will then be
2658 very keen to inline it.
2659 </para>
2660
2661 <para>
2662 An <literal>INLINE</literal> pragma for a function can be put anywhere its type
2663 signature could be put.
2664 </para>
2665
2666 <para>
2667 <literal>INLINE</literal> pragmas are a particularly good idea for the
2668 <literal>then</literal>/<literal>return</literal> (or <literal>bind</literal>/<literal>unit</literal>) functions in a monad.
2669 For example, in GHC's own <literal>UniqueSupply</literal> monad code, we have:
2670
2671 <programlisting>
2672 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
2673 {-# INLINE thenUs #-}
2674 {-# INLINE returnUs #-}
2675 #endif
2676 </programlisting>
2677
2678 </para>
2679
2680 </sect2>
2681
2682 <sect2 id="noinline-pragma">
2683 <title>NOINLINE pragma
2684 </title>
2685
2686 <indexterm><primary>NOINLINE pragma</primary></indexterm>
2687 <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>NOINLINE</secondary></indexterm>
2688 <indexterm><primary>NOTINLINE pragma</primary></indexterm>
2689 <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>NOTINLINE</secondary></indexterm>
2690
2691 <para>
2692 The <literal>NOINLINE</literal> pragma does exactly what you'd expect:
2693 it stops the named function from being inlined by the compiler.  You
2694 shouldn't ever need to do this, unless you're very cautious about code
2695 size.
2696 </para>
2697
2698 <para><literal>NOTINLINE</literal> is a synonym for
2699 <literal>NOINLINE</literal> (<literal>NOTINLINE</literal> is specified
2700 by Haskell 98 as the standard way to disable inlining, so it should be
2701 used if you want your code to be portable).</para>
2702
2703 </sect2>
2704
2705     <sect2 id="specialize-pragma">
2706       <title>SPECIALIZE pragma</title>
2707
2708       <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
2709       <indexterm><primary>pragma, SPECIALIZE</primary></indexterm>
2710       <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
2711
2712       <para>(UK spelling also accepted.)  For key overloaded
2713       functions, you can create extra versions (NB: more code space)
2714       specialised to particular types.  Thus, if you have an
2715       overloaded function:</para>
2716
2717 <programlisting>
2718 hammeredLookup :: Ord key => [(key, value)] -> key -> value
2719 </programlisting>
2720
2721       <para>If it is heavily used on lists with
2722       <literal>Widget</literal> keys, you could specialise it as
2723       follows:</para>
2724
2725 <programlisting>
2726 {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Widget, value)] -> Widget -> value #-}
2727 </programlisting>
2728
2729       <para>To get very fancy, you can also specify a named function
2730       to use for the specialised value, as in:</para>
2731
2732 <programlisting>
2733 {-# RULES hammeredLookup = blah #-}
2734 </programlisting>
2735
2736       <para>where <literal>blah</literal> is an implementation of
2737       <literal>hammerdLookup</literal> written specialy for
2738       <literal>Widget</literal> lookups.  It's <emphasis>Your
2739       Responsibility</emphasis> to make sure that
2740       <function>blah</function> really behaves as a specialised
2741       version of <function>hammeredLookup</function>!!!</para>
2742
2743       <para>Note we use the <literal>RULE</literal> pragma here to
2744       indicate that <literal>hammeredLookup</literal> applied at a
2745       certain type should be replaced by <literal>blah</literal>.  See
2746       <xref linkend="rules"> for more information on
2747       <literal>RULES</literal>.</para>
2748
2749       <para>An example in which using <literal>RULES</literal> for
2750       specialisation will Win Big:
2751
2752 <programlisting>
2753 toDouble :: Real a => a -> Double
2754 toDouble = fromRational . toRational
2755
2756 {-# SPECIALIZE toDouble :: Int -> Double = i2d #-}
2757 i2d (I# i) = D# (int2Double# i) -- uses Glasgow prim-op directly
2758 </programlisting>
2759
2760       The <function>i2d</function> function is virtually one machine
2761       instruction; the default conversion&mdash;via an intermediate
2762       <literal>Rational</literal>&mdash;is obscenely expensive by
2763       comparison.</para>
2764
2765       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> pragma for a function can
2766       be put anywhere its type signature could be put.</para>
2767
2768     </sect2>
2769
2770 <sect2 id="specialize-instance-pragma">
2771 <title>SPECIALIZE instance pragma
2772 </title>
2773
2774 <para>
2775 <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
2776 <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
2777 Same idea, except for instance declarations.  For example:
2778
2779 <programlisting>
2780 instance (Eq a) => Eq (Foo a) where { 
2781    {-# SPECIALIZE instance Eq (Foo [(Int, Bar)]) #-}
2782    ... usual stuff ...
2783  }
2784 </programlisting>
2785 The pragma must occur inside the <literal>where</literal> part
2786 of the instance declaration.
2787 </para>
2788 <para>
2789 Compatible with HBC, by the way, except perhaps in the placement
2790 of the pragma.
2791 </para>
2792
2793 </sect2>
2794
2795 <sect2 id="line-pragma">
2796 <title>LINE pragma
2797 </title>
2798
2799 <para>
2800 <indexterm><primary>LINE pragma</primary></indexterm>
2801 <indexterm><primary>pragma, LINE</primary></indexterm>
2802 </para>
2803
2804 <para>
2805 This pragma is similar to C's <literal>&num;line</literal> pragma, and is mainly for use in
2806 automatically generated Haskell code.  It lets you specify the line
2807 number and filename of the original code; for example
2808 </para>
2809
2810 <para>
2811
2812 <programlisting>
2813 {-# LINE 42 "Foo.vhs" #-}
2814 </programlisting>
2815
2816 </para>
2817
2818 <para>
2819 if you'd generated the current file from something called <filename>Foo.vhs</filename>
2820 and this line corresponds to line 42 in the original.  GHC will adjust
2821 its error messages to refer to the line/file named in the <literal>LINE</literal>
2822 pragma.
2823 </para>
2824
2825 </sect2>
2826
2827 <sect2 id="rules">
2828 <title>RULES pragma</title>
2829
2830 <para>
2831 The RULES pragma lets you specify rewrite rules.  It is described in
2832 <xref LinkEnd="rewrite-rules">.
2833 </para>
2834
2835 </sect2>
2836
2837 <sect2 id="deprecated-pragma">
2838 <title>DEPRECATED pragma</title>
2839
2840 <para>
2841 The DEPRECATED pragma lets you specify that a particular function, class, or type, is deprecated.  
2842 There are two forms.  
2843 </para>
2844 <itemizedlist>
2845 <listitem><para>
2846 You can deprecate an entire module thus:</para>
2847 <programlisting>
2848    module Wibble {-# DEPRECATED "Use Wobble instead" #-} where
2849      ...
2850 </programlisting>
2851 <para>
2852 When you compile any module that import <literal>Wibble</literal>, GHC will print
2853 the specified message.</para>
2854 </listitem>
2855
2856 <listitem>
2857 <para>
2858 You can deprecate a function, class, or type, with the following top-level declaration:
2859 </para>
2860 <programlisting>
2861    {-# DEPRECATED f, C, T "Don't use these" #-}
2862 </programlisting>
2863 <para>
2864 When you compile any module that imports and uses any of the specifed entities, 
2865 GHC will print the specified message.
2866 </para>
2867 </listitem>
2868 </itemizedlist>
2869 <para>You can suppress the warnings with the flag <option>-fno-warn-deprecations</option>.</para>
2870
2871 </sect2>
2872
2873 </sect1>
2874
2875 <!--  ======================= REWRITE RULES ======================== -->
2876
2877 <sect1 id="rewrite-rules">
2878 <title>Rewrite rules
2879
2880 <indexterm><primary>RULES pagma</primary></indexterm>
2881 <indexterm><primary>pragma, RULES</primary></indexterm>
2882 <indexterm><primary>rewrite rules</primary></indexterm></title>
2883
2884 <para>
2885 The programmer can specify rewrite rules as part of the source program
2886 (in a pragma).  GHC applies these rewrite rules wherever it can.
2887 </para>
2888
2889 <para>
2890 Here is an example:
2891
2892 <programlisting>
2893   {-# RULES
2894         "map/map"       forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
2895   #-}
2896 </programlisting>
2897
2898 </para>
2899
2900 <sect2>
2901 <title>Syntax</title>
2902
2903 <para>
2904 From a syntactic point of view:
2905
2906 <itemizedlist>
2907 <listitem>
2908
2909 <para>
2910  Each rule has a name, enclosed in double quotes.  The name itself has
2911 no significance at all.  It is only used when reporting how many times the rule fired.
2912 </para>
2913 </listitem>
2914 <listitem>
2915
2916 <para>
2917  There may be zero or more rules in a <literal>RULES</literal> pragma.
2918 </para>
2919 </listitem>
2920 <listitem>
2921
2922 <para>
2923  Layout applies in a <literal>RULES</literal> pragma.  Currently no new indentation level
2924 is set, so you must lay out your rules starting in the same column as the
2925 enclosing definitions.
2926 </para>
2927 </listitem>
2928 <listitem>
2929
2930 <para>
2931  Each variable mentioned in a rule must either be in scope (e.g. <function>map</function>),
2932 or bound by the <literal>forall</literal> (e.g. <function>f</function>, <function>g</function>, <function>xs</function>).  The variables bound by
2933 the <literal>forall</literal> are called the <emphasis>pattern</emphasis> variables.  They are separated
2934 by spaces, just like in a type <literal>forall</literal>.
2935 </para>
2936 </listitem>
2937 <listitem>
2938
2939 <para>
2940  A pattern variable may optionally have a type signature.
2941 If the type of the pattern variable is polymorphic, it <emphasis>must</emphasis> have a type signature.
2942 For example, here is the <literal>foldr/build</literal> rule:
2943
2944 <programlisting>
2945 "fold/build"  forall k z (g::forall b. (a->b->b) -> b -> b) .
2946               foldr k z (build g) = g k z
2947 </programlisting>
2948
2949 Since <function>g</function> has a polymorphic type, it must have a type signature.
2950
2951 </para>
2952 </listitem>
2953 <listitem>
2954
2955 <para>
2956 The left hand side of a rule must consist of a top-level variable applied
2957 to arbitrary expressions.  For example, this is <emphasis>not</emphasis> OK:
2958
2959 <programlisting>
2960 "wrong1"   forall e1 e2.  case True of { True -> e1; False -> e2 } = e1
2961 "wrong2"   forall f.      f True = True
2962 </programlisting>
2963
2964 In <literal>"wrong1"</literal>, the LHS is not an application; in <literal>"wrong2"</literal>, the LHS has a pattern variable
2965 in the head.
2966 </para>
2967 </listitem>
2968 <listitem>
2969
2970 <para>
2971  A rule does not need to be in the same module as (any of) the
2972 variables it mentions, though of course they need to be in scope.
2973 </para>
2974 </listitem>
2975 <listitem>
2976
2977 <para>
2978  Rules are automatically exported from a module, just as instance declarations are.
2979 </para>
2980 </listitem>
2981
2982 </itemizedlist>
2983
2984 </para>
2985
2986 </sect2>
2987
2988 <sect2>
2989 <title>Semantics</title>
2990
2991 <para>
2992 From a semantic point of view:
2993
2994 <itemizedlist>
2995 <listitem>
2996
2997 <para>
2998 Rules are only applied if you use the <option>-O</option> flag.
2999 </para>
3000 </listitem>
3001
3002 <listitem>
3003 <para>
3004  Rules are regarded as left-to-right rewrite rules.
3005 When GHC finds an expression that is a substitution instance of the LHS
3006 of a rule, it replaces the expression by the (appropriately-substituted) RHS.
3007 By "a substitution instance" we mean that the LHS can be made equal to the
3008 expression by substituting for the pattern variables.
3009
3010 </para>
3011 </listitem>
3012 <listitem>
3013
3014 <para>
3015  The LHS and RHS of a rule are typechecked, and must have the
3016 same type.
3017
3018 </para>
3019 </listitem>
3020 <listitem>
3021
3022 <para>
3023  GHC makes absolutely no attempt to verify that the LHS and RHS
3024 of a rule have the same meaning.  That is undecideable in general, and
3025 infeasible in most interesting cases.  The responsibility is entirely the programmer's!
3026
3027 </para>
3028 </listitem>
3029 <listitem>
3030
3031 <para>
3032  GHC makes no attempt to make sure that the rules are confluent or
3033 terminating.  For example:
3034
3035 <programlisting>
3036   "loop"        forall x,y.  f x y = f y x
3037 </programlisting>
3038
3039 This rule will cause the compiler to go into an infinite loop.
3040
3041 </para>
3042 </listitem>
3043 <listitem>
3044
3045 <para>
3046  If more than one rule matches a call, GHC will choose one arbitrarily to apply.
3047
3048 </para>
3049 </listitem>
3050 <listitem>
3051 <para>
3052  GHC currently uses a very simple, syntactic, matching algorithm
3053 for matching a rule LHS with an expression.  It seeks a substitution
3054 which makes the LHS and expression syntactically equal modulo alpha
3055 conversion.  The pattern (rule), but not the expression, is eta-expanded if
3056 necessary.  (Eta-expanding the epression can lead to laziness bugs.)
3057 But not beta conversion (that's called higher-order matching).
3058 </para>
3059
3060 <para>
3061 Matching is carried out on GHC's intermediate language, which includes
3062 type abstractions and applications.  So a rule only matches if the
3063 types match too.  See <xref LinkEnd="rule-spec"> below.
3064 </para>
3065 </listitem>
3066 <listitem>
3067
3068 <para>
3069  GHC keeps trying to apply the rules as it optimises the program.
3070 For example, consider:
3071
3072 <programlisting>
3073   let s = map f
3074       t = map g
3075   in
3076   s (t xs)
3077 </programlisting>
3078
3079 The expression <literal>s (t xs)</literal> does not match the rule <literal>"map/map"</literal>, but GHC
3080 will substitute for <VarName>s</VarName> and <VarName>t</VarName>, giving an expression which does match.
3081 If <VarName>s</VarName> or <VarName>t</VarName> was (a) used more than once, and (b) large or a redex, then it would
3082 not be substituted, and the rule would not fire.
3083
3084 </para>
3085 </listitem>
3086 <listitem>
3087
3088 <para>
3089  In the earlier phases of compilation, GHC inlines <emphasis>nothing
3090 that appears on the LHS of a rule</emphasis>, because once you have substituted
3091 for something you can't match against it (given the simple minded
3092 matching).  So if you write the rule
3093
3094 <programlisting>
3095         "map/map"       forall f,g.  map f . map g = map (f.g)
3096 </programlisting>
3097
3098 this <emphasis>won't</emphasis> match the expression <literal>map f (map g xs)</literal>.
3099 It will only match something written with explicit use of ".".
3100 Well, not quite.  It <emphasis>will</emphasis> match the expression
3101
3102 <programlisting>
3103 wibble f g xs
3104 </programlisting>
3105
3106 where <function>wibble</function> is defined:
3107
3108 <programlisting>
3109 wibble f g = map f . map g
3110 </programlisting>
3111
3112 because <function>wibble</function> will be inlined (it's small).
3113
3114 Later on in compilation, GHC starts inlining even things on the
3115 LHS of rules, but still leaves the rules enabled.  This inlining
3116 policy is controlled by the per-simplification-pass flag <option>-finline-phase</option><emphasis>n</emphasis>.
3117
3118 </para>
3119 </listitem>
3120 <listitem>
3121
3122 <para>
3123  All rules are implicitly exported from the module, and are therefore
3124 in force in any module that imports the module that defined the rule, directly
3125 or indirectly.  (That is, if A imports B, which imports C, then C's rules are
3126 in force when compiling A.)  The situation is very similar to that for instance
3127 declarations.
3128 </para>
3129 </listitem>
3130
3131 </itemizedlist>
3132
3133 </para>
3134
3135 </sect2>
3136
3137 <sect2>
3138 <title>List fusion</title>
3139
3140 <para>
3141 The RULES mechanism is used to implement fusion (deforestation) of common list functions.
3142 If a "good consumer" consumes an intermediate list constructed by a "good producer", the
3143 intermediate list should be eliminated entirely.
3144 </para>
3145
3146 <para>
3147 The following are good producers:
3148
3149 <itemizedlist>
3150 <listitem>
3151
3152 <para>
3153  List comprehensions
3154 </para>
3155 </listitem>
3156 <listitem>
3157
3158 <para>
3159  Enumerations of <literal>Int</literal> and <literal>Char</literal> (e.g. <literal>['a'..'z']</literal>).
3160 </para>
3161 </listitem>
3162 <listitem>
3163
3164 <para>
3165  Explicit lists (e.g. <literal>[True, False]</literal>)
3166 </para>
3167 </listitem>
3168 <listitem>
3169
3170 <para>
3171  The cons constructor (e.g <literal>3:4:[]</literal>)
3172 </para>
3173 </listitem>
3174 <listitem>
3175
3176 <para>
3177  <function>++</function>
3178 </para>
3179 </listitem>
3180
3181 <listitem>
3182 <para>
3183  <function>map</function>
3184 </para>
3185 </listitem>
3186
3187 <listitem>
3188 <para>
3189  <function>filter</function>
3190 </para>
3191 </listitem>
3192 <listitem>
3193
3194 <para>
3195  <function>iterate</function>, <function>repeat</function>
3196 </para>
3197 </listitem>
3198 <listitem>
3199
3200 <para>
3201  <function>zip</function>, <function>zipWith</function>
3202 </para>
3203 </listitem>
3204
3205 </itemizedlist>
3206
3207 </para>
3208
3209 <para>
3210 The following are good consumers:
3211
3212 <itemizedlist>
3213 <listitem>
3214
3215 <para>
3216  List comprehensions
3217 </para>
3218 </listitem>
3219 <listitem>
3220
3221 <para>
3222  <function>array</function> (on its second argument)
3223 </para>
3224 </listitem>
3225 <listitem>
3226
3227 <para>
3228  <function>length</function>
3229 </para>
3230 </listitem>
3231 <listitem>
3232
3233 <para>
3234  <function>++</function> (on its first argument)
3235 </para>
3236 </listitem>
3237
3238 <listitem>
3239 <para>
3240  <function>foldr</function>
3241 </para>
3242 </listitem>
3243
3244 <listitem>
3245 <para>
3246  <function>map</function>
3247 </para>
3248 </listitem>
3249 <listitem>
3250
3251 <para>
3252  <function>filter</function>
3253 </para>
3254 </listitem>
3255 <listitem>
3256
3257 <para>
3258  <function>concat</function>
3259 </para>
3260 </listitem>
3261 <listitem>
3262
3263 <para>
3264  <function>unzip</function>, <function>unzip2</function>, <function>unzip3</function>, <function>unzip4</function>
3265 </para>
3266 </listitem>
3267 <listitem>
3268
3269 <para>
3270  <function>zip</function>, <function>zipWith</function> (but on one argument only; if both are good producers, <function>zip</function>
3271 will fuse with one but not the other)
3272 </para>
3273 </listitem>
3274 <listitem>
3275
3276 <para>
3277  <function>partition</function>
3278 </para>
3279 </listitem>
3280 <listitem>
3281
3282 <para>
3283  <function>head</function>
3284 </para>
3285 </listitem>
3286 <listitem>
3287
3288 <para>
3289  <function>and</function>, <function>or</function>, <function>any</function>, <function>all</function>
3290 </para>
3291 </listitem>
3292 <listitem>
3293
3294 <para>
3295  <function>sequence&lowbar;</function>
3296 </para>
3297 </listitem>
3298 <listitem>
3299
3300 <para>
3301  <function>msum</function>
3302 </para>
3303 </listitem>
3304 <listitem>
3305
3306 <para>
3307  <function>sortBy</function>
3308 </para>
3309 </listitem>
3310
3311 </itemizedlist>
3312
3313 </para>
3314
3315 <para>
3316 So, for example, the following should generate no intermediate lists:
3317
3318 <programlisting>
3319 array (1,10) [(i,i*i) | i &#60;- map (+ 1) [0..9]]
3320 </programlisting>
3321
3322 </para>
3323
3324 <para>
3325 This list could readily be extended; if there are Prelude functions that you use
3326 a lot which are not included, please tell us.
3327 </para>
3328
3329 <para>
3330 If you want to write your own good consumers or producers, look at the
3331 Prelude definitions of the above functions to see how to do so.
3332 </para>
3333
3334 </sect2>
3335
3336 <sect2 id="rule-spec">
3337 <title>Specialisation
3338 </title>
3339
3340 <para>
3341 Rewrite rules can be used to get the same effect as a feature
3342 present in earlier version of GHC:
3343
3344 <programlisting>
3345   {-# SPECIALIZE fromIntegral :: Int8 -> Int16 = int8ToInt16 #-}
3346 </programlisting>
3347
3348 This told GHC to use <function>int8ToInt16</function> instead of <function>fromIntegral</function> whenever
3349 the latter was called with type <literal>Int8 -&gt; Int16</literal>.  That is, rather than
3350 specialising the original definition of <function>fromIntegral</function> the programmer is
3351 promising that it is safe to use <function>int8ToInt16</function> instead.
3352 </para>
3353
3354 <para>
3355 This feature is no longer in GHC.  But rewrite rules let you do the
3356 same thing:
3357
3358 <programlisting>
3359 {-# RULES
3360   "fromIntegral/Int8/Int16" fromIntegral = int8ToInt16
3361 #-}
3362 </programlisting>
3363
3364 This slightly odd-looking rule instructs GHC to replace <function>fromIntegral</function>
3365 by <function>int8ToInt16</function> <emphasis>whenever the types match</emphasis>.  Speaking more operationally,
3366 GHC adds the type and dictionary applications to get the typed rule
3367
3368 <programlisting>
3369 forall (d1::Integral Int8) (d2::Num Int16) .
3370         fromIntegral Int8 Int16 d1 d2 = int8ToInt16
3371 </programlisting>
3372
3373 What is more,
3374 this rule does not need to be in the same file as fromIntegral,
3375 unlike the <literal>SPECIALISE</literal> pragmas which currently do (so that they
3376 have an original definition available to specialise).
3377 </para>
3378
3379 </sect2>
3380
3381 <sect2>
3382 <title>Controlling what's going on</title>
3383
3384 <para>
3385
3386 <itemizedlist>
3387 <listitem>
3388
3389 <para>
3390  Use <option>-ddump-rules</option> to see what transformation rules GHC is using.
3391 </para>
3392 </listitem>
3393 <listitem>
3394
3395 <para>
3396  Use <option>-ddump-simpl-stats</option> to see what rules are being fired.
3397 If you add <option>-dppr-debug</option> you get a more detailed listing.
3398 </para>
3399 </listitem>
3400 <listitem>
3401
3402 <para>
3403  The defintion of (say) <function>build</function> in <FileName>PrelBase.lhs</FileName> looks llike this:
3404
3405 <programlisting>
3406         build   :: forall a. (forall b. (a -> b -> b) -> b -> b) -> [a]
3407         {-# INLINE build #-}
3408         build g = g (:) []
3409 </programlisting>
3410
3411 Notice the <literal>INLINE</literal>!  That prevents <literal>(:)</literal> from being inlined when compiling
3412 <literal>PrelBase</literal>, so that an importing module will &ldquo;see&rdquo; the <literal>(:)</literal>, and can
3413 match it on the LHS of a rule.  <literal>INLINE</literal> prevents any inlining happening
3414 in the RHS of the <literal>INLINE</literal> thing.  I regret the delicacy of this.
3415
3416 </para>
3417 </listitem>
3418 <listitem>
3419
3420 <para>
3421  In <filename>ghc/lib/std/PrelBase.lhs</filename> look at the rules for <function>map</function> to
3422 see how to write rules that will do fusion and yet give an efficient
3423 program even if fusion doesn't happen.  More rules in <filename>PrelList.lhs</filename>.
3424 </para>
3425 </listitem>
3426
3427 </itemizedlist>
3428
3429 </para>
3430
3431 </sect2>
3432
3433 </sect1>
3434
3435 <sect1 id="generic-classes">
3436 <title>Generic classes</title>
3437
3438     <para>(Note: support for generic classes is currently broken in
3439     GHC 5.02).</para>
3440
3441 <para>
3442 The ideas behind this extension are described in detail in "Derivable type classes",
3443 Ralf Hinze and Simon Peyton Jones, Haskell Workshop, Montreal Sept 2000, pp94-105.
3444 An example will give the idea:
3445 </para>
3446
3447 <programlisting>
3448   import Generics
3449
3450   class Bin a where
3451     toBin   :: a -> [Int]
3452     fromBin :: [Int] -> (a, [Int])
3453   
3454     toBin {| Unit |}    Unit      = []
3455     toBin {| a :+: b |} (Inl x)   = 0 : toBin x
3456     toBin {| a :+: b |} (Inr y)   = 1 : toBin y
3457     toBin {| a :*: b |} (x :*: y) = toBin x ++ toBin y
3458   
3459     fromBin {| Unit |}    bs      = (Unit, bs)
3460     fromBin {| a :+: b |} (0:bs)  = (Inl x, bs')    where (x,bs') = fromBin bs
3461     fromBin {| a :+: b |} (1:bs)  = (Inr y, bs')    where (y,bs') = fromBin bs
3462     fromBin {| a :*: b |} bs      = (x :*: y, bs'') where (x,bs' ) = fromBin bs
3463                                                           (y,bs'') = fromBin bs'
3464 </programlisting>
3465 <para>
3466 This class declaration explains how <literal>toBin</literal> and <literal>fromBin</literal>
3467 work for arbitrary data types.  They do so by giving cases for unit, product, and sum,
3468 which are defined thus in the library module <literal>Generics</literal>:
3469 </para>
3470 <programlisting>
3471   data Unit    = Unit
3472   data a :+: b = Inl a | Inr b
3473   data a :*: b = a :*: b
3474 </programlisting>
3475 <para>
3476 Now you can make a data type into an instance of Bin like this:
3477 <programlisting>
3478   instance (Bin a, Bin b) => Bin (a,b)
3479   instance Bin a => Bin [a]
3480 </programlisting>
3481 That is, just leave off the "where" clasuse.  Of course, you can put in the
3482 where clause and over-ride whichever methods you please.
3483 </para>
3484
3485     <sect2>
3486       <title> Using generics </title>
3487       <para>To use generics you need to</para>
3488       <itemizedlist>
3489         <listitem>
3490           <para>Use the flags <option>-fglasgow-exts</option> (to enable the extra syntax), 
3491                 <option>-fgenerics</option> (to generate extra per-data-type code),
3492                 and <option>-package lang</option> (to make the <literal>Generics</literal> library
3493                 available.  </para>
3494         </listitem>
3495         <listitem>
3496           <para>Import the module <literal>Generics</literal> from the
3497           <literal>lang</literal> package.  This import brings into
3498           scope the data types <literal>Unit</literal>,
3499           <literal>:*:</literal>, and <literal>:+:</literal>.  (You
3500           don't need this import if you don't mention these types
3501           explicitly; for example, if you are simply giving instance
3502           declarations.)</para>
3503         </listitem>
3504       </itemizedlist>
3505     </sect2>
3506
3507 <sect2> <title> Changes wrt the paper </title>
3508 <para>
3509 Note that the type constructors <literal>:+:</literal> and <literal>:*:</literal> 
3510 can be written infix (indeed, you can now use
3511 any operator starting in a colon as an infix type constructor).  Also note that
3512 the type constructors are not exactly as in the paper (Unit instead of 1, etc).
3513 Finally, note that the syntax of the type patterns in the class declaration
3514 uses "<literal>{|</literal>" and "<literal>|}</literal>" brackets; curly braces
3515 alone would ambiguous when they appear on right hand sides (an extension we 
3516 anticipate wanting).
3517 </para>
3518 </sect2>
3519
3520 <sect2> <title>Terminology and restrictions</title>
3521 <para>
3522 Terminology.  A "generic default method" in a class declaration
3523 is one that is defined using type patterns as above.
3524 A "polymorphic default method" is a default method defined as in Haskell 98.
3525 A "generic class declaration" is a class declaration with at least one
3526 generic default method.
3527 </para>
3528
3529 <para>
3530 Restrictions:
3531 <itemizedlist>
3532 <listitem>
3533 <para>
3534 Alas, we do not yet implement the stuff about constructor names and 
3535 field labels.
3536 </para>
3537 </listitem>
3538
3539 <listitem>
3540 <para>
3541 A generic class can have only one parameter; you can't have a generic
3542 multi-parameter class.
3543 </para>
3544 </listitem>
3545
3546 <listitem>
3547 <para>
3548 A default method must be defined entirely using type patterns, or entirely
3549 without.  So this is illegal:
3550 <programlisting>
3551   class Foo a where
3552     op :: a -> (a, Bool)
3553     op {| Unit |} Unit = (Unit, True)
3554     op x               = (x,    False)
3555 </programlisting>
3556 However it is perfectly OK for some methods of a generic class to have 
3557 generic default methods and others to have polymorphic default methods.
3558 </para>
3559 </listitem>
3560
3561 <listitem>
3562 <para>
3563 The type variable(s) in the type pattern for a generic method declaration
3564 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:
3565 <programlisting>
3566   class Foo a where
3567     op :: a -> Bool
3568     op {| p :*: q |} (x :*: y) = op (x :: p)
3569     ...
3570 </programlisting>
3571 </para>
3572 </listitem>
3573
3574 <listitem>
3575 <para>
3576 The type patterns in a generic default method must take one of the forms:
3577 <programlisting>
3578        a :+: b
3579        a :*: b
3580        Unit
3581 </programlisting>
3582 where "a" and "b" are type variables.  Furthermore, all the type patterns for
3583 a single type constructor (<literal>:*:</literal>, say) must be identical; they
3584 must use the same type variables.  So this is illegal:
3585 <programlisting>
3586   class Foo a where
3587     op :: a -> Bool
3588     op {| a :+: b |} (Inl x) = True
3589     op {| p :+: q |} (Inr y) = False
3590 </programlisting>
3591 The type patterns must be identical, even in equations for different methods of the class.
3592 So this too is illegal:
3593 <programlisting>
3594   class Foo a where
3595     op1 :: a -> Bool
3596     op1 {| a :*: b |} (x :*: y) = True
3597
3598     op2 :: a -> Bool
3599     op2 {| p :*: q |} (x :*: y) = False
3600 </programlisting>
3601 (The reason for this restriction is that we gather all the equations for a particular type consructor
3602 into a single generic instance declaration.)
3603 </para>
3604 </listitem>
3605
3606 <listitem>
3607 <para>
3608 A generic method declaration must give a case for each of the three type constructors.
3609 </para>
3610 </listitem>
3611
3612 <listitem>
3613 <para>
3614 The type for a generic method can be built only from:
3615   <itemizedlist>
3616   <listitem> <para> Function arrows </para> </listitem>
3617   <listitem> <para> Type variables </para> </listitem>
3618   <listitem> <para> Tuples </para> </listitem>
3619   <listitem> <para> Arbitrary types not involving type variables </para> </listitem>
3620   </itemizedlist>
3621 Here are some example type signatures for generic methods:
3622 <programlisting>
3623     op1 :: a -> Bool
3624     op2 :: Bool -> (a,Bool)
3625     op3 :: [Int] -> a -> a
3626     op4 :: [a] -> Bool
3627 </programlisting>
3628 Here, op1, op2, op3 are OK, but op4 is rejected, because it has a type variable
3629 inside a list.  
3630 </para>
3631 <para>
3632 This restriction is an implementation restriction: we just havn't got around to
3633 implementing the necessary bidirectional maps over arbitrary type constructors.
3634 It would be relatively easy to add specific type constructors, such as Maybe and list,
3635 to the ones that are allowed.</para>
3636 </listitem>
3637
3638 <listitem>
3639 <para>
3640 In an instance declaration for a generic class, the idea is that the compiler
3641 will fill in the methods for you, based on the generic templates.  However it can only
3642 do so if
3643   <itemizedlist>
3644   <listitem>
3645   <para>
3646   The instance type is simple (a type constructor applied to type variables, as in Haskell 98).
3647   </para>
3648   </listitem>
3649   <listitem>
3650   <para>
3651   No constructor of the instance type has unboxed fields.
3652   </para>
3653   </listitem>
3654   </itemizedlist>
3655 (Of course, these things can only arise if you are already using GHC extensions.)
3656 However, you can still give an instance declarations for types which break these rules,
3657 provided you give explicit code to override any generic default methods.
3658 </para>
3659 </listitem>
3660
3661 </itemizedlist>
3662 </para>
3663
3664 <para>
3665 The option <option>-ddump-deriv</option> dumps incomprehensible stuff giving details of 
3666 what the compiler does with generic declarations.
3667 </para>
3668
3669 </sect2>
3670
3671 <sect2> <title> Another example </title>
3672 <para>
3673 Just to finish with, here's another example I rather like:
3674 <programlisting>
3675   class Tag a where
3676     nCons :: a -> Int
3677     nCons {| Unit |}    _ = 1
3678     nCons {| a :*: b |} _ = 1
3679     nCons {| a :+: b |} _ = nCons (bot::a) + nCons (bot::b)
3680   
3681     tag :: a -> Int
3682     tag {| Unit |}    _       = 1
3683     tag {| a :*: b |} _       = 1   
3684     tag {| a :+: b |} (Inl x) = tag x
3685     tag {| a :+: b |} (Inr y) = nCons (bot::a) + tag y
3686 </programlisting>
3687 </para>
3688 </sect2>
3689 </sect1>
3690
3691 <sect1 id="newtype-deriving">
3692 <title>Generalised derived instances for newtypes</title>
3693
3694 <para>
3695 When you define an abstract type using <literal>newtype</literal>, you may want
3696 the new type to inherit some instances from its representation. In
3697 Haskell 98, you can inherit instances of <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
3698 <literal>Enum</literal> and <literal>Bounded</literal> by deriving them, but for any
3699 other classes you have to write an explicit instance declaration. For
3700 example, if you define
3701
3702 <programlisting> 
3703   newtype Dollars = Dollars Int 
3704 </programlisting> 
3705
3706 and you want to use arithmetic on <literal>Dollars</literal>, you have to
3707 explicitly define an instance of <literal>Num</literal>:
3708
3709 <programlisting> 
3710   instance Num Dollars where
3711     Dollars a + Dollars b = Dollars (a+b)
3712     ...
3713 </programlisting>
3714 All the instance does is apply and remove the <literal>newtype</literal>
3715 constructor. It is particularly galling that, since the constructor
3716 doesn't appear at run-time, this instance declaration defines a
3717 dictionary which is <emphasis>wholly equivalent</emphasis> to the <literal>Int</literal>
3718 dictionary, only slower!
3719 </para>
3720
3721 <sect2> <title> Generalising the deriving clause </title>
3722 <para>
3723 GHC now permits such instances to be derived instead, so one can write 
3724 <programlisting> 
3725   newtype Dollars = Dollars Int deriving (Eq,Show,Num)
3726 </programlisting> 
3727
3728 and the implementation uses the <emphasis>same</emphasis> <literal>Num</literal> dictionary
3729 for <literal>Dollars</literal> as for <literal>Int</literal>. Notionally, the compiler
3730 derives an instance declaration of the form
3731
3732 <programlisting> 
3733   instance Num Int => Num Dollars
3734 </programlisting> 
3735
3736 which just adds or removes the <literal>newtype</literal> constructor according to the type.
3737 </para>
3738 <para>
3739
3740 We can also derive instances of constructor classes in a similar
3741 way. For example, suppose we have implemented state and failure monad
3742 transformers, such that
3743
3744 <programlisting> 
3745   instance Monad m => Monad (State s m) 
3746   instance Monad m => Monad (Failure m)
3747 </programlisting> 
3748 In Haskell 98, we can define a parsing monad by 
3749 <programlisting> 
3750   type Parser tok m a = State [tok] (Failure m) a
3751 </programlisting> 
3752
3753 which is automatically a monad thanks to the instance declarations
3754 above. With the extension, we can make the parser type abstract,
3755 without needing to write an instance of class <literal>Monad</literal>, via
3756
3757 <programlisting> 
3758   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3759                          deriving Monad
3760 </programlisting>
3761 In this case the derived instance declaration is of the form 
3762 <programlisting> 
3763   instance Monad (State [tok] (Failure m)) => Monad (Parser tok m) 
3764 </programlisting> 
3765
3766 Notice that, since <literal>Monad</literal> is a constructor class, the
3767 instance is a <emphasis>partial application</emphasis> of the new type, not the
3768 entire left hand side. We can imagine that the type declaration is
3769 ``eta-converted'' to generate the context of the instance
3770 declaration.
3771 </para>
3772 <para>
3773
3774 We can even derive instances of multi-parameter classes, provided the
3775 newtype is the last class parameter. In this case, a ``partial
3776 application'' of the class appears in the <literal>deriving</literal>
3777 clause. For example, given the class
3778
3779 <programlisting> 
3780   class StateMonad s m | m -> s where ... 
3781   instance Monad m => StateMonad s (State s m) where ... 
3782 </programlisting> 
3783 then we can derive an instance of <literal>StateMonad</literal> for <literal>Parser</literal>s by 
3784 <programlisting> 
3785   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3786                          deriving (Monad, StateMonad [tok])
3787 </programlisting>
3788
3789 The derived instance is obtained by completing the application of the
3790 class to the new type:
3791
3792 <programlisting> 
3793   instance StateMonad [tok] (State [tok] (Failure m)) =>
3794            StateMonad [tok] (Parser tok m)
3795 </programlisting>
3796 </para>
3797 <para>
3798
3799 As a result of this extension, all derived instances in newtype
3800 declarations are treated uniformly (and implemented just by reusing
3801 the dictionary for the representation type), <emphasis>except</emphasis>
3802 <literal>Show</literal> and <literal>Read</literal>, which really behave differently for
3803 the newtype and its representation.
3804 </para>
3805 </sect2>
3806
3807 <sect2> <title> A more precise specification </title>
3808 <para>
3809 Derived instance declarations are constructed as follows. Consider the
3810 declaration (after expansion of any type synonyms)
3811
3812 <programlisting> 
3813   newtype T v1...vn = T' (S t1...tk vk+1...vn) deriving (c1...cm) 
3814 </programlisting> 
3815
3816 where <literal>S</literal> is a type constructor, <literal>t1...tk</literal> are 
3817 types,
3818 <literal>vk+1...vn</literal> are type variables which do not occur in any of
3819 the <literal>ti</literal>, and the <literal>ci</literal> are partial applications of
3820 classes of the form <literal>C t1'...tj'</literal>.  The derived instance
3821 declarations are, for each <literal>ci</literal>,
3822
3823 <programlisting> 
3824   instance ci (S t1...tk vk+1...v) => ci (T v1...vp)
3825 </programlisting>
3826 where <literal>p</literal> is chosen so that <literal>T v1...vp</literal> is of the 
3827 right <emphasis>kind</emphasis> for the last parameter of class <literal>Ci</literal>.
3828 </para>
3829 <para>
3830
3831 As an example which does <emphasis>not</emphasis> work, consider 
3832 <programlisting> 
3833   newtype NonMonad m s = NonMonad (State s m s) deriving Monad 
3834 </programlisting> 
3835 Here we cannot derive the instance 
3836 <programlisting> 
3837   instance Monad (State s m) => Monad (NonMonad m) 
3838 </programlisting> 
3839
3840 because the type variable <literal>s</literal> occurs in <literal>State s m</literal>,
3841 and so cannot be "eta-converted" away. It is a good thing that this
3842 <literal>deriving</literal> clause is rejected, because <literal>NonMonad m</literal> is
3843 not, in fact, a monad --- for the same reason. Try defining
3844 <literal>>>=</literal> with the correct type: you won't be able to.
3845 </para>
3846 <para>
3847
3848 Notice also that the <emphasis>order</emphasis> of class parameters becomes
3849 important, since we can only derive instances for the last one. If the
3850 <literal>StateMonad</literal> class above were instead defined as
3851
3852 <programlisting> 
3853   class StateMonad m s | m -> s where ... 
3854 </programlisting>
3855
3856 then we would not have been able to derive an instance for the
3857 <literal>Parser</literal> type above. We hypothesise that multi-parameter
3858 classes usually have one "main" parameter for which deriving new
3859 instances is most interesting.
3860 </para>
3861 </sect2>
3862 </sect1>
3863
3864
3865
3866 <!-- Emacs stuff:
3867      ;;; Local Variables: ***
3868      ;;; mode: sgml ***
3869      ;;; sgml-parent-document: ("users_guide.sgml" "book" "chapter" "sect1") ***
3870      ;;; End: ***
3871  -->