[project @ 2002-10-11 16:56:09 by simonpj]
[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.  The
23 separate libraries documentation describes all the libraries that come
24 with GHC.
25 </para>
26
27 <!-- LANGUAGE OPTIONS -->
28   <sect1 id="options-language">
29     <title>Language options</title>
30
31     <indexterm><primary>language</primary><secondary>option</secondary>
32     </indexterm>
33     <indexterm><primary>options</primary><secondary>language</secondary>
34     </indexterm>
35     <indexterm><primary>extensions</primary><secondary>options controlling</secondary>
36     </indexterm>
37
38     <para> These flags control what variation of the language are
39     permitted.  Leaving out all of them gives you standard Haskell
40     98.</para>
41
42     <variablelist>
43
44       <varlistentry>
45         <term><option>-fglasgow-exts</option>:</term>
46         <indexterm><primary><option>-fglasgow-exts</option></primary></indexterm>
47         <listitem>
48           <para>This simultaneously enables all of the extensions to
49           Haskell 98 described in <xref
50           linkend="ghc-language-features">, except where otherwise
51           noted. </para>
52         </listitem>
53       </varlistentry>
54
55       <varlistentry>
56         <term><option>-ffi</option> and <option>-fffi</option>:</term>
57         <indexterm><primary><option>-ffi</option></primary></indexterm>
58         <indexterm><primary><option>-fffi</option></primary></indexterm>
59         <listitem>
60           <para>This option enables the language extension defined in the
61           Haskell 98 Foreign Function Interface Addendum plus deprecated
62           syntax of previous versions of the FFI for backwards
63           compatibility.</para> 
64         </listitem>
65       </varlistentry>
66
67       <varlistentry>
68         <term><option>-fwith</option>:</term>
69         <indexterm><primary><option>-fwith</option></primary></indexterm>
70         <listitem>
71           <para>This option enables the deprecated <literal>with</literal>
72           keyword for implicit parameters; it is merely provided for backwards
73           compatibility.
74           It is independent of the <option>-fglasgow-exts</option>
75           flag. </para>
76         </listitem>
77       </varlistentry>
78
79       <varlistentry>
80         <term><option>-fno-monomorphism-restriction</option>:</term>
81         <indexterm><primary><option>-fno-monomorphism-restriction</option></primary></indexterm>
82         <listitem>
83           <para> Switch off the Haskell 98 monomorphism restriction.
84           Independent of the <option>-fglasgow-exts</option>
85           flag. </para>
86         </listitem>
87       </varlistentry>
88
89       <varlistentry>
90         <term><option>-fallow-overlapping-instances</option></term>
91         <term><option>-fallow-undecidable-instances</option></term>
92         <term><option>-fallow-incoherent-instances</option></term>
93         <term><option>-fcontext-stack</option></term>
94         <indexterm><primary><option>-fallow-overlapping-instances</option></primary></indexterm>
95         <indexterm><primary><option>-fallow-undecidable-instances</option></primary></indexterm>
96         <indexterm><primary><option>-fcontext-stack</option></primary></indexterm>
97         <listitem>
98           <para> See <xref LinkEnd="instance-decls">.  Only relevant
99           if you also use <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
100         </listitem>
101       </varlistentry>
102
103       <varlistentry>
104         <term><option>-finline-phase</option></term>
105         <indexterm><primary><option>-finline-phase</option></primary></indexterm>
106         <listitem>
107           <para>See <xref LinkEnd="rewrite-rules">.  Only relevant if
108           you also use <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
109         </listitem>
110       </varlistentry>
111
112       <varlistentry>
113         <term><option>-fgenerics</option></term>
114         <indexterm><primary><option>-fgenerics</option></primary></indexterm>
115         <listitem>
116           <para>See <xref LinkEnd="generic-classes">.  Independent of
117           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
118         </listitem>
119       </varlistentry>
120
121         <varlistentry>
122           <term><option>-fno-implicit-prelude</option></term>
123           <listitem>
124             <para><indexterm><primary>-fno-implicit-prelude
125             option</primary></indexterm> GHC normally imports
126             <filename>Prelude.hi</filename> files for you.  If you'd
127             rather it didn't, then give it a
128             <option>-fno-implicit-prelude</option> option.  The idea
129             is that you can then import a Prelude of your own.  (But
130             don't call it <literal>Prelude</literal>; the Haskell
131             module namespace is flat, and you must not conflict with
132             any Prelude module.)</para>
133
134             <para>Even though you have not imported the Prelude, most of
135             the built-in syntax still refers to the built-in Haskell
136             Prelude types and values, as specified by the Haskell
137             Report.  For example, the type <literal>[Int]</literal>
138             still means <literal>Prelude.[] Int</literal>; tuples
139             continue to refer to the standard Prelude tuples; the
140             translation for list comprehensions continues to use
141             <literal>Prelude.map</literal> etc.</para>
142
143             <para>However, <option>-fno-implicit-prelude</option> does
144             change the handling of certain built-in syntax: see
145             <xref LinkEnd="rebindable-syntax">.</para>
146
147           </listitem>
148         </varlistentry>
149
150     </variablelist>
151   </sect1>
152
153 <!-- UNBOXED TYPES AND PRIMITIVE OPERATIONS -->
154 <!--    included from primitives.sgml  -->
155 &primitives;
156
157 <!-- ====================== SYNTACTIC EXTENSIONS =======================  -->
158
159 <sect1 id="syntax-extns">
160 <title>Syntactic extensions</title>
161  
162     <!-- ====================== HIERARCHICAL MODULES =======================  -->
163
164     <sect2 id="hierarchical-modules">
165       <title>Hierarchical Modules</title>
166
167       <para>GHC supports a small extension to the syntax of module
168       names: a module name is allowed to contain a dot
169       <literal>&lsquo;.&rsquo;</literal>.  This is also known as the
170       &ldquo;hierarchical module namespace&rdquo; extension, because
171       it extends the normally flat Haskell module namespace into a
172       more flexible hierarchy of modules.</para>
173
174       <para>This extension has very little impact on the language
175       itself; modules names are <emphasis>always</emphasis> fully
176       qualified, so you can just think of the fully qualified module
177       name as <quote>the module name</quote>.  In particular, this
178       means that the full module name must be given after the
179       <literal>module</literal> keyword at the beginning of the
180       module; for example, the module <literal>A.B.C</literal> must
181       begin</para>
182
183 <programlisting>module A.B.C</programlisting>
184
185
186       <para>It is a common strategy to use the <literal>as</literal>
187       keyword to save some typing when using qualified names with
188       hierarchical modules.  For example:</para>
189
190 <programlisting>
191 import qualified Control.Monad.ST.Strict as ST
192 </programlisting>
193
194       <para>Hierarchical modules have an impact on the way that GHC
195       searches for files.  For a description, see <xref
196       linkend="finding-hierarchical-modules">.</para>
197
198       <para>GHC comes with a large collection of libraries arranged
199       hierarchically; see the accompanying library documentation.
200       There is an ongoing project to create and maintain a stable set
201       of <quote>core</quote> libraries used by several Haskell
202       compilers, and the libraries that GHC comes with represent the
203       current status of that project.  For more details, see <ulink
204       url="http://www.haskell.org/~simonmar/libraries/libraries.html">Haskell
205       Libraries</ulink>.</para>
206
207     </sect2>
208
209     <!-- ====================== PATTERN GUARDS =======================  -->
210
211 <sect2 id="pattern-guards">
212 <title>Pattern guards</title>
213
214 <para>
215 <indexterm><primary>Pattern guards (Glasgow extension)</primary></indexterm>
216 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.)
217 </para>
218
219 <para>
220 Suppose we have an abstract data type of finite maps, with a
221 lookup operation:
222
223 <programlisting>
224 lookup :: FiniteMap -> Int -> Maybe Int
225 </programlisting>
226
227 The lookup returns <function>Nothing</function> if the supplied key is not in the domain of the mapping, and <function>(Just v)</function> otherwise,
228 where <VarName>v</VarName> is the value that the key maps to.  Now consider the following definition:
229 </para>
230
231 <programlisting>
232 clunky env var1 var2 | ok1 && ok2 = val1 + val2
233 | otherwise  = var1 + var2
234 where
235   m1 = lookup env var1
236   m2 = lookup env var2
237   ok1 = maybeToBool m1
238   ok2 = maybeToBool m2
239   val1 = expectJust m1
240   val2 = expectJust m2
241 </programlisting>
242
243 <para>
244 The auxiliary functions are 
245 </para>
246
247 <programlisting>
248 maybeToBool :: Maybe a -&gt; Bool
249 maybeToBool (Just x) = True
250 maybeToBool Nothing  = False
251
252 expectJust :: Maybe a -&gt; a
253 expectJust (Just x) = x
254 expectJust Nothing  = error "Unexpected Nothing"
255 </programlisting>
256
257 <para>
258 What is <function>clunky</function> doing? The guard <literal>ok1 &&
259 ok2</literal> checks that both lookups succeed, using
260 <function>maybeToBool</function> to convert the <function>Maybe</function>
261 types to booleans. The (lazily evaluated) <function>expectJust</function>
262 calls extract the values from the results of the lookups, and binds the
263 returned values to <VarName>val1</VarName> and <VarName>val2</VarName>
264 respectively.  If either lookup fails, then clunky takes the
265 <literal>otherwise</literal> case and returns the sum of its arguments.
266 </para>
267
268 <para>
269 This is certainly legal Haskell, but it is a tremendously verbose and
270 un-obvious way to achieve the desired effect.  Arguably, a more direct way
271 to write clunky would be to use case expressions:
272 </para>
273
274 <programlisting>
275 clunky env var1 var1 = case lookup env var1 of
276   Nothing -&gt; fail
277   Just val1 -&gt; case lookup env var2 of
278     Nothing -&gt; fail
279     Just val2 -&gt; val1 + val2
280 where
281   fail = val1 + val2
282 </programlisting>
283
284 <para>
285 This is a bit shorter, but hardly better.  Of course, we can rewrite any set
286 of pattern-matching, guarded equations as case expressions; that is
287 precisely what the compiler does when compiling equations! The reason that
288 Haskell provides guarded equations is because they allow us to write down
289 the cases we want to consider, one at a time, independently of each other. 
290 This structure is hidden in the case version.  Two of the right-hand sides
291 are really the same (<function>fail</function>), and the whole expression
292 tends to become more and more indented. 
293 </para>
294
295 <para>
296 Here is how I would write clunky:
297 </para>
298
299 <programlisting>
300 clunky env var1 var1
301   | Just val1 &lt;- lookup env var1
302   , Just val2 &lt;- lookup env var2
303   = val1 + val2
304 ...other equations for clunky...
305 </programlisting>
306
307 <para>
308 The semantics should be clear enough.  The qualifers are matched in order. 
309 For a <literal>&lt;-</literal> qualifier, which I call a pattern guard, the
310 right hand side is evaluated and matched against the pattern on the left. 
311 If the match fails then the whole guard fails and the next equation is
312 tried.  If it succeeds, then the appropriate binding takes place, and the
313 next qualifier is matched, in the augmented environment.  Unlike list
314 comprehensions, however, the type of the expression to the right of the
315 <literal>&lt;-</literal> is the same as the type of the pattern to its
316 left.  The bindings introduced by pattern guards scope over all the
317 remaining guard qualifiers, and over the right hand side of the equation.
318 </para>
319
320 <para>
321 Just as with list comprehensions, boolean expressions can be freely mixed
322 with among the pattern guards.  For example:
323 </para>
324
325 <programlisting>
326 f x | [y] <- x
327     , y > 3
328     , Just z <- h y
329     = ...
330 </programlisting>
331
332 <para>
333 Haskell's current guards therefore emerge as a special case, in which the
334 qualifier list has just one element, a boolean expression.
335 </para>
336 </sect2>
337
338     <!-- ===================== Recursive do-notation ===================  -->
339
340 <sect2 id="mdo-notation">
341 <title>The recursive do-notation
342 </title>
343
344 <para> The recursive do-notation (also known as mdo-notation) is implemented as described in
345 "A recursive do for Haskell",
346 Levent Erkok, John Launchbury",
347 Haskell Workshop 2002, pages: 29-37. Pittsburgh, Pennsylvania. 
348 </para>
349 <para>
350 The do-notation of Haskell does not allow <emphasis>recursive bindings</emphasis>,
351 that is, the variables bound in a do-expression are visible only in the textually following 
352 code block. Compare this to a let-expression, where bound variables are visible in the entire binding
353 group. It turns out that several applications can benefit from recursive bindings in
354 the do-notation, and this extension provides the necessary syntactic support.
355 </para>
356 <para>
357 Here is a simple (yet contrived) example:
358 </para>
359 <programlisting>
360 justOnes = mdo xs <- Just (1:xs)
361                return xs
362 </programlisting>
363 <para>
364 As you can guess <literal>justOnes</literal> will evaluate to <literal>Just [1,1,1,...</literal>.
365 </para>
366
367 <para>
368 The Control.Monad.Fix library introduces the <literal>MonadFix</literal> class. It's definition is:
369 </para>
370 <programlisting>
371 class Monad m => MonadFix m where
372    mfix :: (a -> m a) -> m a
373 </programlisting>
374 <para>
375 The function <literal>mfix</literal>
376 dictates how the required recursion operation should be performed. If recursive bindings are required for a monad,
377 then that monad must be declared an instance of the <literal>MonadFix</literal> class.
378 For details, see the above mentioned reference.
379 </para>
380 <para>
381 The following instances of <literal>MonadFix</literal> are automatically provided: List, Maybe, IO, and
382 state monads (both lazy and strict).
383 </para>
384 <para>
385 There are three important points in using the recursive-do notation:
386 <itemizedlist>
387 <listitem><para>
388 The recursive version of the do-notation uses the keyword <literal>mdo</literal> (rather
389 than <literal>do</literal>).
390 </para></listitem>
391
392 <listitem><para>
393 If you want to declare an instance of the <literal>MonadFix</literal> class for one of 
394 your own monads, or you need to refer to the class name <literal>MonadFix</literal> in any other way (for 
395 instance when writing a type constraint), then your program should 
396 <literal>import Control.Monad.MonadFix</literal>.
397 Otherwise, you don't need to import any special libraries to use the mdo-notation. That is,
398 as long as you only use the predefined instances mentioned above, the mdo-notation will
399 be automatically available. 
400 To be on the safe side, of course, you can simply import it in all cases.
401 </para></listitem>
402
403 <listitem><para>
404 As with other extensions, ghc should be given the flag <literal>-fglasgow-exts</literal>
405 </para></listitem>
406 </itemizedlist>
407 </para>
408
409 <para>
410 Historical note: The old implementation of the mdo-notation (and most
411 of the existing documents) used the name
412 <literal>MonadRec</literal> for the class and the corresponding library.
413 This name is no longer supported.
414 </para>
415
416 <para>
417 The web page: <ulink url="http://www.cse.ogi.edu/PacSoft/projects/rmb">http://www.cse.ogi.edu/PacSoft/projects/rmb</ulink>
418 contains up to date information on recursive monadic bindings.
419 </para>
420
421 </sect2>
422
423
424 <sect2> <title> Infix type constructors </title>
425
426 <para>GHC supports infix type constructors, much as it supports infix data constructors.  For example:
427 <programlisting>
428   infixl 5 :+:
429
430   data a :+: b = Inl a | Inr b
431
432   f :: a `Either` b -> a :+: b
433   f (Left x) = Inl x
434 </programlisting>
435 </para>
436 <para>The lexical 
437 syntax of an infix type constructor is just like that of an infix data constructor: either
438 it's an operator beginning with ":", or it is an ordinary (alphabetic) type constructor enclosed in
439 back-quotes.</para>
440
441 <para>
442 When you give a fixity declaration, the fixity applies to both the data constructor and the
443 type constructor with the specified name.  You cannot give different fixities to the type constructor T
444 and the data constructor T.
445 </para>
446
447
448 </sect2>
449
450    <!-- ===================== PARALLEL LIST COMPREHENSIONS ===================  -->
451
452   <sect2 id="parallel-list-comprehensions">
453     <title>Parallel List Comprehensions</title>
454     <indexterm><primary>list comprehensions</primary><secondary>parallel</secondary>
455     </indexterm>
456     <indexterm><primary>parallel list comprehensions</primary>
457     </indexterm>
458
459     <para>Parallel list comprehensions are a natural extension to list
460     comprehensions.  List comprehensions can be thought of as a nice
461     syntax for writing maps and filters.  Parallel comprehensions
462     extend this to include the zipWith family.</para>
463
464     <para>A parallel list comprehension has multiple independent
465     branches of qualifier lists, each separated by a `|' symbol.  For
466     example, the following zips together two lists:</para>
467
468 <programlisting>
469    [ (x, y) | x <- xs | y <- ys ] 
470 </programlisting>
471
472     <para>The behavior of parallel list comprehensions follows that of
473     zip, in that the resulting list will have the same length as the
474     shortest branch.</para>
475
476     <para>We can define parallel list comprehensions by translation to
477     regular comprehensions.  Here's the basic idea:</para>
478
479     <para>Given a parallel comprehension of the form: </para>
480
481 <programlisting>
482    [ e | p1 <- e11, p2 <- e12, ... 
483        | q1 <- e21, q2 <- e22, ... 
484        ... 
485    ] 
486 </programlisting>
487
488     <para>This will be translated to: </para>
489
490 <programlisting>
491    [ e | ((p1,p2), (q1,q2), ...) <- zipN [(p1,p2) | p1 <- e11, p2 <- e12, ...] 
492                                          [(q1,q2) | q1 <- e21, q2 <- e22, ...] 
493                                          ... 
494    ] 
495 </programlisting>
496
497     <para>where `zipN' is the appropriate zip for the given number of
498     branches.</para>
499
500   </sect2>
501
502 <sect2 id="rebindable-syntax">
503 <title>Rebindable syntax</title>
504
505
506       <para>GHC allows most kinds of built-in syntax to be rebound by
507       the user, to facilitate replacing the <literal>Prelude</literal>
508       with a home-grown version, for example.</para>
509
510             <para>You may want to define your own numeric class
511             hierarchy.  It completely defeats that purpose if the
512             literal "1" means "<literal>Prelude.fromInteger
513             1</literal>", which is what the Haskell Report specifies.
514             So the <option>-fno-implicit-prelude</option> flag causes
515             the following pieces of built-in syntax to refer to
516             <emphasis>whatever is in scope</emphasis>, not the Prelude
517             versions:</para>
518
519             <itemizedlist>
520               <listitem>
521                 <para>Integer and fractional literals mean
522                 "<literal>fromInteger 1</literal>" and
523                 "<literal>fromRational 3.2</literal>", not the
524                 Prelude-qualified versions; both in expressions and in
525                 patterns. </para>
526                 <para>However, the standard Prelude <literal>Eq</literal> class
527                 is still used for the equality test necessary for literal patterns.</para>
528               </listitem>
529
530               <listitem>
531                 <para>Negation (e.g. "<literal>- (f x)</literal>")
532                 means "<literal>negate (f x)</literal>" (not
533                 <literal>Prelude.negate</literal>).</para>
534               </listitem>
535
536               <listitem>
537                 <para>In an n+k pattern, the standard Prelude
538                 <literal>Ord</literal> class is still used for comparison,
539                 but the necessary subtraction uses whatever
540                 "<literal>(-)</literal>" is in scope (not
541                 "<literal>Prelude.(-)</literal>").</para>
542               </listitem>
543
544               <listitem>
545           <para>"Do" notation is translated using whatever
546               functions <literal>(>>=)</literal>,
547               <literal>(>>)</literal>, <literal>fail</literal>, and
548               <literal>return</literal>, are in scope (not the Prelude
549               versions).  List comprehensions, and parallel array
550               comprehensions, are unaffected.  </para></listitem>
551             </itemizedlist>
552
553              <para>Be warned: this is an experimental facility, with fewer checks than
554              usual.  In particular, it is essential that the functions GHC finds in scope
555              must have the appropriate types, namely:
556              <screen>
557                 fromInteger  :: forall a. (...) => Integer  -> a
558                 fromRational :: forall a. (...) => Rational -> a
559                 negate       :: forall a. (...) => a -> a
560                 (-)          :: forall a. (...) => a -> a -> a
561                 (>>=)        :: forall m a. (...) => m a -> (a -> m b) -> m b
562                 (>>)         :: forall m a. (...) => m a -> m b -> m b
563                 return       :: forall m a. (...) => a      -> m a
564                 fail         :: forall m a. (...) => String -> m a
565              </screen>
566              (The (...) part can be any context including the empty context; that part 
567              is up to you.)
568              If the functions don't have the right type, very peculiar things may 
569              happen.  Use <literal>-dcore-lint</literal> to
570              typecheck the desugared program.  If Core Lint is happy you should be all right.</para>
571
572 </sect2>
573 </sect1>
574
575
576 <!-- TYPE SYSTEM EXTENSIONS -->
577 <sect1 id="type-extensions">
578 <title>Type system extensions</title>
579
580 <sect2 id="nullary-types">
581 <title>Data types with no constructors</title>
582
583 <para>With the <option>-fglasgow-exts</option> flag, GHC lets you declare
584 a data type with no constructors.  For example:</para>
585
586 <programlisting>
587   data S      -- S :: *
588   data T a    -- T :: * -> *
589 </programlisting>
590
591 <para>Syntactically, the declaration lacks the "= constrs" part.  The 
592 type can be parameterised over types of any kind, but if the kind is
593 not <literal>*</literal> then an explicit kind annotation must be used
594 (see <xref linkend="sec-kinding">).</para>
595
596 <para>Such data types have only one value, namely bottom.
597 Nevertheless, they can be useful when defining "phantom types".</para>
598 </sect2>
599
600 <sect2 id="infix-tycons">
601 <title>Infix type constructors</title>
602
603 <para>
604 GHC allows type constructors to be operators, and to be written infix, very much 
605 like expressions.  More specifically:
606 <itemizedlist>
607 <listitem><para>
608   A type constructor can be an operator, beginning with a colon; e.g. <literal>:*:</literal>.
609   The lexical syntax is the same as that for data constructors.
610   </para></listitem>
611 <listitem><para>
612   Types can be written infix.  For example <literal>Int :*: Bool</literal>.  
613   </para></listitem>
614 <listitem><para>
615   Back-quotes work
616   as for expressions, both for type constructors and type variables;  e.g. <literal>Int `Either` Bool</literal>, or
617   <literal>Int `a` Bool</literal>.  Similarly, parentheses work the same; e.g.  <literal>(:*:) Int Bool</literal>.
618   </para></listitem>
619 <listitem><para>
620   Fixities may be declared for type constructors just as for data constructors.  However,
621   one cannot distinguish between the two in a fixity declaration; a fixity declaration
622   sets the fixity for a data constructor and the corresponding type constructor.  For example:
623 <screen>
624   infixl 7 T, :*:
625 </screen>
626   sets the fixity for both type constructor <literal>T</literal> and data constructor <literal>T</literal>,
627   and similarly for <literal>:*:</literal>.
628   <literal>Int `a` Bool</literal>.
629   </para></listitem>
630 <listitem><para>
631   Function arrow is <literal>infixr</literal> with fixity 0.  (This might change; I'm not sure what it should be.)
632   </para></listitem>
633 <listitem><para>
634   Data type and type-synonym declarations can be written infix.  E.g.
635 <screen>
636   data a :*: b = Foo a b
637   type a :+: b = Either a b
638 </screen>
639   </para></listitem>
640 <listitem><para>
641   The only thing that differs between operators in types and operators in expressions is that
642   ordinary non-constructor operators, such as <literal>+</literal> and <literal>*</literal>
643   are not allowed in types. Reason: the uniform thing to do would be to make them type
644   variables, but that's not very useful.  A less uniform but more useful thing would be to
645   allow them to be type <emphasis>constructors</emphasis>.  But that gives trouble in export
646   lists.  So for now we just exclude them.
647   </para></listitem>
648
649 </itemizedlist>
650 </para>
651 </sect2>
652
653 <sect2 id="sec-kinding">
654 <title>Explicitly-kinded quantification</title>
655
656 <para>
657 Haskell infers the kind of each type variable.  Sometimes it is nice to be able
658 to give the kind explicitly as (machine-checked) documentation, 
659 just as it is nice to give a type signature for a function.  On some occasions,
660 it is essential to do so.  For example, in his paper "Restricted Data Types in Haskell" (Haskell Workshop 1999)
661 John Hughes had to define the data type:
662 <Screen>
663      data Set cxt a = Set [a]
664                     | Unused (cxt a -> ())
665 </Screen>
666 The only use for the <literal>Unused</literal> constructor was to force the correct
667 kind for the type variable <literal>cxt</literal>.
668 </para>
669 <para>
670 GHC now instead allows you to specify the kind of a type variable directly, wherever
671 a type variable is explicitly bound.  Namely:
672 <itemizedlist>
673 <listitem><para><literal>data</literal> declarations:
674 <Screen>
675   data Set (cxt :: * -> *) a = Set [a]
676 </Screen></para></listitem>
677 <listitem><para><literal>type</literal> declarations:
678 <Screen>
679   type T (f :: * -> *) = f Int
680 </Screen></para></listitem>
681 <listitem><para><literal>class</literal> declarations:
682 <Screen>
683   class (Eq a) => C (f :: * -> *) a where ...
684 </Screen></para></listitem>
685 <listitem><para><literal>forall</literal>'s in type signatures:
686 <Screen>
687   f :: forall (cxt :: * -> *). Set cxt Int
688 </Screen></para></listitem>
689 </itemizedlist>
690 </para>
691
692 <para>
693 The parentheses are required.  Some of the spaces are required too, to
694 separate the lexemes.  If you write <literal>(f::*->*)</literal> you
695 will get a parse error, because "<literal>::*->*</literal>" is a
696 single lexeme in Haskell.
697 </para>
698
699 <para>
700 As part of the same extension, you can put kind annotations in types
701 as well.  Thus:
702 <Screen>
703    f :: (Int :: *) -> Int
704    g :: forall a. a -> (a :: *)
705 </Screen>
706 The syntax is
707 <Screen>
708    atype ::= '(' ctype '::' kind ')
709 </Screen>
710 The parentheses are required.
711 </para>
712 </sect2>
713
714
715 <sect2 id="class-method-types">
716 <title>Class method types
717 </title>
718 <para>
719 Haskell 98 prohibits class method types to mention constraints on the
720 class type variable, thus:
721 <programlisting>
722   class Seq s a where
723     fromList :: [a] -> s a
724     elem     :: Eq a => a -> s a -> Bool
725 </programlisting>
726 The type of <literal>elem</literal> is illegal in Haskell 98, because it
727 contains the constraint <literal>Eq a</literal>, constrains only the 
728 class type variable (in this case <literal>a</literal>).
729 </para>
730 <para>
731 With the <option>-fglasgow-exts</option> GHC lifts this restriction.
732 </para>
733
734 </sect2>
735
736 <sect2 id="multi-param-type-classes">
737 <title>Multi-parameter type classes
738 </title>
739
740 <para>
741 This section documents GHC's implementation of multi-parameter type
742 classes.  There's lots of background in the paper <ULink
743 URL="http://research.microsoft.com/~simonpj/multi.ps.gz" >Type
744 classes: exploring the design space</ULink > (Simon Peyton Jones, Mark
745 Jones, Erik Meijer).
746 </para>
747
748 <para>
749 I'd like to thank people who reported shorcomings in the GHC 3.02
750 implementation.  Our default decisions were all conservative ones, and
751 the experience of these heroic pioneers has given useful concrete
752 examples to support several generalisations.  (These appear below as
753 design choices not implemented in 3.02.)
754 </para>
755
756 <para>
757 I've discussed these notes with Mark Jones, and I believe that Hugs
758 will migrate towards the same design choices as I outline here.
759 Thanks to him, and to many others who have offered very useful
760 feedback.
761 </para>
762
763 <sect3>
764 <title>Types</title>
765
766 <para>
767 There are the following restrictions on the form of a qualified
768 type:
769 </para>
770
771 <para>
772
773 <programlisting>
774   forall tv1..tvn (c1, ...,cn) => type
775 </programlisting>
776
777 </para>
778
779 <para>
780 (Here, I write the "foralls" explicitly, although the Haskell source
781 language omits them; in Haskell 1.4, all the free type variables of an
782 explicit source-language type signature are universally quantified,
783 except for the class type variables in a class declaration.  However,
784 in GHC, you can give the foralls if you want.  See <xref LinkEnd="universal-quantification">).
785 </para>
786
787 <para>
788
789 <OrderedList>
790 <listitem>
791
792 <para>
793  <emphasis>Each universally quantified type variable
794 <literal>tvi</literal> must be mentioned (i.e. appear free) in <literal>type</literal></emphasis>.
795
796 The reason for this is that a value with a type that does not obey
797 this restriction could not be used without introducing
798 ambiguity. Here, for example, is an illegal type:
799
800
801 <programlisting>
802   forall a. Eq a => Int
803 </programlisting>
804
805
806 When a value with this type was used, the constraint <literal>Eq tv</literal>
807 would be introduced where <literal>tv</literal> is a fresh type variable, and
808 (in the dictionary-translation implementation) the value would be
809 applied to a dictionary for <literal>Eq tv</literal>.  The difficulty is that we
810 can never know which instance of <literal>Eq</literal> to use because we never
811 get any more information about <literal>tv</literal>.
812
813 </para>
814 </listitem>
815 <listitem>
816
817 <para>
818  <emphasis>Every constraint <literal>ci</literal> must mention at least one of the
819 universally quantified type variables <literal>tvi</literal></emphasis>.
820
821 For example, this type is OK because <literal>C a b</literal> mentions the
822 universally quantified type variable <literal>b</literal>:
823
824
825 <programlisting>
826   forall a. C a b => burble
827 </programlisting>
828
829
830 The next type is illegal because the constraint <literal>Eq b</literal> does not
831 mention <literal>a</literal>:
832
833
834 <programlisting>
835   forall a. Eq b => burble
836 </programlisting>
837
838
839 The reason for this restriction is milder than the other one.  The
840 excluded types are never useful or necessary (because the offending
841 context doesn't need to be witnessed at this point; it can be floated
842 out).  Furthermore, floating them out increases sharing. Lastly,
843 excluding them is a conservative choice; it leaves a patch of
844 territory free in case we need it later.
845
846 </para>
847 </listitem>
848
849 </OrderedList>
850
851 </para>
852
853 <para>
854 These restrictions apply to all types, whether declared in a type signature
855 or inferred.
856 </para>
857
858 <para>
859 Unlike Haskell 1.4, constraints in types do <emphasis>not</emphasis> have to be of
860 the form <emphasis>(class type-variables)</emphasis>.  Thus, these type signatures
861 are perfectly OK
862 </para>
863
864 <para>
865
866 <programlisting>
867   f :: Eq (m a) => [m a] -> [m a]
868   g :: Eq [a] => ...
869 </programlisting>
870
871 </para>
872
873 <para>
874 This choice recovers principal types, a property that Haskell 1.4 does not have.
875 </para>
876
877 </sect3>
878
879 <sect3>
880 <title>Class declarations</title>
881
882 <para>
883
884 <OrderedList>
885 <listitem>
886
887 <para>
888  <emphasis>Multi-parameter type classes are permitted</emphasis>. For example:
889
890
891 <programlisting>
892   class Collection c a where
893     union :: c a -> c a -> c a
894     ...etc.
895 </programlisting>
896
897
898
899 </para>
900 </listitem>
901 <listitem>
902
903 <para>
904  <emphasis>The class hierarchy must be acyclic</emphasis>.  However, the definition
905 of "acyclic" involves only the superclass relationships.  For example,
906 this is OK:
907
908
909 <programlisting>
910   class C a where {
911     op :: D b => a -> b -> b
912   }
913
914   class C a => D a where { ... }
915 </programlisting>
916
917
918 Here, <literal>C</literal> is a superclass of <literal>D</literal>, but it's OK for a
919 class operation <literal>op</literal> of <literal>C</literal> to mention <literal>D</literal>.  (It
920 would not be OK for <literal>D</literal> to be a superclass of <literal>C</literal>.)
921
922 </para>
923 </listitem>
924 <listitem>
925
926 <para>
927  <emphasis>There are no restrictions on the context in a class declaration
928 (which introduces superclasses), except that the class hierarchy must
929 be acyclic</emphasis>.  So these class declarations are OK:
930
931
932 <programlisting>
933   class Functor (m k) => FiniteMap m k where
934     ...
935
936   class (Monad m, Monad (t m)) => Transform t m where
937     lift :: m a -> (t m) a
938 </programlisting>
939
940
941 </para>
942 </listitem>
943 <listitem>
944
945 <para>
946  <emphasis>In the signature of a class operation, every constraint
947 must mention at least one type variable that is not a class type
948 variable</emphasis>.
949
950 Thus:
951
952
953 <programlisting>
954   class Collection c a where
955     mapC :: Collection c b => (a->b) -> c a -> c b
956 </programlisting>
957
958
959 is OK because the constraint <literal>(Collection a b)</literal> mentions
960 <literal>b</literal>, even though it also mentions the class variable
961 <literal>a</literal>.  On the other hand:
962
963
964 <programlisting>
965   class C a where
966     op :: Eq a => (a,b) -> (a,b)
967 </programlisting>
968
969
970 is not OK because the constraint <literal>(Eq a)</literal> mentions on the class
971 type variable <literal>a</literal>, but not <literal>b</literal>.  However, any such
972 example is easily fixed by moving the offending context up to the
973 superclass context:
974
975
976 <programlisting>
977   class Eq a => C a where
978     op ::(a,b) -> (a,b)
979 </programlisting>
980
981
982 A yet more relaxed rule would allow the context of a class-op signature
983 to mention only class type variables.  However, that conflicts with
984 Rule 1(b) for types above.
985
986 </para>
987 </listitem>
988 <listitem>
989
990 <para>
991  <emphasis>The type of each class operation must mention <emphasis>all</emphasis> of
992 the class type variables</emphasis>.  For example:
993
994
995 <programlisting>
996   class Coll s a where
997     empty  :: s
998     insert :: s -> a -> s
999 </programlisting>
1000
1001
1002 is not OK, because the type of <literal>empty</literal> doesn't mention
1003 <literal>a</literal>.  This rule is a consequence of Rule 1(a), above, for
1004 types, and has the same motivation.
1005
1006 Sometimes, offending class declarations exhibit misunderstandings.  For
1007 example, <literal>Coll</literal> might be rewritten
1008
1009
1010 <programlisting>
1011   class Coll s a where
1012     empty  :: s a
1013     insert :: s a -> a -> s a
1014 </programlisting>
1015
1016
1017 which makes the connection between the type of a collection of
1018 <literal>a</literal>'s (namely <literal>(s a)</literal>) and the element type <literal>a</literal>.
1019 Occasionally this really doesn't work, in which case you can split the
1020 class like this:
1021
1022
1023 <programlisting>
1024   class CollE s where
1025     empty  :: s
1026
1027   class CollE s => Coll s a where
1028     insert :: s -> a -> s
1029 </programlisting>
1030
1031
1032 </para>
1033 </listitem>
1034
1035 </OrderedList>
1036
1037 </para>
1038
1039 </sect3>
1040
1041 <sect3 id="instance-decls">
1042 <title>Instance declarations</title>
1043
1044 <para>
1045
1046 <OrderedList>
1047 <listitem>
1048
1049 <para>
1050  <emphasis>Instance declarations may not overlap</emphasis>.  The two instance
1051 declarations
1052
1053
1054 <programlisting>
1055   instance context1 => C type1 where ...
1056   instance context2 => C type2 where ...
1057 </programlisting>
1058
1059
1060 "overlap" if <literal>type1</literal> and <literal>type2</literal> unify
1061
1062 However, if you give the command line option
1063 <option>-fallow-overlapping-instances</option><indexterm><primary>-fallow-overlapping-instances
1064 option</primary></indexterm> then overlapping instance declarations are permitted.
1065 However, GHC arranges never to commit to using an instance declaration
1066 if another instance declaration also applies, either now or later.
1067
1068 <itemizedlist>
1069 <listitem>
1070
1071 <para>
1072  EITHER <literal>type1</literal> and <literal>type2</literal> do not unify
1073 </para>
1074 </listitem>
1075 <listitem>
1076
1077 <para>
1078  OR <literal>type2</literal> is a substitution instance of <literal>type1</literal>
1079 (but not identical to <literal>type1</literal>), or vice versa.
1080 </para>
1081 </listitem>
1082 </itemizedlist>
1083 Notice that these rules
1084 <itemizedlist>
1085 <listitem>
1086
1087 <para>
1088  make it clear which instance decl to use
1089 (pick the most specific one that matches)
1090
1091 </para>
1092 </listitem>
1093 <listitem>
1094
1095 <para>
1096  do not mention the contexts <literal>context1</literal>, <literal>context2</literal>
1097 Reason: you can pick which instance decl
1098 "matches" based on the type.
1099 </para>
1100 </listitem>
1101
1102 </itemizedlist>
1103 However the rules are over-conservative.  Two instance declarations can overlap,
1104 but it can still be clear in particular situations which to use.  For example:
1105 <programlisting>
1106   instance C (Int,a) where ...
1107   instance C (a,Bool) where ...
1108 </programlisting>
1109 These are rejected by GHC's rules, but it is clear what to do when trying
1110 to solve the constraint <literal>C (Int,Int)</literal> because the second instance
1111 cannot apply.  Yell if this restriction bites you.
1112 </para>
1113 <para>
1114 GHC is also conservative about committing to an overlapping instance.  For example:
1115 <programlisting>
1116   class C a where { op :: a -> a }
1117   instance C [Int] where ...
1118   instance C a => C [a] where ...
1119   
1120   f :: C b => [b] -> [b]
1121   f x = op x
1122 </programlisting>
1123 From the RHS of f we get the constraint <literal>C [b]</literal>.  But
1124 GHC does not commit to the second instance declaration, because in a paricular
1125 call of f, b might be instantiate to Int, so the first instance declaration
1126 would be appropriate.  So GHC rejects the program.  If you add <option>-fallow-incoherent-instances</option>
1127 GHC will instead silently pick the second instance, without complaining about 
1128 the problem of subsequent instantiations.
1129 </para>
1130 <para>
1131 Regrettably, GHC doesn't guarantee to detect overlapping instance
1132 declarations if they appear in different modules.  GHC can "see" the
1133 instance declarations in the transitive closure of all the modules
1134 imported by the one being compiled, so it can "see" all instance decls
1135 when it is compiling <literal>Main</literal>.  However, it currently chooses not
1136 to look at ones that can't possibly be of use in the module currently
1137 being compiled, in the interests of efficiency.  (Perhaps we should
1138 change that decision, at least for <literal>Main</literal>.)
1139
1140 </para>
1141 </listitem>
1142 <listitem>
1143
1144 <para>
1145  <emphasis>There are no restrictions on the type in an instance
1146 <emphasis>head</emphasis>, except that at least one must not be a type variable</emphasis>.
1147 The instance "head" is the bit after the "=>" in an instance decl. For
1148 example, these are OK:
1149
1150
1151 <programlisting>
1152   instance C Int a where ...
1153
1154   instance D (Int, Int) where ...
1155
1156   instance E [[a]] where ...
1157 </programlisting>
1158
1159
1160 Note that instance heads <emphasis>may</emphasis> contain repeated type variables.
1161 For example, this is OK:
1162
1163
1164 <programlisting>
1165   instance Stateful (ST s) (MutVar s) where ...
1166 </programlisting>
1167
1168
1169 The "at least one not a type variable" restriction is to ensure that
1170 context reduction terminates: each reduction step removes one type
1171 constructor.  For example, the following would make the type checker
1172 loop if it wasn't excluded:
1173
1174
1175 <programlisting>
1176   instance C a => C a where ...
1177 </programlisting>
1178
1179
1180 There are two situations in which the rule is a bit of a pain. First,
1181 if one allows overlapping instance declarations then it's quite
1182 convenient to have a "default instance" declaration that applies if
1183 something more specific does not:
1184
1185
1186 <programlisting>
1187   instance C a where
1188     op = ... -- Default
1189 </programlisting>
1190
1191
1192 Second, sometimes you might want to use the following to get the
1193 effect of a "class synonym":
1194
1195
1196 <programlisting>
1197   class (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
1198
1199   instance (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
1200 </programlisting>
1201
1202
1203 This allows you to write shorter signatures:
1204
1205
1206 <programlisting>
1207   f :: C a => ...
1208 </programlisting>
1209
1210
1211 instead of
1212
1213
1214 <programlisting>
1215   f :: (C1 a, C2 a, C3 a) => ...
1216 </programlisting>
1217
1218
1219 I'm on the lookout for a simple rule that preserves decidability while
1220 allowing these idioms.  The experimental flag
1221 <option>-fallow-undecidable-instances</option><indexterm><primary>-fallow-undecidable-instances
1222 option</primary></indexterm> lifts this restriction, allowing all the types in an
1223 instance head to be type variables.
1224
1225 </para>
1226 </listitem>
1227 <listitem>
1228
1229 <para>
1230  <emphasis>Unlike Haskell 1.4, instance heads may use type
1231 synonyms</emphasis>.  As always, using a type synonym is just shorthand for
1232 writing the RHS of the type synonym definition.  For example:
1233
1234
1235 <programlisting>
1236   type Point = (Int,Int)
1237   instance C Point   where ...
1238   instance C [Point] where ...
1239 </programlisting>
1240
1241
1242 is legal.  However, if you added
1243
1244
1245 <programlisting>
1246   instance C (Int,Int) where ...
1247 </programlisting>
1248
1249
1250 as well, then the compiler will complain about the overlapping
1251 (actually, identical) instance declarations.  As always, type synonyms
1252 must be fully applied.  You cannot, for example, write:
1253
1254
1255 <programlisting>
1256   type P a = [[a]]
1257   instance Monad P where ...
1258 </programlisting>
1259
1260
1261 This design decision is independent of all the others, and easily
1262 reversed, but it makes sense to me.
1263
1264 </para>
1265 </listitem>
1266 <listitem>
1267
1268 <para>
1269 <emphasis>The types in an instance-declaration <emphasis>context</emphasis> must all
1270 be type variables</emphasis>. Thus
1271
1272
1273 <programlisting>
1274 instance C a b => Eq (a,b) where ...
1275 </programlisting>
1276
1277
1278 is OK, but
1279
1280
1281 <programlisting>
1282 instance C Int b => Foo b where ...
1283 </programlisting>
1284
1285
1286 is not OK.  Again, the intent here is to make sure that context
1287 reduction terminates.
1288
1289 Voluminous correspondence on the Haskell mailing list has convinced me
1290 that it's worth experimenting with a more liberal rule.  If you use
1291 the flag <option>-fallow-undecidable-instances</option> can use arbitrary
1292 types in an instance context.  Termination is ensured by having a
1293 fixed-depth recursion stack.  If you exceed the stack depth you get a
1294 sort of backtrace, and the opportunity to increase the stack depth
1295 with <option>-fcontext-stack</option><emphasis>N</emphasis>.
1296
1297 </para>
1298 </listitem>
1299
1300 </OrderedList>
1301
1302 </para>
1303
1304 </sect3>
1305
1306 </sect2>
1307
1308 <sect2 id="implicit-parameters">
1309 <title>Implicit parameters
1310 </title>
1311
1312 <para> Implicit paramters are implemented as described in 
1313 "Implicit parameters: dynamic scoping with static types", 
1314 J Lewis, MB Shields, E Meijer, J Launchbury,
1315 27th ACM Symposium on Principles of Programming Languages (POPL'00),
1316 Boston, Jan 2000.
1317 </para>
1318 <para>(Most of the following, stil rather incomplete, documentation is due to Jeff Lewis.)</para>
1319 <para>
1320 A variable is called <emphasis>dynamically bound</emphasis> when it is bound by the calling
1321 context of a function and <emphasis>statically bound</emphasis> when bound by the callee's
1322 context. In Haskell, all variables are statically bound. Dynamic
1323 binding of variables is a notion that goes back to Lisp, but was later
1324 discarded in more modern incarnations, such as Scheme. Dynamic binding
1325 can be very confusing in an untyped language, and unfortunately, typed
1326 languages, in particular Hindley-Milner typed languages like Haskell,
1327 only support static scoping of variables.
1328 </para>
1329 <para>
1330 However, by a simple extension to the type class system of Haskell, we
1331 can support dynamic binding. Basically, we express the use of a
1332 dynamically bound variable as a constraint on the type. These
1333 constraints lead to types of the form <literal>(?x::t') => t</literal>, which says "this
1334 function uses a dynamically-bound variable <literal>?x</literal> 
1335 of type <literal>t'</literal>". For
1336 example, the following expresses the type of a sort function,
1337 implicitly parameterized by a comparison function named <literal>cmp</literal>.
1338 <programlisting>
1339   sort :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
1340 </programlisting>
1341 The dynamic binding constraints are just a new form of predicate in the type class system.
1342 </para>
1343 <para>
1344 An implicit parameter is introduced by the special form <literal>?x</literal>, 
1345 where <literal>x</literal> is
1346 any valid identifier. Use if this construct also introduces new
1347 dynamic binding constraints. For example, the following definition
1348 shows how we can define an implicitly parameterized sort function in
1349 terms of an explicitly parameterized <literal>sortBy</literal> function:
1350 <programlisting>
1351   sortBy :: (a -> a -> Bool) -> [a] -> [a]
1352
1353   sort   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
1354   sort    = sortBy ?cmp
1355 </programlisting>
1356 Dynamic binding constraints behave just like other type class
1357 constraints in that they are automatically propagated. Thus, when a
1358 function is used, its implicit parameters are inherited by the
1359 function that called it. For example, our <literal>sort</literal> function might be used
1360 to pick out the least value in a list:
1361 <programlisting>
1362   least   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> a
1363   least xs = fst (sort xs)
1364 </programlisting>
1365 Without lifting a finger, the <literal>?cmp</literal> parameter is
1366 propagated to become a parameter of <literal>least</literal> as well. With explicit
1367 parameters, the default is that parameters must always be explicit
1368 propagated. With implicit parameters, the default is to always
1369 propagate them.
1370 </para>
1371 <para>
1372 An implicit parameter differs from other type class constraints in the
1373 following way: All uses of a particular implicit parameter must have
1374 the same type. This means that the type of <literal>(?x, ?x)</literal> 
1375 is <literal>(?x::a) => (a,a)</literal>, and not 
1376 <literal>(?x::a, ?x::b) => (a, b)</literal>, as would be the case for type
1377 class constraints.
1378 </para>
1379 <para>
1380 An implicit parameter is bound using the standard
1381 <literal>let</literal> binding form, where the bindings must be a
1382 collection of simple bindings to implicit-style variables (no
1383 function-style bindings, and no type signatures); these bindings are
1384 neither polymorphic or recursive. This form binds the implicit
1385 parameters arising in the body, not the free variables as a
1386 <literal>let</literal> or <literal>where</literal> would do. For
1387 example, we define the <literal>min</literal> function by binding
1388 <literal>cmp</literal>.</para>
1389 <programlisting>
1390   min :: [a] -> a
1391   min  = let ?cmp = (<=) in least
1392 </programlisting>
1393 <para>
1394 Note the following points:
1395 <itemizedlist>
1396 <listitem><para>
1397 You may not mix implicit-parameter bindings with ordinary bindings in a 
1398 single <literal>let</literal>
1399 expression; use two nested <literal>let</literal>s instead.
1400 </para></listitem>
1401
1402 <listitem><para>
1403 You may put multiple implicit-parameter bindings in a
1404 single <literal>let</literal> expression; they are <emphasis>not</emphasis> treated
1405 as a mutually recursive group (as ordinary <literal>let</literal> bindings are).
1406 Instead they are treated as a non-recursive group, each scoping over the bindings that
1407 follow.  For example, consider:
1408 <programlisting>
1409   f y = let { ?x = y; ?x = ?x+1 } in ?x
1410 </programlisting>
1411 This function adds one to its argument.
1412 </para></listitem>
1413
1414 <listitem><para>
1415 You may not have an implicit-parameter binding in a <literal>where</literal> clause,
1416 only in a <literal>let</literal> binding.
1417 </para></listitem>
1418
1419 <listitem>
1420 <para> You can't have an implicit parameter in the context of a class or instance
1421 declaration.  For example, both these declarations are illegal:
1422 <programlisting>
1423   class (?x::Int) => C a where ...
1424   instance (?x::a) => Foo [a] where ...
1425 </programlisting>
1426 Reason: exactly which implicit parameter you pick up depends on exactly where
1427 you invoke a function. But the ``invocation'' of instance declarations is done
1428 behind the scenes by the compiler, so it's hard to figure out exactly where it is done.
1429 Easiest thing is to outlaw the offending types.</para>
1430 </listitem>
1431 </itemizedlist>
1432 </para>
1433
1434 </sect2>
1435
1436 <sect2 id="linear-implicit-parameters">
1437 <title>Linear implicit parameters
1438 </title>
1439 <para>
1440 Linear implicit parameters are an idea developed by Koen Claessen,
1441 Mark Shields, and Simon PJ.  They address the long-standing
1442 problem that monads seem over-kill for certain sorts of problem, notably:
1443 </para>
1444 <itemizedlist>
1445 <listitem> <para> distributing a supply of unique names </para> </listitem>
1446 <listitem> <para> distributing a suppply of random numbers </para> </listitem>
1447 <listitem> <para> distributing an oracle (as in QuickCheck) </para> </listitem>
1448 </itemizedlist>
1449
1450 <para>
1451 Linear implicit parameters are just like ordinary implicit parameters,
1452 except that they are "linear" -- that is, they cannot be copied, and
1453 must be explicitly "split" instead.  Linear implicit parameters are
1454 written '<literal>%x</literal>' instead of '<literal>?x</literal>'.  
1455 (The '/' in the '%' suggests the split!)
1456 </para>
1457 <para>
1458 For example:
1459 <programlisting>
1460     import GHC.Exts( Splittable )
1461
1462     data NameSupply = ...
1463     
1464     splitNS :: NameSupply -> (NameSupply, NameSupply)
1465     newName :: NameSupply -> Name
1466
1467     instance Splittable NameSupply where
1468         split = splitNS
1469
1470
1471     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
1472     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
1473                     where
1474                       x'   = newName %ns
1475                       env' = extend env x x'
1476     ...more equations for f...
1477 </programlisting>
1478 Notice that the implicit parameter %ns is consumed 
1479 <itemizedlist>
1480 <listitem> <para> once by the call to <literal>newName</literal> </para> </listitem>
1481 <listitem> <para> once by the recursive call to <literal>f</literal> </para></listitem>
1482 </itemizedlist>
1483 </para>
1484 <para>
1485 So the translation done by the type checker makes
1486 the parameter explicit:
1487 <programlisting>
1488     f :: NameSupply -> Env -> Expr -> Expr
1489     f ns env (Lam x e) = Lam x' (f ns1 env e)
1490                        where
1491                          (ns1,ns2) = splitNS ns
1492                          x' = newName ns2
1493                          env = extend env x x'
1494 </programlisting>
1495 Notice the call to 'split' introduced by the type checker.
1496 How did it know to use 'splitNS'?  Because what it really did
1497 was to introduce a call to the overloaded function 'split',
1498 defined by the class <literal>Splittable</literal>:
1499 <programlisting>
1500         class Splittable a where
1501           split :: a -> (a,a)
1502 </programlisting>
1503 The instance for <literal>Splittable NameSupply</literal> tells GHC how to implement
1504 split for name supplies.  But we can simply write
1505 <programlisting>
1506         g x = (x, %ns, %ns)
1507 </programlisting>
1508 and GHC will infer
1509 <programlisting>
1510         g :: (Splittable a, %ns :: a) => b -> (b,a,a)
1511 </programlisting>
1512 The <literal>Splittable</literal> class is built into GHC.  It's exported by module 
1513 <literal>GHC.Exts</literal>.
1514 </para>
1515 <para>
1516 Other points:
1517 <itemizedlist>
1518 <listitem> <para> '<literal>?x</literal>' and '<literal>%x</literal>' 
1519 are entirely distinct implicit parameters: you 
1520   can use them together and they won't intefere with each other. </para>
1521 </listitem>
1522
1523 <listitem> <para> You can bind linear implicit parameters in 'with' clauses. </para> </listitem>
1524
1525 <listitem> <para>You cannot have implicit parameters (whether linear or not)
1526   in the context of a class or instance declaration. </para></listitem>
1527 </itemizedlist>
1528 </para>
1529
1530 <sect3><title>Warnings</title>
1531
1532 <para>
1533 The monomorphism restriction is even more important than usual.
1534 Consider the example above:
1535 <programlisting>
1536     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
1537     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
1538                     where
1539                       x'   = newName %ns
1540                       env' = extend env x x'
1541 </programlisting>
1542 If we replaced the two occurrences of x' by (newName %ns), which is
1543 usually a harmless thing to do, we get:
1544 <programlisting>
1545     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
1546     f env (Lam x e) = Lam (newName %ns) (f env e)
1547                     where
1548                       env' = extend env x (newName %ns)
1549 </programlisting>
1550 But now the name supply is consumed in <emphasis>three</emphasis> places
1551 (the two calls to newName,and the recursive call to f), so
1552 the result is utterly different.  Urk!  We don't even have 
1553 the beta rule.
1554 </para>
1555 <para>
1556 Well, this is an experimental change.  With implicit
1557 parameters we have already lost beta reduction anyway, and
1558 (as John Launchbury puts it) we can't sensibly reason about
1559 Haskell programs without knowing their typing.
1560 </para>
1561
1562 </sect3>
1563
1564 <sect3><title>Recursive functions</title>
1565 <para>Linear implicit parameters can be particularly tricky when you have a recursive function
1566 Consider
1567 <programlisting>
1568         foo :: %x::T => Int -> [Int]
1569         foo 0 = []
1570         foo n = %x : foo (n-1)
1571 </programlisting>
1572 where T is some type in class Splittable.</para>
1573 <para>
1574 Do you get a list of all the same T's or all different T's
1575 (assuming that split gives two distinct T's back)?
1576 </para><para>
1577 If you supply the type signature, taking advantage of polymorphic
1578 recursion, you get what you'd probably expect.  Here's the
1579 translated term, where the implicit param is made explicit:
1580 <programlisting>
1581         foo x 0 = []
1582         foo x n = let (x1,x2) = split x
1583                   in x1 : foo x2 (n-1)
1584 </programlisting>
1585 But if you don't supply a type signature, GHC uses the Hindley
1586 Milner trick of using a single monomorphic instance of the function
1587 for the recursive calls. That is what makes Hindley Milner type inference
1588 work.  So the translation becomes
1589 <programlisting>
1590         foo x = let
1591                   foom 0 = []
1592                   foom n = x : foom (n-1)
1593                 in
1594                 foom
1595 </programlisting>
1596 Result: 'x' is not split, and you get a list of identical T's.  So the
1597 semantics of the program depends on whether or not foo has a type signature.
1598 Yikes!
1599 </para><para>
1600 You may say that this is a good reason to dislike linear implicit parameters
1601 and you'd be right.  That is why they are an experimental feature. 
1602 </para>
1603 </sect3>
1604
1605 </sect2>
1606
1607 <sect2 id="functional-dependencies">
1608 <title>Functional dependencies
1609 </title>
1610
1611 <para> Functional dependencies are implemented as described by Mark Jones
1612 in &ldquo;<ulink url="http://www.cse.ogi.edu/~mpj/pubs/fundeps.html">Type Classes with Functional Dependencies</ulink>&rdquo;, Mark P. Jones, 
1613 In Proceedings of the 9th European Symposium on Programming, 
1614 ESOP 2000, Berlin, Germany, March 2000, Springer-Verlag LNCS 1782,
1615 .
1616 </para>
1617
1618 <para>
1619 There should be more documentation, but there isn't (yet).  Yell if you need it.
1620 </para>
1621 </sect2>
1622
1623
1624 <sect2 id="universal-quantification">
1625 <title>Arbitrary-rank polymorphism
1626 </title>
1627
1628 <para>
1629 Haskell type signatures are implicitly quantified.  The new keyword <literal>forall</literal>
1630 allows us to say exactly what this means.  For example:
1631 </para>
1632 <para>
1633 <programlisting>
1634         g :: b -> b
1635 </programlisting>
1636 means this:
1637 <programlisting>
1638         g :: forall b. (b -> b)
1639 </programlisting>
1640 The two are treated identically.
1641 </para>
1642
1643 <para>
1644 However, GHC's type system supports <emphasis>arbitrary-rank</emphasis> 
1645 explicit universal quantification in
1646 types. 
1647 For example, all the following types are legal:
1648 <programlisting>
1649     f1 :: forall a b. a -> b -> a
1650     g1 :: forall a b. (Ord a, Eq  b) => a -> b -> a
1651
1652     f2 :: (forall a. a->a) -> Int -> Int
1653     g2 :: (forall a. Eq a => [a] -> a -> Bool) -> Int -> Int
1654
1655     f3 :: ((forall a. a->a) -> Int) -> Bool -> Bool
1656 </programlisting>
1657 Here, <literal>f1</literal> and <literal>g1</literal> are rank-1 types, and
1658 can be written in standard Haskell (e.g. <literal>f1 :: a->b->a</literal>).
1659 The <literal>forall</literal> makes explicit the universal quantification that
1660 is implicitly added by Haskell.
1661 </para>
1662 <para>
1663 The functions <literal>f2</literal> and <literal>g2</literal> have rank-2 types;
1664 the <literal>forall</literal> is on the left of a function arrrow.  As <literal>g2</literal>
1665 shows, the polymorphic type on the left of the function arrow can be overloaded.
1666 </para>
1667 <para>
1668 The functions <literal>f3</literal> and <literal>g3</literal> have rank-3 types;
1669 they have rank-2 types on the left of a function arrow.
1670 </para>
1671 <para>
1672 GHC allows types of arbitrary rank; you can nest <literal>forall</literal>s
1673 arbitrarily deep in function arrows.   (GHC used to be restricted to rank 2, but
1674 that restriction has now been lifted.)
1675 In particular, a forall-type (also called a "type scheme"),
1676 including an operational type class context, is legal:
1677 <itemizedlist>
1678 <listitem> <para> On the left of a function arrow </para> </listitem>
1679 <listitem> <para> On the right of a function arrow (see <xref linkend="hoist">) </para> </listitem>
1680 <listitem> <para> As the argument of a constructor, or type of a field, in a data type declaration. For
1681 example, any of the <literal>f1,f2,f3,g1,g2,g3</literal> above would be valid
1682 field type signatures.</para> </listitem>
1683 <listitem> <para> As the type of an implicit parameter </para> </listitem>
1684 <listitem> <para> In a pattern type signature (see <xref linkend="scoped-type-variables">) </para> </listitem>
1685 </itemizedlist>
1686 There is one place you cannot put a <literal>forall</literal>:
1687 you cannot instantiate a type variable with a forall-type.  So you cannot 
1688 make a forall-type the argument of a type constructor.  So these types are illegal:
1689 <programlisting>
1690     x1 :: [forall a. a->a]
1691     x2 :: (forall a. a->a, Int)
1692     x3 :: Maybe (forall a. a->a)
1693 </programlisting>
1694 Of course <literal>forall</literal> becomes a keyword; you can't use <literal>forall</literal> as
1695 a type variable any more!
1696 </para>
1697
1698
1699 <sect3 id="univ">
1700 <title>Examples
1701 </title>
1702
1703 <para>
1704 In a <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal> declaration one can quantify
1705 the types of the constructor arguments.  Here are several examples:
1706 </para>
1707
1708 <para>
1709
1710 <programlisting>
1711 data T a = T1 (forall b. b -> b -> b) a
1712
1713 data MonadT m = MkMonad { return :: forall a. a -> m a,
1714                           bind   :: forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b
1715                         }
1716
1717 newtype Swizzle = MkSwizzle (Ord a => [a] -> [a])
1718 </programlisting>
1719
1720 </para>
1721
1722 <para>
1723 The constructors have rank-2 types:
1724 </para>
1725
1726 <para>
1727
1728 <programlisting>
1729 T1 :: forall a. (forall b. b -> b -> b) -> a -> T a
1730 MkMonad :: forall m. (forall a. a -> m a)
1731                   -> (forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b)
1732                   -> MonadT m
1733 MkSwizzle :: (Ord a => [a] -> [a]) -> Swizzle
1734 </programlisting>
1735
1736 </para>
1737
1738 <para>
1739 Notice that you don't need to use a <literal>forall</literal> if there's an
1740 explicit context.  For example in the first argument of the
1741 constructor <function>MkSwizzle</function>, an implicit "<literal>forall a.</literal>" is
1742 prefixed to the argument type.  The implicit <literal>forall</literal>
1743 quantifies all type variables that are not already in scope, and are
1744 mentioned in the type quantified over.
1745 </para>
1746
1747 <para>
1748 As for type signatures, implicit quantification happens for non-overloaded
1749 types too.  So if you write this:
1750
1751 <programlisting>
1752   data T a = MkT (Either a b) (b -> b)
1753 </programlisting>
1754
1755 it's just as if you had written this:
1756
1757 <programlisting>
1758   data T a = MkT (forall b. Either a b) (forall b. b -> b)
1759 </programlisting>
1760
1761 That is, since the type variable <literal>b</literal> isn't in scope, it's
1762 implicitly universally quantified.  (Arguably, it would be better
1763 to <emphasis>require</emphasis> explicit quantification on constructor arguments
1764 where that is what is wanted.  Feedback welcomed.)
1765 </para>
1766
1767 <para>
1768 You construct values of types <literal>T1, MonadT, Swizzle</literal> by applying
1769 the constructor to suitable values, just as usual.  For example,
1770 </para>
1771
1772 <para>
1773
1774 <programlisting>
1775     a1 :: T Int
1776     a1 = T1 (\xy->x) 3
1777     
1778     a2, a3 :: Swizzle
1779     a2 = MkSwizzle sort
1780     a3 = MkSwizzle reverse
1781     
1782     a4 :: MonadT Maybe
1783     a4 = let r x = Just x
1784              b m k = case m of
1785                        Just y -> k y
1786                        Nothing -> Nothing
1787          in
1788          MkMonad r b
1789
1790     mkTs :: (forall b. b -> b -> b) -> a -> [T a]
1791     mkTs f x y = [T1 f x, T1 f y]
1792 </programlisting>
1793
1794 </para>
1795
1796 <para>
1797 The type of the argument can, as usual, be more general than the type
1798 required, as <literal>(MkSwizzle reverse)</literal> shows.  (<function>reverse</function>
1799 does not need the <literal>Ord</literal> constraint.)
1800 </para>
1801
1802 <para>
1803 When you use pattern matching, the bound variables may now have
1804 polymorphic types.  For example:
1805 </para>
1806
1807 <para>
1808
1809 <programlisting>
1810     f :: T a -> a -> (a, Char)
1811     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
1812
1813     g :: (Ord a, Ord b) => Swizzle -> [a] -> (a -> b) -> [b]
1814     g (MkSwizzle s) xs f = s (map f (s xs))
1815
1816     h :: MonadT m -> [m a] -> m [a]
1817     h m [] = return m []
1818     h m (x:xs) = bind m x          $ \y ->
1819                  bind m (h m xs)   $ \ys ->
1820                  return m (y:ys)
1821 </programlisting>
1822
1823 </para>
1824
1825 <para>
1826 In the function <function>h</function> we use the record selectors <literal>return</literal>
1827 and <literal>bind</literal> to extract the polymorphic bind and return functions
1828 from the <literal>MonadT</literal> data structure, rather than using pattern
1829 matching.
1830 </para>
1831 </sect3>
1832
1833 <sect3>
1834 <title>Type inference</title>
1835
1836 <para>
1837 In general, type inference for arbitrary-rank types is undecideable.
1838 GHC uses an algorithm proposed by Odersky and Laufer ("Putting type annotations to work", POPL'96)
1839 to get a decidable algorithm by requiring some help from the programmer.
1840 We do not yet have a formal specification of "some help" but the rule is this:
1841 </para>
1842 <para>
1843 <emphasis>For a lambda-bound or case-bound variable, x, either the programmer
1844 provides an explicit polymorphic type for x, or GHC's type inference will assume
1845 that x's type has no foralls in it</emphasis>.
1846 </para>
1847 <para>
1848 What does it mean to "provide" an explicit type for x?  You can do that by 
1849 giving a type signature for x directly, using a pattern type signature
1850 (<xref linkend="scoped-type-variables">), thus:
1851 <programlisting>
1852      \ f :: (forall a. a->a) -> (f True, f 'c')
1853 </programlisting>
1854 Alternatively, you can give a type signature to the enclosing
1855 context, which GHC can "push down" to find the type for the variable:
1856 <programlisting>
1857      (\ f -> (f True, f 'c')) :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
1858 </programlisting>
1859 Here the type signature on the expression can be pushed inwards
1860 to give a type signature for f.  Similarly, and more commonly,
1861 one can give a type signature for the function itself:
1862 <programlisting>
1863      h :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
1864      h f = (f True, f 'c')
1865 </programlisting>
1866 You don't need to give a type signature if the lambda bound variable
1867 is a constructor argument.  Here is an example we saw earlier:
1868 <programlisting>
1869     f :: T a -> a -> (a, Char)
1870     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
1871 </programlisting>
1872 Here we do not need to give a type signature to <literal>w</literal>, because
1873 it is an argument of constructor <literal>T1</literal> and that tells GHC all
1874 it needs to know.
1875 </para>
1876
1877 </sect3>
1878
1879
1880 <sect3 id="implicit-quant">
1881 <title>Implicit quantification</title>
1882
1883 <para>
1884 GHC performs implicit quantification as follows.  <emphasis>At the top level (only) of 
1885 user-written types, if and only if there is no explicit <literal>forall</literal>,
1886 GHC finds all the type variables mentioned in the type that are not already
1887 in scope, and universally quantifies them.</emphasis>  For example, the following pairs are 
1888 equivalent:
1889 <programlisting>
1890   f :: a -> a
1891   f :: forall a. a -> a
1892
1893   g (x::a) = let
1894                 h :: a -> b -> b
1895                 h x y = y
1896              in ...
1897   g (x::a) = let
1898                 h :: forall b. a -> b -> b
1899                 h x y = y
1900              in ...
1901 </programlisting>
1902 </para>
1903 <para>
1904 Notice that GHC does <emphasis>not</emphasis> find the innermost possible quantification
1905 point.  For example:
1906 <programlisting>
1907   f :: (a -> a) -> Int
1908            -- MEANS
1909   f :: forall a. (a -> a) -> Int
1910            -- NOT
1911   f :: (forall a. a -> a) -> Int
1912
1913
1914   g :: (Ord a => a -> a) -> Int
1915            -- MEANS the illegal type
1916   g :: forall a. (Ord a => a -> a) -> Int
1917            -- NOT
1918   g :: (forall a. Ord a => a -> a) -> Int
1919 </programlisting>
1920 The latter produces an illegal type, which you might think is silly,
1921 but at least the rule is simple.  If you want the latter type, you
1922 can write your for-alls explicitly.  Indeed, doing so is strongly advised
1923 for rank-2 types.
1924 </para>
1925 </sect3>
1926 </sect2>
1927
1928 <sect2 id="type-synonyms">
1929 <title>Liberalised type synonyms 
1930 </title>
1931
1932 <para>
1933 Type synonmys are like macros at the type level, and
1934 GHC does validity checking on types <emphasis>only after expanding type synonyms</emphasis>.
1935 That means that GHC can be very much more liberal about type synonyms than Haskell 98:
1936 <itemizedlist>
1937 <listitem> <para>You can write a <literal>forall</literal> (including overloading)
1938 in a type synonym, thus:
1939 <programlisting>
1940   type Discard a = forall b. Show b => a -> b -> (a, String)
1941
1942   f :: Discard a
1943   f x y = (x, show y)
1944
1945   g :: Discard Int -> (Int,Bool)    -- A rank-2 type
1946   g f = f Int True
1947 </programlisting>
1948 </para>
1949 </listitem>
1950
1951 <listitem><para>
1952 You can write an unboxed tuple in a type synonym:
1953 <programlisting>
1954   type Pr = (# Int, Int #)
1955
1956   h :: Int -> Pr
1957   h x = (# x, x #)
1958 </programlisting>
1959 </para></listitem>
1960
1961 <listitem><para>
1962 You can apply a type synonym to a forall type:
1963 <programlisting>
1964   type Foo a = a -> a -> Bool
1965  
1966   f :: Foo (forall b. b->b)
1967 </programlisting>
1968 After expanding the synonym, <literal>f</literal> has the legal (in GHC) type:
1969 <programlisting>
1970   f :: (forall b. b->b) -> (forall b. b->b) -> Bool
1971 </programlisting>
1972 </para></listitem>
1973
1974 <listitem><para>
1975 You can apply a type synonym to a partially applied type synonym:
1976 <programlisting>
1977   type Generic i o = forall x. i x -> o x
1978   type Id x = x
1979   
1980   foo :: Generic Id []
1981 </programlisting>
1982 After epxanding the synonym, <literal>foo</literal> has the legal (in GHC) type:
1983 <programlisting>
1984   foo :: forall x. x -> [x]
1985 </programlisting>
1986 </para></listitem>
1987
1988 </itemizedlist>
1989 </para>
1990
1991 <para>
1992 GHC currently does kind checking before expanding synonyms (though even that
1993 could be changed.)
1994 </para>
1995 <para>
1996 After expanding type synonyms, GHC does validity checking on types, looking for
1997 the following mal-formedness which isn't detected simply by kind checking:
1998 <itemizedlist>
1999 <listitem><para>
2000 Type constructor applied to a type involving for-alls.
2001 </para></listitem>
2002 <listitem><para>
2003 Unboxed tuple on left of an arrow.
2004 </para></listitem>
2005 <listitem><para>
2006 Partially-applied type synonym.
2007 </para></listitem>
2008 </itemizedlist>
2009 So, for example,
2010 this will be rejected:
2011 <programlisting>
2012   type Pr = (# Int, Int #)
2013
2014   h :: Pr -> Int
2015   h x = ...
2016 </programlisting>
2017 because GHC does not allow  unboxed tuples on the left of a function arrow.
2018 </para>
2019 </sect2>
2020
2021 <sect2 id="hoist">
2022 <title>For-all hoisting</title>
2023 <para>
2024 It is often convenient to use generalised type synonyms at the right hand
2025 end of an arrow, thus:
2026 <programlisting>
2027   type Discard a = forall b. a -> b -> a
2028
2029   g :: Int -> Discard Int
2030   g x y z = x+y
2031 </programlisting>
2032 Simply expanding the type synonym would give
2033 <programlisting>
2034   g :: Int -> (forall b. Int -> b -> Int)
2035 </programlisting>
2036 but GHC "hoists" the <literal>forall</literal> to give the isomorphic type
2037 <programlisting>
2038   g :: forall b. Int -> Int -> b -> Int
2039 </programlisting>
2040 In general, the rule is this: <emphasis>to determine the type specified by any explicit
2041 user-written type (e.g. in a type signature), GHC expands type synonyms and then repeatedly
2042 performs the transformation:</emphasis>
2043 <programlisting>
2044   <emphasis>type1</emphasis> -> forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type2</emphasis>
2045 ==>
2046   forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type1</emphasis> -> <emphasis>type2</emphasis>
2047 </programlisting>
2048 (In fact, GHC tries to retain as much synonym information as possible for use in
2049 error messages, but that is a usability issue.)  This rule applies, of course, whether
2050 or not the <literal>forall</literal> comes from a synonym. For example, here is another
2051 valid way to write <literal>g</literal>'s type signature:
2052 <programlisting>
2053   g :: Int -> Int -> forall b. b -> Int
2054 </programlisting>
2055 </para>
2056 <para>
2057 When doing this hoisting operation, GHC eliminates duplicate constraints.  For
2058 example:
2059 <programlisting>
2060   type Foo a = (?x::Int) => Bool -> a
2061   g :: Foo (Foo Int)
2062 </programlisting>
2063 means
2064 <programlisting>
2065   g :: (?x::Int) => Bool -> Bool -> Int
2066 </programlisting>
2067 </para>
2068 </sect2>
2069
2070
2071 <sect2 id="existential-quantification">
2072 <title>Existentially quantified data constructors
2073 </title>
2074
2075 <para>
2076 The idea of using existential quantification in data type declarations
2077 was suggested by Laufer (I believe, thought doubtless someone will
2078 correct me), and implemented in Hope+. It's been in Lennart
2079 Augustsson's <Command>hbc</Command> Haskell compiler for several years, and
2080 proved very useful.  Here's the idea.  Consider the declaration:
2081 </para>
2082
2083 <para>
2084
2085 <programlisting>
2086   data Foo = forall a. MkFoo a (a -> Bool)
2087            | Nil
2088 </programlisting>
2089
2090 </para>
2091
2092 <para>
2093 The data type <literal>Foo</literal> has two constructors with types:
2094 </para>
2095
2096 <para>
2097
2098 <programlisting>
2099   MkFoo :: forall a. a -> (a -> Bool) -> Foo
2100   Nil   :: Foo
2101 </programlisting>
2102
2103 </para>
2104
2105 <para>
2106 Notice that the type variable <literal>a</literal> in the type of <function>MkFoo</function>
2107 does not appear in the data type itself, which is plain <literal>Foo</literal>.
2108 For example, the following expression is fine:
2109 </para>
2110
2111 <para>
2112
2113 <programlisting>
2114   [MkFoo 3 even, MkFoo 'c' isUpper] :: [Foo]
2115 </programlisting>
2116
2117 </para>
2118
2119 <para>
2120 Here, <literal>(MkFoo 3 even)</literal> packages an integer with a function
2121 <function>even</function> that maps an integer to <literal>Bool</literal>; and <function>MkFoo 'c'
2122 isUpper</function> packages a character with a compatible function.  These
2123 two things are each of type <literal>Foo</literal> and can be put in a list.
2124 </para>
2125
2126 <para>
2127 What can we do with a value of type <literal>Foo</literal>?.  In particular,
2128 what happens when we pattern-match on <function>MkFoo</function>?
2129 </para>
2130
2131 <para>
2132
2133 <programlisting>
2134   f (MkFoo val fn) = ???
2135 </programlisting>
2136
2137 </para>
2138
2139 <para>
2140 Since all we know about <literal>val</literal> and <function>fn</function> is that they
2141 are compatible, the only (useful) thing we can do with them is to
2142 apply <function>fn</function> to <literal>val</literal> to get a boolean.  For example:
2143 </para>
2144
2145 <para>
2146
2147 <programlisting>
2148   f :: Foo -> Bool
2149   f (MkFoo val fn) = fn val
2150 </programlisting>
2151
2152 </para>
2153
2154 <para>
2155 What this allows us to do is to package heterogenous values
2156 together with a bunch of functions that manipulate them, and then treat
2157 that collection of packages in a uniform manner.  You can express
2158 quite a bit of object-oriented-like programming this way.
2159 </para>
2160
2161 <sect3 id="existential">
2162 <title>Why existential?
2163 </title>
2164
2165 <para>
2166 What has this to do with <emphasis>existential</emphasis> quantification?
2167 Simply that <function>MkFoo</function> has the (nearly) isomorphic type
2168 </para>
2169
2170 <para>
2171
2172 <programlisting>
2173   MkFoo :: (exists a . (a, a -> Bool)) -> Foo
2174 </programlisting>
2175
2176 </para>
2177
2178 <para>
2179 But Haskell programmers can safely think of the ordinary
2180 <emphasis>universally</emphasis> quantified type given above, thereby avoiding
2181 adding a new existential quantification construct.
2182 </para>
2183
2184 </sect3>
2185
2186 <sect3>
2187 <title>Type classes</title>
2188
2189 <para>
2190 An easy extension (implemented in <Command>hbc</Command>) is to allow
2191 arbitrary contexts before the constructor.  For example:
2192 </para>
2193
2194 <para>
2195
2196 <programlisting>
2197 data Baz = forall a. Eq a => Baz1 a a
2198          | forall b. Show b => Baz2 b (b -> b)
2199 </programlisting>
2200
2201 </para>
2202
2203 <para>
2204 The two constructors have the types you'd expect:
2205 </para>
2206
2207 <para>
2208
2209 <programlisting>
2210 Baz1 :: forall a. Eq a => a -> a -> Baz
2211 Baz2 :: forall b. Show b => b -> (b -> b) -> Baz
2212 </programlisting>
2213
2214 </para>
2215
2216 <para>
2217 But when pattern matching on <function>Baz1</function> the matched values can be compared
2218 for equality, and when pattern matching on <function>Baz2</function> the first matched
2219 value can be converted to a string (as well as applying the function to it).
2220 So this program is legal:
2221 </para>
2222
2223 <para>
2224
2225 <programlisting>
2226   f :: Baz -> String
2227   f (Baz1 p q) | p == q    = "Yes"
2228                | otherwise = "No"
2229   f (Baz2 v fn)            = show (fn v)
2230 </programlisting>
2231
2232 </para>
2233
2234 <para>
2235 Operationally, in a dictionary-passing implementation, the
2236 constructors <function>Baz1</function> and <function>Baz2</function> must store the
2237 dictionaries for <literal>Eq</literal> and <literal>Show</literal> respectively, and
2238 extract it on pattern matching.
2239 </para>
2240
2241 <para>
2242 Notice the way that the syntax fits smoothly with that used for
2243 universal quantification earlier.
2244 </para>
2245
2246 </sect3>
2247
2248 <sect3>
2249 <title>Restrictions</title>
2250
2251 <para>
2252 There are several restrictions on the ways in which existentially-quantified
2253 constructors can be use.
2254 </para>
2255
2256 <para>
2257
2258 <itemizedlist>
2259 <listitem>
2260
2261 <para>
2262  When pattern matching, each pattern match introduces a new,
2263 distinct, type for each existential type variable.  These types cannot
2264 be unified with any other type, nor can they escape from the scope of
2265 the pattern match.  For example, these fragments are incorrect:
2266
2267
2268 <programlisting>
2269 f1 (MkFoo a f) = a
2270 </programlisting>
2271
2272
2273 Here, the type bound by <function>MkFoo</function> "escapes", because <literal>a</literal>
2274 is the result of <function>f1</function>.  One way to see why this is wrong is to
2275 ask what type <function>f1</function> has:
2276
2277
2278 <programlisting>
2279   f1 :: Foo -> a             -- Weird!
2280 </programlisting>
2281
2282
2283 What is this "<literal>a</literal>" in the result type? Clearly we don't mean
2284 this:
2285
2286
2287 <programlisting>
2288   f1 :: forall a. Foo -> a   -- Wrong!
2289 </programlisting>
2290
2291
2292 The original program is just plain wrong.  Here's another sort of error
2293
2294
2295 <programlisting>
2296   f2 (Baz1 a b) (Baz1 p q) = a==q
2297 </programlisting>
2298
2299
2300 It's ok to say <literal>a==b</literal> or <literal>p==q</literal>, but
2301 <literal>a==q</literal> is wrong because it equates the two distinct types arising
2302 from the two <function>Baz1</function> constructors.
2303
2304
2305 </para>
2306 </listitem>
2307 <listitem>
2308
2309 <para>
2310 You can't pattern-match on an existentially quantified
2311 constructor in a <literal>let</literal> or <literal>where</literal> group of
2312 bindings. So this is illegal:
2313
2314
2315 <programlisting>
2316   f3 x = a==b where { Baz1 a b = x }
2317 </programlisting>
2318
2319 Instead, use a <literal>case</literal> expression:
2320
2321 <programlisting>
2322   f3 x = case x of Baz1 a b -> a==b
2323 </programlisting>
2324
2325 In general, you can only pattern-match
2326 on an existentially-quantified constructor in a <literal>case</literal> expression or
2327 in the patterns of a function definition.
2328
2329 The reason for this restriction is really an implementation one.
2330 Type-checking binding groups is already a nightmare without
2331 existentials complicating the picture.  Also an existential pattern
2332 binding at the top level of a module doesn't make sense, because it's
2333 not clear how to prevent the existentially-quantified type "escaping".
2334 So for now, there's a simple-to-state restriction.  We'll see how
2335 annoying it is.
2336
2337 </para>
2338 </listitem>
2339 <listitem>
2340
2341 <para>
2342 You can't use existential quantification for <literal>newtype</literal>
2343 declarations.  So this is illegal:
2344
2345
2346 <programlisting>
2347   newtype T = forall a. Ord a => MkT a
2348 </programlisting>
2349
2350
2351 Reason: a value of type <literal>T</literal> must be represented as a pair
2352 of a dictionary for <literal>Ord t</literal> and a value of type <literal>t</literal>.
2353 That contradicts the idea that <literal>newtype</literal> should have no
2354 concrete representation.  You can get just the same efficiency and effect
2355 by using <literal>data</literal> instead of <literal>newtype</literal>.  If there is no
2356 overloading involved, then there is more of a case for allowing
2357 an existentially-quantified <literal>newtype</literal>, because the <literal>data</literal>
2358 because the <literal>data</literal> version does carry an implementation cost,
2359 but single-field existentially quantified constructors aren't much
2360 use.  So the simple restriction (no existential stuff on <literal>newtype</literal>)
2361 stands, unless there are convincing reasons to change it.
2362
2363
2364 </para>
2365 </listitem>
2366 <listitem>
2367
2368 <para>
2369  You can't use <literal>deriving</literal> to define instances of a
2370 data type with existentially quantified data constructors.
2371
2372 Reason: in most cases it would not make sense. For example:&num;
2373
2374 <programlisting>
2375 data T = forall a. MkT [a] deriving( Eq )
2376 </programlisting>
2377
2378 To derive <literal>Eq</literal> in the standard way we would need to have equality
2379 between the single component of two <function>MkT</function> constructors:
2380
2381 <programlisting>
2382 instance Eq T where
2383   (MkT a) == (MkT b) = ???
2384 </programlisting>
2385
2386 But <VarName>a</VarName> and <VarName>b</VarName> have distinct types, and so can't be compared.
2387 It's just about possible to imagine examples in which the derived instance
2388 would make sense, but it seems altogether simpler simply to prohibit such
2389 declarations.  Define your own instances!
2390 </para>
2391 </listitem>
2392
2393 </itemizedlist>
2394
2395 </para>
2396
2397 </sect3>
2398
2399 </sect2>
2400
2401 <sect2 id="scoped-type-variables">
2402 <title>Scoped type variables
2403 </title>
2404
2405 <para>
2406 A <emphasis>pattern type signature</emphasis> can introduce a <emphasis>scoped type
2407 variable</emphasis>.  For example
2408 </para>
2409
2410 <para>
2411
2412 <programlisting>
2413 f (xs::[a]) = ys ++ ys
2414            where
2415               ys :: [a]
2416               ys = reverse xs
2417 </programlisting>
2418
2419 </para>
2420
2421 <para>
2422 The pattern <literal>(xs::[a])</literal> includes a type signature for <VarName>xs</VarName>.
2423 This brings the type variable <literal>a</literal> into scope; it scopes over
2424 all the patterns and right hand sides for this equation for <function>f</function>.
2425 In particular, it is in scope at the type signature for <VarName>y</VarName>.
2426 </para>
2427
2428 <para>
2429  Pattern type signatures are completely orthogonal to ordinary, separate
2430 type signatures.  The two can be used independently or together.
2431 At ordinary type signatures, such as that for <VarName>ys</VarName>, any type variables
2432 mentioned in the type signature <emphasis>that are not in scope</emphasis> are
2433 implicitly universally quantified.  (If there are no type variables in
2434 scope, all type variables mentioned in the signature are universally
2435 quantified, which is just as in Haskell 98.)  In this case, since <VarName>a</VarName>
2436 is in scope, it is not universally quantified, so the type of <VarName>ys</VarName> is
2437 the same as that of <VarName>xs</VarName>.  In Haskell 98 it is not possible to declare
2438 a type for <VarName>ys</VarName>; a major benefit of scoped type variables is that
2439 it becomes possible to do so.
2440 </para>
2441
2442 <para>
2443 Scoped type variables are implemented in both GHC and Hugs.  Where the
2444 implementations differ from the specification below, those differences
2445 are noted.
2446 </para>
2447
2448 <para>
2449 So much for the basic idea.  Here are the details.
2450 </para>
2451
2452 <sect3>
2453 <title>What a pattern type signature means</title>
2454 <para>
2455 A type variable brought into scope by a pattern type signature is simply
2456 the name for a type.   The restriction they express is that all occurrences
2457 of the same name mean the same type.  For example:
2458 <programlisting>
2459   f :: [Int] -> Int -> Int
2460   f (xs::[a]) (y::a) = (head xs + y) :: a
2461 </programlisting>
2462 The pattern type signatures on the left hand side of
2463 <literal>f</literal> express the fact that <literal>xs</literal>
2464 must be a list of things of some type <literal>a</literal>; and that <literal>y</literal>
2465 must have this same type.  The type signature on the expression <literal>(head xs)</literal>
2466 specifies that this expression must have the same type <literal>a</literal>.
2467 <emphasis>There is no requirement that the type named by "<literal>a</literal>" is
2468 in fact a type variable</emphasis>.  Indeed, in this case, the type named by "<literal>a</literal>" is
2469 <literal>Int</literal>.  (This is a slight liberalisation from the original rather complex
2470 rules, which specified that a pattern-bound type variable should be universally quantified.)
2471 For example, all of these are legal:</para>
2472
2473 <programlisting>
2474   t (x::a) (y::a) = x+y*2
2475
2476   f (x::a) (y::b) = [x,y]       -- a unifies with b
2477
2478   g (x::a) = x + 1::Int         -- a unifies with Int
2479
2480   h x = let k (y::a) = [x,y]    -- a is free in the
2481         in k x                  -- environment
2482
2483   k (x::a) True    = ...        -- a unifies with Int
2484   k (x::Int) False = ...
2485
2486   w :: [b] -> [b]
2487   w (x::a) = x                  -- a unifies with [b]
2488 </programlisting>
2489
2490 </sect3>
2491
2492 <sect3>
2493 <title>Scope and implicit quantification</title>
2494
2495 <para>
2496
2497 <itemizedlist>
2498 <listitem>
2499
2500 <para>
2501 All the type variables mentioned in a pattern,
2502 that are not already in scope,
2503 are brought into scope by the pattern.  We describe this set as
2504 the <emphasis>type variables bound by the pattern</emphasis>.
2505 For example:
2506 <programlisting>
2507   f (x::a) = let g (y::(a,b)) = fst y
2508              in
2509              g (x,True)
2510 </programlisting>
2511 The pattern <literal>(x::a)</literal> brings the type variable
2512 <literal>a</literal> into scope, as well as the term 
2513 variable <literal>x</literal>.  The pattern <literal>(y::(a,b))</literal>
2514 contains an occurrence of the already-in-scope type variable <literal>a</literal>,
2515 and brings into scope the type variable <literal>b</literal>.
2516 </para>
2517 </listitem>
2518
2519 <listitem>
2520 <para>
2521 The type variable(s) bound by the pattern have the same scope
2522 as the term variable(s) bound by the pattern.  For example:
2523 <programlisting>
2524   let
2525     f (x::a) = <...rhs of f...>
2526     (p::b, q::b) = (1,2)
2527   in <...body of let...>
2528 </programlisting>
2529 Here, the type variable <literal>a</literal> scopes over the right hand side of <literal>f</literal>,
2530 just like <literal>x</literal> does; while the type variable <literal>b</literal> scopes over the
2531 body of the <literal>let</literal>, and all the other definitions in the <literal>let</literal>,
2532 just like <literal>p</literal> and <literal>q</literal> do.
2533 Indeed, the newly bound type variables also scope over any ordinary, separate
2534 type signatures in the <literal>let</literal> group.
2535 </para>
2536 </listitem>
2537
2538
2539 <listitem>
2540 <para>
2541 The type variables bound by the pattern may be 
2542 mentioned in ordinary type signatures or pattern 
2543 type signatures anywhere within their scope.
2544
2545 </para>
2546 </listitem>
2547
2548 <listitem>
2549 <para>
2550  In ordinary type signatures, any type variable mentioned in the
2551 signature that is in scope is <emphasis>not</emphasis> universally quantified.
2552
2553 </para>
2554 </listitem>
2555
2556 <listitem>
2557
2558 <para>
2559  Ordinary type signatures do not bring any new type variables
2560 into scope (except in the type signature itself!). So this is illegal:
2561
2562 <programlisting>
2563   f :: a -> a
2564   f x = x::a
2565 </programlisting>
2566
2567 It's illegal because <VarName>a</VarName> is not in scope in the body of <function>f</function>,
2568 so the ordinary signature <literal>x::a</literal> is equivalent to <literal>x::forall a.a</literal>;
2569 and that is an incorrect typing.
2570
2571 </para>
2572 </listitem>
2573
2574 <listitem>
2575 <para>
2576 The pattern type signature is a monotype:
2577 </para>
2578
2579 <itemizedlist>
2580 <listitem> <para> 
2581 A pattern type signature cannot contain any explicit <literal>forall</literal> quantification.
2582 </para> </listitem>
2583
2584 <listitem>  <para> 
2585 The type variables bound by a pattern type signature can only be instantiated to monotypes,
2586 not to type schemes.
2587 </para> </listitem>
2588
2589 <listitem>  <para> 
2590 There is no implicit universal quantification on pattern type signatures (in contrast to
2591 ordinary type signatures).
2592 </para> </listitem>
2593
2594 </itemizedlist>
2595
2596 </listitem>
2597
2598 <listitem>
2599 <para>
2600
2601 The type variables in the head of a <literal>class</literal> or <literal>instance</literal> declaration
2602 scope over the methods defined in the <literal>where</literal> part.  For example:
2603
2604
2605 <programlisting>
2606   class C a where
2607     op :: [a] -> a
2608
2609     op xs = let ys::[a]
2610                 ys = reverse xs
2611             in
2612             head ys
2613 </programlisting>
2614
2615
2616 (Not implemented in Hugs yet, Dec 98).
2617 </para>
2618 </listitem>
2619
2620 </itemizedlist>
2621
2622 </para>
2623
2624 </sect3>
2625
2626 <sect3>
2627 <title>Result type signatures</title>
2628
2629 <para>
2630
2631 <itemizedlist>
2632 <listitem>
2633
2634 <para>
2635  The result type of a function can be given a signature,
2636 thus:
2637
2638
2639 <programlisting>
2640   f (x::a) :: [a] = [x,x,x]
2641 </programlisting>
2642
2643
2644 The final <literal>:: [a]</literal> after all the patterns gives a signature to the
2645 result type.  Sometimes this is the only way of naming the type variable
2646 you want:
2647
2648
2649 <programlisting>
2650   f :: Int -> [a] -> [a]
2651   f n :: ([a] -> [a]) = let g (x::a, y::a) = (y,x)
2652                         in \xs -> map g (reverse xs `zip` xs)
2653 </programlisting>
2654
2655
2656 </para>
2657 </listitem>
2658
2659 </itemizedlist>
2660
2661 </para>
2662
2663 <para>
2664 Result type signatures are not yet implemented in Hugs.
2665 </para>
2666
2667 </sect3>
2668
2669 <sect3>
2670 <title>Where a pattern type signature can occur</title>
2671
2672 <para>
2673 A pattern type signature can occur in any pattern.  For example:
2674 <itemizedlist>
2675
2676 <listitem>
2677 <para>
2678 A pattern type signature can be on an arbitrary sub-pattern, not
2679 ust on a variable:
2680
2681
2682 <programlisting>
2683   f ((x,y)::(a,b)) = (y,x) :: (b,a)
2684 </programlisting>
2685
2686
2687 </para>
2688 </listitem>
2689 <listitem>
2690
2691 <para>
2692  Pattern type signatures, including the result part, can be used
2693 in lambda abstractions:
2694
2695 <programlisting>
2696   (\ (x::a, y) :: a -> x)
2697 </programlisting>
2698 </para>
2699 </listitem>
2700 <listitem>
2701
2702 <para>
2703  Pattern type signatures, including the result part, can be used
2704 in <literal>case</literal> expressions:
2705
2706
2707 <programlisting>
2708   case e of { (x::a, y) :: a -> x }
2709 </programlisting>
2710
2711 </para>
2712 </listitem>
2713
2714 <listitem>
2715 <para>
2716 To avoid ambiguity, the type after the &ldquo;<literal>::</literal>&rdquo; in a result
2717 pattern signature on a lambda or <literal>case</literal> must be atomic (i.e. a single
2718 token or a parenthesised type of some sort).  To see why,
2719 consider how one would parse this:
2720
2721
2722 <programlisting>
2723   \ x :: a -> b -> x
2724 </programlisting>
2725
2726
2727 </para>
2728 </listitem>
2729
2730 <listitem>
2731
2732 <para>
2733  Pattern type signatures can bind existential type variables.
2734 For example:
2735
2736
2737 <programlisting>
2738   data T = forall a. MkT [a]
2739
2740   f :: T -> T
2741   f (MkT [t::a]) = MkT t3
2742                  where
2743                    t3::[a] = [t,t,t]
2744 </programlisting>
2745
2746
2747 </para>
2748 </listitem>
2749
2750
2751 <listitem>
2752
2753 <para>
2754 Pattern type signatures 
2755 can be used in pattern bindings:
2756
2757 <programlisting>
2758   f x = let (y, z::a) = x in ...
2759   f1 x                = let (y, z::Int) = x in ...
2760   f2 (x::(Int,a))     = let (y, z::a)   = x in ...
2761   f3 :: (b->b)        = \x -> x
2762 </programlisting>
2763
2764 In all such cases, the binding is not generalised over the pattern-bound
2765 type variables.  Thus <literal>f3</literal> is monomorphic; <literal>f3</literal>
2766 has type <literal>b -&gt; b</literal> for some type <literal>b</literal>, 
2767 and <emphasis>not</emphasis> <literal>forall b. b -&gt; b</literal>.
2768 In contrast, the binding
2769 <programlisting>
2770   f4 :: b->b
2771   f4 = \x -> x
2772 </programlisting>
2773 makes a polymorphic function, but <literal>b</literal> is not in scope anywhere
2774 in <literal>f4</literal>'s scope.
2775
2776 </para>
2777 </listitem>
2778 </itemizedlist>
2779 </para>
2780
2781 </sect3>
2782 </sect2>
2783
2784 <sect2 id="newtype-deriving">
2785 <title>Generalised derived instances for newtypes</title>
2786
2787 <para>
2788 When you define an abstract type using <literal>newtype</literal>, you may want
2789 the new type to inherit some instances from its representation. In
2790 Haskell 98, you can inherit instances of <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
2791 <literal>Enum</literal> and <literal>Bounded</literal> by deriving them, but for any
2792 other classes you have to write an explicit instance declaration. For
2793 example, if you define
2794
2795 <programlisting> 
2796   newtype Dollars = Dollars Int 
2797 </programlisting> 
2798
2799 and you want to use arithmetic on <literal>Dollars</literal>, you have to
2800 explicitly define an instance of <literal>Num</literal>:
2801
2802 <programlisting> 
2803   instance Num Dollars where
2804     Dollars a + Dollars b = Dollars (a+b)
2805     ...
2806 </programlisting>
2807 All the instance does is apply and remove the <literal>newtype</literal>
2808 constructor. It is particularly galling that, since the constructor
2809 doesn't appear at run-time, this instance declaration defines a
2810 dictionary which is <emphasis>wholly equivalent</emphasis> to the <literal>Int</literal>
2811 dictionary, only slower!
2812 </para>
2813
2814
2815 <sect3> <title> Generalising the deriving clause </title>
2816 <para>
2817 GHC now permits such instances to be derived instead, so one can write 
2818 <programlisting> 
2819   newtype Dollars = Dollars Int deriving (Eq,Show,Num)
2820 </programlisting> 
2821
2822 and the implementation uses the <emphasis>same</emphasis> <literal>Num</literal> dictionary
2823 for <literal>Dollars</literal> as for <literal>Int</literal>. Notionally, the compiler
2824 derives an instance declaration of the form
2825
2826 <programlisting> 
2827   instance Num Int => Num Dollars
2828 </programlisting> 
2829
2830 which just adds or removes the <literal>newtype</literal> constructor according to the type.
2831 </para>
2832 <para>
2833
2834 We can also derive instances of constructor classes in a similar
2835 way. For example, suppose we have implemented state and failure monad
2836 transformers, such that
2837
2838 <programlisting> 
2839   instance Monad m => Monad (State s m) 
2840   instance Monad m => Monad (Failure m)
2841 </programlisting> 
2842 In Haskell 98, we can define a parsing monad by 
2843 <programlisting> 
2844   type Parser tok m a = State [tok] (Failure m) a
2845 </programlisting> 
2846
2847 which is automatically a monad thanks to the instance declarations
2848 above. With the extension, we can make the parser type abstract,
2849 without needing to write an instance of class <literal>Monad</literal>, via
2850
2851 <programlisting> 
2852   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
2853                          deriving Monad
2854 </programlisting>
2855 In this case the derived instance declaration is of the form 
2856 <programlisting> 
2857   instance Monad (State [tok] (Failure m)) => Monad (Parser tok m) 
2858 </programlisting> 
2859
2860 Notice that, since <literal>Monad</literal> is a constructor class, the
2861 instance is a <emphasis>partial application</emphasis> of the new type, not the
2862 entire left hand side. We can imagine that the type declaration is
2863 ``eta-converted'' to generate the context of the instance
2864 declaration.
2865 </para>
2866 <para>
2867
2868 We can even derive instances of multi-parameter classes, provided the
2869 newtype is the last class parameter. In this case, a ``partial
2870 application'' of the class appears in the <literal>deriving</literal>
2871 clause. For example, given the class
2872
2873 <programlisting> 
2874   class StateMonad s m | m -> s where ... 
2875   instance Monad m => StateMonad s (State s m) where ... 
2876 </programlisting> 
2877 then we can derive an instance of <literal>StateMonad</literal> for <literal>Parser</literal>s by 
2878 <programlisting> 
2879   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
2880                          deriving (Monad, StateMonad [tok])
2881 </programlisting>
2882
2883 The derived instance is obtained by completing the application of the
2884 class to the new type:
2885
2886 <programlisting> 
2887   instance StateMonad [tok] (State [tok] (Failure m)) =>
2888            StateMonad [tok] (Parser tok m)
2889 </programlisting>
2890 </para>
2891 <para>
2892
2893 As a result of this extension, all derived instances in newtype
2894 declarations are treated uniformly (and implemented just by reusing
2895 the dictionary for the representation type), <emphasis>except</emphasis>
2896 <literal>Show</literal> and <literal>Read</literal>, which really behave differently for
2897 the newtype and its representation.
2898 </para>
2899 </sect3>
2900
2901 <sect3> <title> A more precise specification </title>
2902 <para>
2903 Derived instance declarations are constructed as follows. Consider the
2904 declaration (after expansion of any type synonyms)
2905
2906 <programlisting> 
2907   newtype T v1...vn = T' (S t1...tk vk+1...vn) deriving (c1...cm) 
2908 </programlisting> 
2909
2910 where <literal>S</literal> is a type constructor, <literal>t1...tk</literal> are 
2911 types,
2912 <literal>vk+1...vn</literal> are type variables which do not occur in any of
2913 the <literal>ti</literal>, and the <literal>ci</literal> are partial applications of
2914 classes of the form <literal>C t1'...tj'</literal>.  The derived instance
2915 declarations are, for each <literal>ci</literal>,
2916
2917 <programlisting> 
2918   instance ci (S t1...tk vk+1...v) => ci (T v1...vp)
2919 </programlisting>
2920 where <literal>p</literal> is chosen so that <literal>T v1...vp</literal> is of the 
2921 right <emphasis>kind</emphasis> for the last parameter of class <literal>Ci</literal>.
2922 </para>
2923 <para>
2924
2925 As an example which does <emphasis>not</emphasis> work, consider 
2926 <programlisting> 
2927   newtype NonMonad m s = NonMonad (State s m s) deriving Monad 
2928 </programlisting> 
2929 Here we cannot derive the instance 
2930 <programlisting> 
2931   instance Monad (State s m) => Monad (NonMonad m) 
2932 </programlisting> 
2933
2934 because the type variable <literal>s</literal> occurs in <literal>State s m</literal>,
2935 and so cannot be "eta-converted" away. It is a good thing that this
2936 <literal>deriving</literal> clause is rejected, because <literal>NonMonad m</literal> is
2937 not, in fact, a monad --- for the same reason. Try defining
2938 <literal>>>=</literal> with the correct type: you won't be able to.
2939 </para>
2940 <para>
2941
2942 Notice also that the <emphasis>order</emphasis> of class parameters becomes
2943 important, since we can only derive instances for the last one. If the
2944 <literal>StateMonad</literal> class above were instead defined as
2945
2946 <programlisting> 
2947   class StateMonad m s | m -> s where ... 
2948 </programlisting>
2949
2950 then we would not have been able to derive an instance for the
2951 <literal>Parser</literal> type above. We hypothesise that multi-parameter
2952 classes usually have one "main" parameter for which deriving new
2953 instances is most interesting.
2954 </para>
2955 </sect3>
2956
2957 </sect2>
2958
2959
2960 </sect1>
2961 <!-- ==================== End of type system extensions =================  -->
2962   
2963 <!-- ====================== TEMPLATE HASKELL =======================  -->
2964
2965 <sect1 id="template-haskell">
2966 <title>Template Haskell</title>
2967
2968 <para>Template Haskell allows you to do compile-time meta-programming in Haskell.  The background 
2969 the main technical innovations are discussed in "<ulink
2970 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/papers/meta-haskell">
2971 Template Meta-programming for Haskell</ulink>", in 
2972 Proc Haskell Workshop 2002.
2973 </para>
2974
2975 <para>
2976 The documentation here describes the realisation in GHC.  (It's rather sketchy just now;
2977 Tim Sheard is going to expand it.)
2978 </para>
2979
2980 <sect2>  <title> Syntax </title>
2981 <para>
2982     Template Haskell has the following new syntactic constructions.  You need to use the flag  
2983                 <literal>-fglasgow-exts</literal> to switch these syntactic extensions on.
2984
2985         <itemizedlist>
2986               <listitem><para>
2987                   A splice is written <literal>$x</literal>, where <literal>x</literal> is an
2988                   identifier, or <literal>$(...)</literal>, where the "..." is an arbitrary expression.
2989                   There must be no space between the "$" and the identifier or parenthesis.  This use
2990                   of "$" overrides its meaning as an infix operator, just as "M.x" overrides the meaning
2991                   of "." as an infix operator.  If you want the infix operator, put spaces around it.
2992                   </para>
2993               <para> A splice can occur in place of 
2994                   <itemizedlist>
2995                     <listitem><para> an expression;</para></listitem>
2996                     <listitem><para> a list of top-level declarations;</para></listitem>
2997                     <listitem><para> a pattern;</para></listitem>
2998                     <listitem><para> a type;</para></listitem>
2999                     </itemizedlist>
3000                 </para></listitem>
3001
3002
3003               <listitem><para>
3004                   A expression quotation is written in Oxford brackets, thus:
3005                   <itemizedlist>
3006                     <listitem><para> <literal>[| ... |]</literal>, where the "..." is an expression;</para></listitem>
3007                     <listitem><para> <literal>[d| ... |]</literal>, where the "..." is a list of top-level declarations;</para></listitem>
3008                     <listitem><para> <literal>[p| ... |]</literal>, where the "..." is a pattern;</para></listitem>
3009                     <listitem><para> <literal>[t| ... |]</literal>, where the "..." is a type;</para></listitem>
3010                   </itemizedlist></para></listitem>
3011
3012               <listitem><para>
3013                   Reification is written thus:
3014                   <itemizedlist>
3015                     <listitem><para> <literal>reifyDecl T</literal>, where <literal>T</literal> is a type constructor; this expression
3016                       has type <literal>Dec</literal>. </para></listitem>
3017                     <listitem><para> <literal>reifyDecl C</literal>, where <literal>C</literal> is a class; has type <literal>Dec</literal>.</para></listitem>
3018                     <listitem><para> <literal>reifyType f</literal>, where <literal>f</literal> is an identifier; has type <literal>Typ</literal>.</para></listitem>
3019                     <listitem><para> Still to come: fixities </para></listitem>
3020                     
3021                   </itemizedlist></para>
3022                 </listitem>
3023
3024                   
3025         </itemizedlist>
3026 </para>
3027 </sect2>
3028
3029 <sect2>  <title> Using Template Haskell </title>
3030 <para>
3031 <itemizedlist>
3032     <listitem><para>
3033     The data types and monadic constructor functions for Template Haskell are in the library
3034     <literal>Language.Haskell.THSyntax</literal>.
3035     </para></listitem>
3036
3037     <listitem><para>
3038             If the module contains any top-level splices that must be run, you must use GHC with
3039             <literal>--make</literal> or <literal>--interactive</literal> flags.  (Reason: that 
3040             means it walks the dependency tree and knows what modules must be linked etc.)
3041    </para></listitem>
3042
3043     <listitem><para>
3044     You can only run a function at compile time if it is imported from another module.  That is,
3045             you can't define a function in a module, and call it from within a splice in the same module.
3046             (It would make sense to do so, but it's hard to implement.)
3047    </para></listitem>
3048
3049     <listitem><para>
3050             The flag <literal>-ddump-splices</literal> shows the expansion of all top-level splices as they happen.
3051    </para></listitem>
3052 </itemizedlist>
3053 </para>
3054 </sect2>
3055  
3056 </sect1>
3057
3058 <!-- ==================== ASSERTIONS =================  -->
3059
3060 <sect1 id="sec-assertions">
3061 <title>Assertions
3062 <indexterm><primary>Assertions</primary></indexterm>
3063 </title>
3064
3065 <para>
3066 If you want to make use of assertions in your standard Haskell code, you
3067 could define a function like the following:
3068 </para>
3069
3070 <para>
3071
3072 <programlisting>
3073 assert :: Bool -> a -> a
3074 assert False x = error "assertion failed!"
3075 assert _     x = x
3076 </programlisting>
3077
3078 </para>
3079
3080 <para>
3081 which works, but gives you back a less than useful error message --
3082 an assertion failed, but which and where?
3083 </para>
3084
3085 <para>
3086 One way out is to define an extended <function>assert</function> function which also
3087 takes a descriptive string to include in the error message and
3088 perhaps combine this with the use of a pre-processor which inserts
3089 the source location where <function>assert</function> was used.
3090 </para>
3091
3092 <para>
3093 Ghc offers a helping hand here, doing all of this for you. For every
3094 use of <function>assert</function> in the user's source:
3095 </para>
3096
3097 <para>
3098
3099 <programlisting>
3100 kelvinToC :: Double -> Double
3101 kelvinToC k = assert (k &gt;= 0.0) (k+273.15)
3102 </programlisting>
3103
3104 </para>
3105
3106 <para>
3107 Ghc will rewrite this to also include the source location where the
3108 assertion was made,
3109 </para>
3110
3111 <para>
3112
3113 <programlisting>
3114 assert pred val ==> assertError "Main.hs|15" pred val
3115 </programlisting>
3116
3117 </para>
3118
3119 <para>
3120 The rewrite is only performed by the compiler when it spots
3121 applications of <function>Control.Exception.assert</function>, so you
3122 can still define and use your own versions of
3123 <function>assert</function>, should you so wish. If not, import
3124 <literal>Control.Exception</literal> to make use
3125 <function>assert</function> in your code.
3126 </para>
3127
3128 <para>
3129 To have the compiler ignore uses of assert, use the compiler option
3130 <option>-fignore-asserts</option>. <indexterm><primary>-fignore-asserts
3131 option</primary></indexterm> That is, expressions of the form
3132 <literal>assert pred e</literal> will be rewritten to
3133 <literal>e</literal>.
3134 </para>
3135
3136 <para>
3137 Assertion failures can be caught, see the documentation for the
3138 <literal>Control.Exception</literal> library for the details.
3139 </para>
3140
3141 </sect1>
3142
3143
3144 <!-- =============================== PRAGMAS ===========================  -->
3145
3146   <sect1 id="pragmas">
3147     <title>Pragmas</title>
3148
3149     <indexterm><primary>pragma</primary></indexterm>
3150
3151     <para>GHC supports several pragmas, or instructions to the
3152     compiler placed in the source code.  Pragmas don't normally affect
3153     the meaning of the program, but they might affect the efficiency
3154     of the generated code.</para>
3155
3156     <para>Pragmas all take the form
3157
3158 <literal>{-# <replaceable>word</replaceable> ... #-}</literal>  
3159
3160     where <replaceable>word</replaceable> indicates the type of
3161     pragma, and is followed optionally by information specific to that
3162     type of pragma.  Case is ignored in
3163     <replaceable>word</replaceable>.  The various values for
3164     <replaceable>word</replaceable> that GHC understands are described
3165     in the following sections; any pragma encountered with an
3166     unrecognised <replaceable>word</replaceable> is (silently)
3167     ignored.</para>
3168
3169 <sect2 id="inline-pragma">
3170 <title>INLINE pragma
3171
3172 <indexterm><primary>INLINE pragma</primary></indexterm>
3173 <indexterm><primary>pragma, INLINE</primary></indexterm></title>
3174
3175 <para>
3176 GHC (with <option>-O</option>, as always) tries to inline (or &ldquo;unfold&rdquo;)
3177 functions/values that are &ldquo;small enough,&rdquo; thus avoiding the call
3178 overhead and possibly exposing other more-wonderful optimisations.
3179 </para>
3180
3181 <para>
3182 You will probably see these unfoldings (in Core syntax) in your
3183 interface files.
3184 </para>
3185
3186 <para>
3187 Normally, if GHC decides a function is &ldquo;too expensive&rdquo; to inline, it
3188 will not do so, nor will it export that unfolding for other modules to
3189 use.
3190 </para>
3191
3192 <para>
3193 The sledgehammer you can bring to bear is the
3194 <literal>INLINE</literal><indexterm><primary>INLINE pragma</primary></indexterm> pragma, used thusly:
3195
3196 <programlisting>
3197 key_function :: Int -> String -> (Bool, Double)
3198
3199 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
3200 {-# INLINE key_function #-}
3201 #endif
3202 </programlisting>
3203
3204 (You don't need to do the C pre-processor carry-on unless you're going
3205 to stick the code through HBC&mdash;it doesn't like <literal>INLINE</literal> pragmas.)
3206 </para>
3207
3208 <para>
3209 The major effect of an <literal>INLINE</literal> pragma is to declare a function's
3210 &ldquo;cost&rdquo; to be very low.  The normal unfolding machinery will then be
3211 very keen to inline it.
3212 </para>
3213
3214 <para>
3215 An <literal>INLINE</literal> pragma for a function can be put anywhere its type
3216 signature could be put.
3217 </para>
3218
3219 <para>
3220 <literal>INLINE</literal> pragmas are a particularly good idea for the
3221 <literal>then</literal>/<literal>return</literal> (or <literal>bind</literal>/<literal>unit</literal>) functions in a monad.
3222 For example, in GHC's own <literal>UniqueSupply</literal> monad code, we have:
3223
3224 <programlisting>
3225 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
3226 {-# INLINE thenUs #-}
3227 {-# INLINE returnUs #-}
3228 #endif
3229 </programlisting>
3230
3231 </para>
3232
3233 </sect2>
3234
3235 <sect2 id="noinline-pragma">
3236 <title>NOINLINE pragma
3237 </title>
3238
3239 <indexterm><primary>NOINLINE pragma</primary></indexterm>
3240 <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>NOINLINE</secondary></indexterm>
3241 <indexterm><primary>NOTINLINE pragma</primary></indexterm>
3242 <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>NOTINLINE</secondary></indexterm>
3243
3244 <para>
3245 The <literal>NOINLINE</literal> pragma does exactly what you'd expect:
3246 it stops the named function from being inlined by the compiler.  You
3247 shouldn't ever need to do this, unless you're very cautious about code
3248 size.
3249 </para>
3250
3251 <para><literal>NOTINLINE</literal> is a synonym for
3252 <literal>NOINLINE</literal> (<literal>NOTINLINE</literal> is specified
3253 by Haskell 98 as the standard way to disable inlining, so it should be
3254 used if you want your code to be portable).</para>
3255
3256 </sect2>
3257
3258     <sect2 id="specialize-pragma">
3259       <title>SPECIALIZE pragma</title>
3260
3261       <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
3262       <indexterm><primary>pragma, SPECIALIZE</primary></indexterm>
3263       <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
3264
3265       <para>(UK spelling also accepted.)  For key overloaded
3266       functions, you can create extra versions (NB: more code space)
3267       specialised to particular types.  Thus, if you have an
3268       overloaded function:</para>
3269
3270 <programlisting>
3271 hammeredLookup :: Ord key => [(key, value)] -> key -> value
3272 </programlisting>
3273
3274       <para>If it is heavily used on lists with
3275       <literal>Widget</literal> keys, you could specialise it as
3276       follows:</para>
3277
3278 <programlisting>
3279 {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Widget, value)] -> Widget -> value #-}
3280 </programlisting>
3281
3282       <para>To get very fancy, you can also specify a named function
3283       to use for the specialised value, as in:</para>
3284
3285 <programlisting>
3286 {-# RULES hammeredLookup = blah #-}
3287 </programlisting>
3288
3289       <para>where <literal>blah</literal> is an implementation of
3290       <literal>hammerdLookup</literal> written specialy for
3291       <literal>Widget</literal> lookups.  It's <emphasis>Your
3292       Responsibility</emphasis> to make sure that
3293       <function>blah</function> really behaves as a specialised
3294       version of <function>hammeredLookup</function>!!!</para>
3295
3296       <para>Note we use the <literal>RULE</literal> pragma here to
3297       indicate that <literal>hammeredLookup</literal> applied at a
3298       certain type should be replaced by <literal>blah</literal>.  See
3299       <xref linkend="rules"> for more information on
3300       <literal>RULES</literal>.</para>
3301
3302       <para>An example in which using <literal>RULES</literal> for
3303       specialisation will Win Big:
3304
3305 <programlisting>
3306 toDouble :: Real a => a -> Double
3307 toDouble = fromRational . toRational
3308
3309 {-# SPECIALIZE toDouble :: Int -> Double = i2d #-}
3310 i2d (I# i) = D# (int2Double# i) -- uses Glasgow prim-op directly
3311 </programlisting>
3312
3313       The <function>i2d</function> function is virtually one machine
3314       instruction; the default conversion&mdash;via an intermediate
3315       <literal>Rational</literal>&mdash;is obscenely expensive by
3316       comparison.</para>
3317
3318       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> pragma for a function can
3319       be put anywhere its type signature could be put.</para>
3320
3321     </sect2>
3322
3323 <sect2 id="specialize-instance-pragma">
3324 <title>SPECIALIZE instance pragma
3325 </title>
3326
3327 <para>
3328 <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
3329 <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
3330 Same idea, except for instance declarations.  For example:
3331
3332 <programlisting>
3333 instance (Eq a) => Eq (Foo a) where { 
3334    {-# SPECIALIZE instance Eq (Foo [(Int, Bar)]) #-}
3335    ... usual stuff ...
3336  }
3337 </programlisting>
3338 The pragma must occur inside the <literal>where</literal> part
3339 of the instance declaration.
3340 </para>
3341 <para>
3342 Compatible with HBC, by the way, except perhaps in the placement
3343 of the pragma.
3344 </para>
3345
3346 </sect2>
3347
3348 <sect2 id="line-pragma">
3349 <title>LINE pragma
3350 </title>
3351
3352 <para>
3353 <indexterm><primary>LINE pragma</primary></indexterm>
3354 <indexterm><primary>pragma, LINE</primary></indexterm>
3355 </para>
3356
3357 <para>
3358 This pragma is similar to C's <literal>&num;line</literal> pragma, and is mainly for use in
3359 automatically generated Haskell code.  It lets you specify the line
3360 number and filename of the original code; for example
3361 </para>
3362
3363 <para>
3364
3365 <programlisting>
3366 {-# LINE 42 "Foo.vhs" #-}
3367 </programlisting>
3368
3369 </para>
3370
3371 <para>
3372 if you'd generated the current file from something called <filename>Foo.vhs</filename>
3373 and this line corresponds to line 42 in the original.  GHC will adjust
3374 its error messages to refer to the line/file named in the <literal>LINE</literal>
3375 pragma.
3376 </para>
3377
3378 </sect2>
3379
3380 <sect2 id="rules">
3381 <title>RULES pragma</title>
3382
3383 <para>
3384 The RULES pragma lets you specify rewrite rules.  It is described in
3385 <xref LinkEnd="rewrite-rules">.
3386 </para>
3387
3388 </sect2>
3389
3390 <sect2 id="deprecated-pragma">
3391 <title>DEPRECATED pragma</title>
3392
3393 <para>
3394 The DEPRECATED pragma lets you specify that a particular function, class, or type, is deprecated.  
3395 There are two forms.  
3396 </para>
3397 <itemizedlist>
3398 <listitem><para>
3399 You can deprecate an entire module thus:</para>
3400 <programlisting>
3401    module Wibble {-# DEPRECATED "Use Wobble instead" #-} where
3402      ...
3403 </programlisting>
3404 <para>
3405 When you compile any module that import <literal>Wibble</literal>, GHC will print
3406 the specified message.</para>
3407 </listitem>
3408
3409 <listitem>
3410 <para>
3411 You can deprecate a function, class, or type, with the following top-level declaration:
3412 </para>
3413 <programlisting>
3414    {-# DEPRECATED f, C, T "Don't use these" #-}
3415 </programlisting>
3416 <para>
3417 When you compile any module that imports and uses any of the specifed entities, 
3418 GHC will print the specified message.
3419 </para>
3420 </listitem>
3421 </itemizedlist>
3422 <para>You can suppress the warnings with the flag <option>-fno-warn-deprecations</option>.</para>
3423
3424 </sect2>
3425
3426 </sect1>
3427
3428 <!--  ======================= REWRITE RULES ======================== -->
3429
3430 <sect1 id="rewrite-rules">
3431 <title>Rewrite rules
3432
3433 <indexterm><primary>RULES pagma</primary></indexterm>
3434 <indexterm><primary>pragma, RULES</primary></indexterm>
3435 <indexterm><primary>rewrite rules</primary></indexterm></title>
3436
3437 <para>
3438 The programmer can specify rewrite rules as part of the source program
3439 (in a pragma).  GHC applies these rewrite rules wherever it can.
3440 </para>
3441
3442 <para>
3443 Here is an example:
3444
3445 <programlisting>
3446   {-# RULES
3447         "map/map"       forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
3448   #-}
3449 </programlisting>
3450
3451 </para>
3452
3453 <sect2>
3454 <title>Syntax</title>
3455
3456 <para>
3457 From a syntactic point of view:
3458
3459 <itemizedlist>
3460 <listitem>
3461
3462 <para>
3463  Each rule has a name, enclosed in double quotes.  The name itself has
3464 no significance at all.  It is only used when reporting how many times the rule fired.
3465 </para>
3466 </listitem>
3467 <listitem>
3468
3469 <para>
3470  There may be zero or more rules in a <literal>RULES</literal> pragma.
3471 </para>
3472 </listitem>
3473 <listitem>
3474
3475 <para>
3476  Layout applies in a <literal>RULES</literal> pragma.  Currently no new indentation level
3477 is set, so you must lay out your rules starting in the same column as the
3478 enclosing definitions.
3479 </para>
3480 </listitem>
3481 <listitem>
3482
3483 <para>
3484  Each variable mentioned in a rule must either be in scope (e.g. <function>map</function>),
3485 or bound by the <literal>forall</literal> (e.g. <function>f</function>, <function>g</function>, <function>xs</function>).  The variables bound by
3486 the <literal>forall</literal> are called the <emphasis>pattern</emphasis> variables.  They are separated
3487 by spaces, just like in a type <literal>forall</literal>.
3488 </para>
3489 </listitem>
3490 <listitem>
3491
3492 <para>
3493  A pattern variable may optionally have a type signature.
3494 If the type of the pattern variable is polymorphic, it <emphasis>must</emphasis> have a type signature.
3495 For example, here is the <literal>foldr/build</literal> rule:
3496
3497 <programlisting>
3498 "fold/build"  forall k z (g::forall b. (a->b->b) -> b -> b) .
3499               foldr k z (build g) = g k z
3500 </programlisting>
3501
3502 Since <function>g</function> has a polymorphic type, it must have a type signature.
3503
3504 </para>
3505 </listitem>
3506 <listitem>
3507
3508 <para>
3509 The left hand side of a rule must consist of a top-level variable applied
3510 to arbitrary expressions.  For example, this is <emphasis>not</emphasis> OK:
3511
3512 <programlisting>
3513 "wrong1"   forall e1 e2.  case True of { True -> e1; False -> e2 } = e1
3514 "wrong2"   forall f.      f True = True
3515 </programlisting>
3516
3517 In <literal>"wrong1"</literal>, the LHS is not an application; in <literal>"wrong2"</literal>, the LHS has a pattern variable
3518 in the head.
3519 </para>
3520 </listitem>
3521 <listitem>
3522
3523 <para>
3524  A rule does not need to be in the same module as (any of) the
3525 variables it mentions, though of course they need to be in scope.
3526 </para>
3527 </listitem>
3528 <listitem>
3529
3530 <para>
3531  Rules are automatically exported from a module, just as instance declarations are.
3532 </para>
3533 </listitem>
3534
3535 </itemizedlist>
3536
3537 </para>
3538
3539 </sect2>
3540
3541 <sect2>
3542 <title>Semantics</title>
3543
3544 <para>
3545 From a semantic point of view:
3546
3547 <itemizedlist>
3548 <listitem>
3549
3550 <para>
3551 Rules are only applied if you use the <option>-O</option> flag.
3552 </para>
3553 </listitem>
3554
3555 <listitem>
3556 <para>
3557  Rules are regarded as left-to-right rewrite rules.
3558 When GHC finds an expression that is a substitution instance of the LHS
3559 of a rule, it replaces the expression by the (appropriately-substituted) RHS.
3560 By "a substitution instance" we mean that the LHS can be made equal to the
3561 expression by substituting for the pattern variables.
3562
3563 </para>
3564 </listitem>
3565 <listitem>
3566
3567 <para>
3568  The LHS and RHS of a rule are typechecked, and must have the
3569 same type.
3570
3571 </para>
3572 </listitem>
3573 <listitem>
3574
3575 <para>
3576  GHC makes absolutely no attempt to verify that the LHS and RHS
3577 of a rule have the same meaning.  That is undecideable in general, and
3578 infeasible in most interesting cases.  The responsibility is entirely the programmer's!
3579
3580 </para>
3581 </listitem>
3582 <listitem>
3583
3584 <para>
3585  GHC makes no attempt to make sure that the rules are confluent or
3586 terminating.  For example:
3587
3588 <programlisting>
3589   "loop"        forall x,y.  f x y = f y x
3590 </programlisting>
3591
3592 This rule will cause the compiler to go into an infinite loop.
3593
3594 </para>
3595 </listitem>
3596 <listitem>
3597
3598 <para>
3599  If more than one rule matches a call, GHC will choose one arbitrarily to apply.
3600
3601 </para>
3602 </listitem>
3603 <listitem>
3604 <para>
3605  GHC currently uses a very simple, syntactic, matching algorithm
3606 for matching a rule LHS with an expression.  It seeks a substitution
3607 which makes the LHS and expression syntactically equal modulo alpha
3608 conversion.  The pattern (rule), but not the expression, is eta-expanded if
3609 necessary.  (Eta-expanding the epression can lead to laziness bugs.)
3610 But not beta conversion (that's called higher-order matching).
3611 </para>
3612
3613 <para>
3614 Matching is carried out on GHC's intermediate language, which includes
3615 type abstractions and applications.  So a rule only matches if the
3616 types match too.  See <xref LinkEnd="rule-spec"> below.
3617 </para>
3618 </listitem>
3619 <listitem>
3620
3621 <para>
3622  GHC keeps trying to apply the rules as it optimises the program.
3623 For example, consider:
3624
3625 <programlisting>
3626   let s = map f
3627       t = map g
3628   in
3629   s (t xs)
3630 </programlisting>
3631
3632 The expression <literal>s (t xs)</literal> does not match the rule <literal>"map/map"</literal>, but GHC
3633 will substitute for <VarName>s</VarName> and <VarName>t</VarName>, giving an expression which does match.
3634 If <VarName>s</VarName> or <VarName>t</VarName> was (a) used more than once, and (b) large or a redex, then it would
3635 not be substituted, and the rule would not fire.
3636
3637 </para>
3638 </listitem>
3639 <listitem>
3640
3641 <para>
3642  In the earlier phases of compilation, GHC inlines <emphasis>nothing
3643 that appears on the LHS of a rule</emphasis>, because once you have substituted
3644 for something you can't match against it (given the simple minded
3645 matching).  So if you write the rule
3646
3647 <programlisting>
3648         "map/map"       forall f,g.  map f . map g = map (f.g)
3649 </programlisting>
3650
3651 this <emphasis>won't</emphasis> match the expression <literal>map f (map g xs)</literal>.
3652 It will only match something written with explicit use of ".".
3653 Well, not quite.  It <emphasis>will</emphasis> match the expression
3654
3655 <programlisting>
3656 wibble f g xs
3657 </programlisting>
3658
3659 where <function>wibble</function> is defined:
3660
3661 <programlisting>
3662 wibble f g = map f . map g
3663 </programlisting>
3664
3665 because <function>wibble</function> will be inlined (it's small).
3666
3667 Later on in compilation, GHC starts inlining even things on the
3668 LHS of rules, but still leaves the rules enabled.  This inlining
3669 policy is controlled by the per-simplification-pass flag <option>-finline-phase</option><emphasis>n</emphasis>.
3670
3671 </para>
3672 </listitem>
3673 <listitem>
3674
3675 <para>
3676  All rules are implicitly exported from the module, and are therefore
3677 in force in any module that imports the module that defined the rule, directly
3678 or indirectly.  (That is, if A imports B, which imports C, then C's rules are
3679 in force when compiling A.)  The situation is very similar to that for instance
3680 declarations.
3681 </para>
3682 </listitem>
3683
3684 </itemizedlist>
3685
3686 </para>
3687
3688 </sect2>
3689
3690 <sect2>
3691 <title>List fusion</title>
3692
3693 <para>
3694 The RULES mechanism is used to implement fusion (deforestation) of common list functions.
3695 If a "good consumer" consumes an intermediate list constructed by a "good producer", the
3696 intermediate list should be eliminated entirely.
3697 </para>
3698
3699 <para>
3700 The following are good producers:
3701
3702 <itemizedlist>
3703 <listitem>
3704
3705 <para>
3706  List comprehensions
3707 </para>
3708 </listitem>
3709 <listitem>
3710
3711 <para>
3712  Enumerations of <literal>Int</literal> and <literal>Char</literal> (e.g. <literal>['a'..'z']</literal>).
3713 </para>
3714 </listitem>
3715 <listitem>
3716
3717 <para>
3718  Explicit lists (e.g. <literal>[True, False]</literal>)
3719 </para>
3720 </listitem>
3721 <listitem>
3722
3723 <para>
3724  The cons constructor (e.g <literal>3:4:[]</literal>)
3725 </para>
3726 </listitem>
3727 <listitem>
3728
3729 <para>
3730  <function>++</function>
3731 </para>
3732 </listitem>
3733
3734 <listitem>
3735 <para>
3736  <function>map</function>
3737 </para>
3738 </listitem>
3739
3740 <listitem>
3741 <para>
3742  <function>filter</function>
3743 </para>
3744 </listitem>
3745 <listitem>
3746
3747 <para>
3748  <function>iterate</function>, <function>repeat</function>
3749 </para>
3750 </listitem>
3751 <listitem>
3752
3753 <para>
3754  <function>zip</function>, <function>zipWith</function>
3755 </para>
3756 </listitem>
3757
3758 </itemizedlist>
3759
3760 </para>
3761
3762 <para>
3763 The following are good consumers:
3764
3765 <itemizedlist>
3766 <listitem>
3767
3768 <para>
3769  List comprehensions
3770 </para>
3771 </listitem>
3772 <listitem>
3773
3774 <para>
3775  <function>array</function> (on its second argument)
3776 </para>
3777 </listitem>
3778 <listitem>
3779
3780 <para>
3781  <function>length</function>
3782 </para>
3783 </listitem>
3784 <listitem>
3785
3786 <para>
3787  <function>++</function> (on its first argument)
3788 </para>
3789 </listitem>
3790
3791 <listitem>
3792 <para>
3793  <function>foldr</function>
3794 </para>
3795 </listitem>
3796
3797 <listitem>
3798 <para>
3799  <function>map</function>
3800 </para>
3801 </listitem>
3802 <listitem>
3803
3804 <para>
3805  <function>filter</function>
3806 </para>
3807 </listitem>
3808 <listitem>
3809
3810 <para>
3811  <function>concat</function>
3812 </para>
3813 </listitem>
3814 <listitem>
3815
3816 <para>
3817  <function>unzip</function>, <function>unzip2</function>, <function>unzip3</function>, <function>unzip4</function>
3818 </para>
3819 </listitem>
3820 <listitem>
3821
3822 <para>
3823  <function>zip</function>, <function>zipWith</function> (but on one argument only; if both are good producers, <function>zip</function>
3824 will fuse with one but not the other)
3825 </para>
3826 </listitem>
3827 <listitem>
3828
3829 <para>
3830  <function>partition</function>
3831 </para>
3832 </listitem>
3833 <listitem>
3834
3835 <para>
3836  <function>head</function>
3837 </para>
3838 </listitem>
3839 <listitem>
3840
3841 <para>
3842  <function>and</function>, <function>or</function>, <function>any</function>, <function>all</function>
3843 </para>
3844 </listitem>
3845 <listitem>
3846
3847 <para>
3848  <function>sequence&lowbar;</function>
3849 </para>
3850 </listitem>
3851 <listitem>
3852
3853 <para>
3854  <function>msum</function>
3855 </para>
3856 </listitem>
3857 <listitem>
3858
3859 <para>
3860  <function>sortBy</function>
3861 </para>
3862 </listitem>
3863
3864 </itemizedlist>
3865
3866 </para>
3867
3868 <para>
3869 So, for example, the following should generate no intermediate lists:
3870
3871 <programlisting>
3872 array (1,10) [(i,i*i) | i &#60;- map (+ 1) [0..9]]
3873 </programlisting>
3874
3875 </para>
3876
3877 <para>
3878 This list could readily be extended; if there are Prelude functions that you use
3879 a lot which are not included, please tell us.
3880 </para>
3881
3882 <para>
3883 If you want to write your own good consumers or producers, look at the
3884 Prelude definitions of the above functions to see how to do so.
3885 </para>
3886
3887 </sect2>
3888
3889 <sect2 id="rule-spec">
3890 <title>Specialisation
3891 </title>
3892
3893 <para>
3894 Rewrite rules can be used to get the same effect as a feature
3895 present in earlier version of GHC:
3896
3897 <programlisting>
3898   {-# SPECIALIZE fromIntegral :: Int8 -> Int16 = int8ToInt16 #-}
3899 </programlisting>
3900
3901 This told GHC to use <function>int8ToInt16</function> instead of <function>fromIntegral</function> whenever
3902 the latter was called with type <literal>Int8 -&gt; Int16</literal>.  That is, rather than
3903 specialising the original definition of <function>fromIntegral</function> the programmer is
3904 promising that it is safe to use <function>int8ToInt16</function> instead.
3905 </para>
3906
3907 <para>
3908 This feature is no longer in GHC.  But rewrite rules let you do the
3909 same thing:
3910
3911 <programlisting>
3912 {-# RULES
3913   "fromIntegral/Int8/Int16" fromIntegral = int8ToInt16
3914 #-}
3915 </programlisting>
3916
3917 This slightly odd-looking rule instructs GHC to replace <function>fromIntegral</function>
3918 by <function>int8ToInt16</function> <emphasis>whenever the types match</emphasis>.  Speaking more operationally,
3919 GHC adds the type and dictionary applications to get the typed rule
3920
3921 <programlisting>
3922 forall (d1::Integral Int8) (d2::Num Int16) .
3923         fromIntegral Int8 Int16 d1 d2 = int8ToInt16
3924 </programlisting>
3925
3926 What is more,
3927 this rule does not need to be in the same file as fromIntegral,
3928 unlike the <literal>SPECIALISE</literal> pragmas which currently do (so that they
3929 have an original definition available to specialise).
3930 </para>
3931
3932 </sect2>
3933
3934 <sect2>
3935 <title>Controlling what's going on</title>
3936
3937 <para>
3938
3939 <itemizedlist>
3940 <listitem>
3941
3942 <para>
3943  Use <option>-ddump-rules</option> to see what transformation rules GHC is using.
3944 </para>
3945 </listitem>
3946 <listitem>
3947
3948 <para>
3949  Use <option>-ddump-simpl-stats</option> to see what rules are being fired.
3950 If you add <option>-dppr-debug</option> you get a more detailed listing.
3951 </para>
3952 </listitem>
3953 <listitem>
3954
3955 <para>
3956  The defintion of (say) <function>build</function> in <FileName>PrelBase.lhs</FileName> looks llike this:
3957
3958 <programlisting>
3959         build   :: forall a. (forall b. (a -> b -> b) -> b -> b) -> [a]
3960         {-# INLINE build #-}
3961         build g = g (:) []
3962 </programlisting>
3963
3964 Notice the <literal>INLINE</literal>!  That prevents <literal>(:)</literal> from being inlined when compiling
3965 <literal>PrelBase</literal>, so that an importing module will &ldquo;see&rdquo; the <literal>(:)</literal>, and can
3966 match it on the LHS of a rule.  <literal>INLINE</literal> prevents any inlining happening
3967 in the RHS of the <literal>INLINE</literal> thing.  I regret the delicacy of this.
3968
3969 </para>
3970 </listitem>
3971 <listitem>
3972
3973 <para>
3974  In <filename>ghc/lib/std/PrelBase.lhs</filename> look at the rules for <function>map</function> to
3975 see how to write rules that will do fusion and yet give an efficient
3976 program even if fusion doesn't happen.  More rules in <filename>PrelList.lhs</filename>.
3977 </para>
3978 </listitem>
3979
3980 </itemizedlist>
3981
3982 </para>
3983
3984 </sect2>
3985
3986 </sect1>
3987
3988 <sect1 id="generic-classes">
3989 <title>Generic classes</title>
3990
3991     <para>(Note: support for generic classes is currently broken in
3992     GHC 5.02).</para>
3993
3994 <para>
3995 The ideas behind this extension are described in detail in "Derivable type classes",
3996 Ralf Hinze and Simon Peyton Jones, Haskell Workshop, Montreal Sept 2000, pp94-105.
3997 An example will give the idea:
3998 </para>
3999
4000 <programlisting>
4001   import Generics
4002
4003   class Bin a where
4004     toBin   :: a -> [Int]
4005     fromBin :: [Int] -> (a, [Int])
4006   
4007     toBin {| Unit |}    Unit      = []
4008     toBin {| a :+: b |} (Inl x)   = 0 : toBin x
4009     toBin {| a :+: b |} (Inr y)   = 1 : toBin y
4010     toBin {| a :*: b |} (x :*: y) = toBin x ++ toBin y
4011   
4012     fromBin {| Unit |}    bs      = (Unit, bs)
4013     fromBin {| a :+: b |} (0:bs)  = (Inl x, bs')    where (x,bs') = fromBin bs
4014     fromBin {| a :+: b |} (1:bs)  = (Inr y, bs')    where (y,bs') = fromBin bs
4015     fromBin {| a :*: b |} bs      = (x :*: y, bs'') where (x,bs' ) = fromBin bs
4016                                                           (y,bs'') = fromBin bs'
4017 </programlisting>
4018 <para>
4019 This class declaration explains how <literal>toBin</literal> and <literal>fromBin</literal>
4020 work for arbitrary data types.  They do so by giving cases for unit, product, and sum,
4021 which are defined thus in the library module <literal>Generics</literal>:
4022 </para>
4023 <programlisting>
4024   data Unit    = Unit
4025   data a :+: b = Inl a | Inr b
4026   data a :*: b = a :*: b
4027 </programlisting>
4028 <para>
4029 Now you can make a data type into an instance of Bin like this:
4030 <programlisting>
4031   instance (Bin a, Bin b) => Bin (a,b)
4032   instance Bin a => Bin [a]
4033 </programlisting>
4034 That is, just leave off the "where" clasuse.  Of course, you can put in the
4035 where clause and over-ride whichever methods you please.
4036 </para>
4037
4038     <sect2>
4039       <title> Using generics </title>
4040       <para>To use generics you need to</para>
4041       <itemizedlist>
4042         <listitem>
4043           <para>Use the flags <option>-fglasgow-exts</option> (to enable the extra syntax), 
4044                 <option>-fgenerics</option> (to generate extra per-data-type code),
4045                 and <option>-package lang</option> (to make the <literal>Generics</literal> library
4046                 available.  </para>
4047         </listitem>
4048         <listitem>
4049           <para>Import the module <literal>Generics</literal> from the
4050           <literal>lang</literal> package.  This import brings into
4051           scope the data types <literal>Unit</literal>,
4052           <literal>:*:</literal>, and <literal>:+:</literal>.  (You
4053           don't need this import if you don't mention these types
4054           explicitly; for example, if you are simply giving instance
4055           declarations.)</para>
4056         </listitem>
4057       </itemizedlist>
4058     </sect2>
4059
4060 <sect2> <title> Changes wrt the paper </title>
4061 <para>
4062 Note that the type constructors <literal>:+:</literal> and <literal>:*:</literal> 
4063 can be written infix (indeed, you can now use
4064 any operator starting in a colon as an infix type constructor).  Also note that
4065 the type constructors are not exactly as in the paper (Unit instead of 1, etc).
4066 Finally, note that the syntax of the type patterns in the class declaration
4067 uses "<literal>{|</literal>" and "<literal>|}</literal>" brackets; curly braces
4068 alone would ambiguous when they appear on right hand sides (an extension we 
4069 anticipate wanting).
4070 </para>
4071 </sect2>
4072
4073 <sect2> <title>Terminology and restrictions</title>
4074 <para>
4075 Terminology.  A "generic default method" in a class declaration
4076 is one that is defined using type patterns as above.
4077 A "polymorphic default method" is a default method defined as in Haskell 98.
4078 A "generic class declaration" is a class declaration with at least one
4079 generic default method.
4080 </para>
4081
4082 <para>
4083 Restrictions:
4084 <itemizedlist>
4085 <listitem>
4086 <para>
4087 Alas, we do not yet implement the stuff about constructor names and 
4088 field labels.
4089 </para>
4090 </listitem>
4091
4092 <listitem>
4093 <para>
4094 A generic class can have only one parameter; you can't have a generic
4095 multi-parameter class.
4096 </para>
4097 </listitem>
4098
4099 <listitem>
4100 <para>
4101 A default method must be defined entirely using type patterns, or entirely
4102 without.  So this is illegal:
4103 <programlisting>
4104   class Foo a where
4105     op :: a -> (a, Bool)
4106     op {| Unit |} Unit = (Unit, True)
4107     op x               = (x,    False)
4108 </programlisting>
4109 However it is perfectly OK for some methods of a generic class to have 
4110 generic default methods and others to have polymorphic default methods.
4111 </para>
4112 </listitem>
4113
4114 <listitem>
4115 <para>
4116 The type variable(s) in the type pattern for a generic method declaration
4117 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:
4118 <programlisting>
4119   class Foo a where
4120     op :: a -> Bool
4121     op {| p :*: q |} (x :*: y) = op (x :: p)
4122     ...
4123 </programlisting>
4124 </para>
4125 </listitem>
4126
4127 <listitem>
4128 <para>
4129 The type patterns in a generic default method must take one of the forms:
4130 <programlisting>
4131        a :+: b
4132        a :*: b
4133        Unit
4134 </programlisting>
4135 where "a" and "b" are type variables.  Furthermore, all the type patterns for
4136 a single type constructor (<literal>:*:</literal>, say) must be identical; they
4137 must use the same type variables.  So this is illegal:
4138 <programlisting>
4139   class Foo a where
4140     op :: a -> Bool
4141     op {| a :+: b |} (Inl x) = True
4142     op {| p :+: q |} (Inr y) = False
4143 </programlisting>
4144 The type patterns must be identical, even in equations for different methods of the class.
4145 So this too is illegal:
4146 <programlisting>
4147   class Foo a where
4148     op1 :: a -> Bool
4149     op1 {| a :*: b |} (x :*: y) = True
4150
4151     op2 :: a -> Bool
4152     op2 {| p :*: q |} (x :*: y) = False
4153 </programlisting>
4154 (The reason for this restriction is that we gather all the equations for a particular type consructor
4155 into a single generic instance declaration.)
4156 </para>
4157 </listitem>
4158
4159 <listitem>
4160 <para>
4161 A generic method declaration must give a case for each of the three type constructors.
4162 </para>
4163 </listitem>
4164
4165 <listitem>
4166 <para>
4167 The type for a generic method can be built only from:
4168   <itemizedlist>
4169   <listitem> <para> Function arrows </para> </listitem>
4170   <listitem> <para> Type variables </para> </listitem>
4171   <listitem> <para> Tuples </para> </listitem>
4172   <listitem> <para> Arbitrary types not involving type variables </para> </listitem>
4173   </itemizedlist>
4174 Here are some example type signatures for generic methods:
4175 <programlisting>
4176     op1 :: a -> Bool
4177     op2 :: Bool -> (a,Bool)
4178     op3 :: [Int] -> a -> a
4179     op4 :: [a] -> Bool
4180 </programlisting>
4181 Here, op1, op2, op3 are OK, but op4 is rejected, because it has a type variable
4182 inside a list.  
4183 </para>
4184 <para>
4185 This restriction is an implementation restriction: we just havn't got around to
4186 implementing the necessary bidirectional maps over arbitrary type constructors.
4187 It would be relatively easy to add specific type constructors, such as Maybe and list,
4188 to the ones that are allowed.</para>
4189 </listitem>
4190
4191 <listitem>
4192 <para>
4193 In an instance declaration for a generic class, the idea is that the compiler
4194 will fill in the methods for you, based on the generic templates.  However it can only
4195 do so if
4196   <itemizedlist>
4197   <listitem>
4198   <para>
4199   The instance type is simple (a type constructor applied to type variables, as in Haskell 98).
4200   </para>
4201   </listitem>
4202   <listitem>
4203   <para>
4204   No constructor of the instance type has unboxed fields.
4205   </para>
4206   </listitem>
4207   </itemizedlist>
4208 (Of course, these things can only arise if you are already using GHC extensions.)
4209 However, you can still give an instance declarations for types which break these rules,
4210 provided you give explicit code to override any generic default methods.
4211 </para>
4212 </listitem>
4213
4214 </itemizedlist>
4215 </para>
4216
4217 <para>
4218 The option <option>-ddump-deriv</option> dumps incomprehensible stuff giving details of 
4219 what the compiler does with generic declarations.
4220 </para>
4221
4222 </sect2>
4223
4224 <sect2> <title> Another example </title>
4225 <para>
4226 Just to finish with, here's another example I rather like:
4227 <programlisting>
4228   class Tag a where
4229     nCons :: a -> Int
4230     nCons {| Unit |}    _ = 1
4231     nCons {| a :*: b |} _ = 1
4232     nCons {| a :+: b |} _ = nCons (bot::a) + nCons (bot::b)
4233   
4234     tag :: a -> Int
4235     tag {| Unit |}    _       = 1
4236     tag {| a :*: b |} _       = 1   
4237     tag {| a :+: b |} (Inl x) = tag x
4238     tag {| a :+: b |} (Inr y) = nCons (bot::a) + tag y
4239 </programlisting>
4240 </para>
4241 </sect2>
4242 </sect1>
4243
4244
4245
4246 <!-- Emacs stuff:
4247      ;;; Local Variables: ***
4248      ;;; mode: sgml ***
4249      ;;; sgml-parent-document: ("users_guide.sgml" "book" "chapter" "sect1") ***
4250      ;;; End: ***
4251  -->