8589b04b52ee57eea716bd81c0f0b69835285df4
[ghc-hetmet.git] / ghc / docs / users_guide / glasgow_exts.sgml
1 <para>
2 <indexterm><primary>language, GHC</primary></indexterm>
3 <indexterm><primary>extensions, GHC</primary></indexterm>
4 As with all known Haskell systems, GHC implements some extensions to
5 the language.  To use them, you'll need to give a <option>-fglasgow-exts</option>
6 <indexterm><primary>-fglasgow-exts option</primary></indexterm> option.
7 </para>
8
9 <para>
10 Virtually all of the Glasgow extensions serve to give you access to
11 the underlying facilities with which we implement Haskell.  Thus, you
12 can get at the Raw Iron, if you are willing to write some non-standard
13 code at a more primitive level.  You need not be &ldquo;stuck&rdquo; on
14 performance because of the implementation costs of Haskell's
15 &ldquo;high-level&rdquo; features&mdash;you can always code &ldquo;under&rdquo; them.  In an extreme case, you can write all your time-critical code in C, and then just glue it together with Haskell!
16 </para>
17
18 <para>
19 Executive summary of our extensions:
20 </para>
21
22   <variablelist>
23
24     <varlistentry>
25       <term>Unboxed types and primitive operations:</Term>
26       <listitem>
27         <para>You can get right down to the raw machine types and
28         operations; included in this are &ldquo;primitive
29         arrays&rdquo; (direct access to Big Wads of Bytes).  Please
30         see <XRef LinkEnd="glasgow-unboxed"> and following.</para>
31       </listitem>
32     </varlistentry>
33
34     <varlistentry>
35       <term>Type system extensions:</term>
36       <listitem>
37         <para> GHC supports a large number of extensions to Haskell's
38         type system.  Specifically:</para>
39
40         <variablelist>
41           <varlistentry>
42             <term>Multi-parameter type classes:</term>
43             <listitem>
44               <para><xref LinkEnd="multi-param-type-classes"></para>
45             </listitem>
46           </varlistentry>
47
48           <varlistentry>
49             <term>Functional dependencies:</term>
50             <listitem>
51               <para><xref LinkEnd="functional-dependencies"></para>
52             </listitem>
53           </varlistentry>
54
55           <varlistentry>
56             <term>Implicit parameters:</term>
57             <listitem>
58               <para><xref LinkEnd="implicit-parameters"></para>
59             </listitem>
60           </varlistentry>
61
62           <varlistentry>
63             <term>Local universal quantification:</term>
64             <listitem>
65               <para><xref LinkEnd="universal-quantification"></para>
66             </listitem>
67           </varlistentry>
68
69           <varlistentry>
70             <term>Extistentially quantification in data types:</term>
71             <listitem>
72               <para><xref LinkEnd="existential-quantification"></para>
73             </listitem>
74           </varlistentry>
75
76           <varlistentry>
77             <term>Scoped type variables:</term>
78             <listitem>
79               <para>Scoped type variables enable the programmer to
80               supply type signatures for some nested declarations,
81               where this would not be legal in Haskell 98.  Details in
82               <xref LinkEnd="scoped-type-variables">.</para>
83             </listitem>
84           </varlistentry>
85         </variablelist>
86       </listitem>
87     </varlistentry>
88
89     <varlistentry>
90       <term>Pattern guards</term>
91       <listitem>
92         <para>Instead of being a boolean expression, a guard is a list
93         of qualifiers, exactly as in a list comprehension. See <xref
94         LinkEnd="pattern-guards">.</para>
95       </listitem>
96     </varlistentry>
97
98     <varlistentry>
99       <term>Foreign calling:</term>
100       <listitem>
101         <para>Just what it sounds like.  We provide
102         <emphasis>lots</emphasis> of rope that you can dangle around
103         your neck.  Please see <xref LinkEnd="ffi">.</para>
104       </listitem>
105     </varlistentry>
106
107     <varlistentry>
108       <term>Pragmas</term>
109       <listitem>
110         <para>Pragmas are special instructions to the compiler placed
111         in the source file.  The pragmas GHC supports are described in
112         <xref LinkEnd="pragmas">.</para>
113       </listitem>
114     </varlistentry>
115
116     <varlistentry>
117       <term>Rewrite rules:</term>
118       <listitem>
119         <para>The programmer can specify rewrite rules as part of the
120         source program (in a pragma).  GHC applies these rewrite rules
121         wherever it can.  Details in <xref
122         LinkEnd="rewrite-rules">.</para>
123       </listitem>
124     </varlistentry>
125
126     <varlistentry>
127       <term>Generic classes:</term>
128       <listitem>
129         <para>Generic class declarations allow you to define a class
130         whose methods say how to work over an arbitrary data type.
131         Then it's really easy to make any new type into an instance of
132         the class.  This generalises the rather ad-hoc "deriving"
133         feature of Haskell 98.  Details in <xref
134         LinkEnd="generic-classes">.</para>
135       </listitem>
136     </varlistentry>
137   </variablelist>
138
139 <para>
140 Before you get too carried away working at the lowest level (e.g.,
141 sloshing <literal>MutableByteArray&num;</literal>s around your
142 program), you may wish to check if there are libraries that provide a
143 &ldquo;Haskellised veneer&rdquo; over the features you want.  See
144 <xref linkend="book-hslibs">.
145 </para>
146
147   <sect1 id="options-language">
148     <title>Language options</title>
149
150     <indexterm><primary>language</primary><secondary>option</secondary>
151     </indexterm>
152     <indexterm><primary>options</primary><secondary>language</secondary>
153     </indexterm>
154     <indexterm><primary>extensions</primary><secondary>options controlling</secondary>
155     </indexterm>
156
157     <para> These flags control what variation of the language are
158     permitted.  Leaving out all of them gives you standard Haskell
159     98.</para>
160
161     <variablelist>
162
163       <varlistentry>
164         <term><option>-fglasgow-exts</option>:</term>
165         <indexterm><primary><option>-fglasgow-exts</option></primary></indexterm>
166         <listitem>
167           <para>This simultaneously enables all of the extensions to
168           Haskell 98 described in <xref
169           linkend="ghc-language-features">, except where otherwise
170           noted. </para>
171         </listitem>
172       </varlistentry>
173
174       <varlistentry>
175         <term><option>-fno-monomorphism-restriction</option>:</term>
176         <indexterm><primary><option>-fno-monomorphism-restriction</option></primary></indexterm>
177         <listitem>
178           <para> Switch off the Haskell 98 monomorphism restriction.
179           Independent of the <option>-fglasgow-exts</option>
180           flag. </para>
181         </listitem>
182       </varlistentry>
183
184       <varlistentry>
185         <term><option>-fallow-overlapping-instances</option></term>
186         <term><option>-fallow-undecidable-instances</option></term>
187         <term><option>-fcontext-stack</option></term>
188         <indexterm><primary><option>-fallow-overlapping-instances</option></primary></indexterm>
189         <indexterm><primary><option>-fallow-undecidable-instances</option></primary></indexterm>
190         <indexterm><primary><option>-fcontext-stack</option></primary></indexterm>
191         <listitem>
192           <para> See <xref LinkEnd="instance-decls">.  Only relevant
193           if you also use <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
194         </listitem>
195       </varlistentry>
196
197       <varlistentry>
198         <term><option>-finline-phase</option></term>
199         <indexterm><primary><option>-finline-phase</option></primary></indexterm>
200         <listitem>
201           <para>See <xref LinkEnd="rewrite-rules">.  Only relevant if
202           you also use <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
203         </listitem>
204       </varlistentry>
205
206       <varlistentry>
207         <term><option>-fgenerics</option></term>
208         <indexterm><primary><option>-fgenerics</option></primary></indexterm>
209         <listitem>
210           <para>See <xref LinkEnd="generic-classes">.  Independent of
211           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
212         </listitem>
213       </varlistentry>
214
215         <varlistentry>
216           <term><option>-fno-implicit-prelude</option></term>
217           <listitem>
218             <para><indexterm><primary>-fno-implicit-prelude
219             option</primary></indexterm> GHC normally imports
220             <filename>Prelude.hi</filename> files for you.  If you'd
221             rather it didn't, then give it a
222             <option>-fno-implicit-prelude</option> option.  The idea
223             is that you can then import a Prelude of your own.  (But
224             don't call it <literal>Prelude</literal>; the Haskell
225             module namespace is flat, and you must not conflict with
226             any Prelude module.)</para>
227
228             <para>Even though you have not imported the Prelude, all
229             the built-in syntax still refers to the built-in Haskell
230             Prelude types and values, as specified by the Haskell
231             Report.  For example, the type <literal>[Int]</literal>
232             still means <literal>Prelude.[] Int</literal>; tuples
233             continue to refer to the standard Prelude tuples; the
234             translation for list comprehensions continues to use
235             <literal>Prelude.map</literal> etc.</para>
236
237             <para> With one group of exceptions!  You may want to
238             define your own numeric class hierarchy.  It completely
239             defeats that purpose if the literal "1" means
240             "<literal>Prelude.fromInteger 1</literal>", which is what
241             the Haskell Report specifies.  So the
242             <option>-fno-implicit-prelude</option> flag causes the
243             following pieces of built-in syntax to refer to whatever
244             is in scope, not the Prelude versions:</para>
245
246             <itemizedlist>
247               <listitem>
248                 <para>Integer and fractional literals mean
249                 "<literal>fromInteger 1</literal>" and
250                 "<literal>fromRational 3.2</literal>", not the
251                 Prelude-qualified versions; both in expressions and in
252                 patterns.</para>
253               </listitem>
254
255               <listitem>
256                 <para>Negation (e.g. "<literal>- (f x)</literal>")
257                 means "<literal>negate (f x)</literal>" (not
258                 <literal>Prelude.negate</literal>).</para>
259               </listitem>
260
261               <listitem>
262                 <para>In an n+k pattern, the standard Prelude
263                 <literal>Ord</literal> class is used for comparison,
264                 but the necessary subtraction uses whatever
265                 "<literal>(-)</literal>" is in scope (not
266                 "<literal>Prelude.(-)</literal>").</para>
267               </listitem>
268             </itemizedlist>
269
270           </listitem>
271         </varlistentry>
272
273     </variablelist>
274   </sect1>
275
276 <!-- UNBOXED TYPES AND PRIMITIVE OPERATIONS -->
277 &primitives;
278
279 <sect1 id="glasgow-ST-monad">
280 <title>Primitive state-transformer monad</title>
281
282 <para>
283 <indexterm><primary>state transformers (Glasgow extensions)</primary></indexterm>
284 <indexterm><primary>ST monad (Glasgow extension)</primary></indexterm>
285 </para>
286
287 <para>
288 This monad underlies our implementation of arrays, mutable and
289 immutable, and our implementation of I/O, including &ldquo;C calls&rdquo;.
290 </para>
291
292 <para>
293 The <literal>ST</literal> library, which provides access to the
294 <function>ST</function> monad, is described in <xref
295 linkend="sec-ST">.
296 </para>
297
298 </sect1>
299
300 <sect1 id="glasgow-prim-arrays">
301 <title>Primitive arrays, mutable and otherwise
302 </title>
303
304 <para>
305 <indexterm><primary>primitive arrays (Glasgow extension)</primary></indexterm>
306 <indexterm><primary>arrays, primitive (Glasgow extension)</primary></indexterm>
307 </para>
308
309 <para>
310 GHC knows about quite a few flavours of Large Swathes of Bytes.
311 </para>
312
313 <para>
314 First, GHC distinguishes between primitive arrays of (boxed) Haskell
315 objects (type <literal>Array&num; obj</literal>) and primitive arrays of bytes (type
316 <literal>ByteArray&num;</literal>).
317 </para>
318
319 <para>
320 Second, it distinguishes between&hellip;
321 <variablelist>
322
323 <varlistentry>
324 <term>Immutable:</term>
325 <listitem>
326 <para>
327 Arrays that do not change (as with &ldquo;standard&rdquo; Haskell arrays); you
328 can only read from them.  Obviously, they do not need the care and
329 attention of the state-transformer monad.
330 </para>
331 </listitem>
332 </varlistentry>
333 <varlistentry>
334 <term>Mutable:</term>
335 <listitem>
336 <para>
337 Arrays that may be changed or &ldquo;mutated.&rdquo;  All the operations on them
338 live within the state-transformer monad and the updates happen
339 <emphasis>in-place</emphasis>.
340 </para>
341 </listitem>
342 </varlistentry>
343 <varlistentry>
344 <term>&ldquo;Static&rdquo; (in C land):</term>
345 <listitem>
346 <para>
347 A C routine may pass an <literal>Addr&num;</literal> pointer back into Haskell land.  There
348 are then primitive operations with which you may merrily grab values
349 over in C land, by indexing off the &ldquo;static&rdquo; pointer.
350 </para>
351 </listitem>
352 </varlistentry>
353 <varlistentry>
354 <term>&ldquo;Stable&rdquo; pointers:</term>
355 <listitem>
356 <para>
357 If, for some reason, you wish to hand a Haskell pointer (i.e.,
358 <emphasis>not</emphasis> an unboxed value) to a C routine, you first make the
359 pointer &ldquo;stable,&rdquo; so that the garbage collector won't forget that it
360 exists.  That is, GHC provides a safe way to pass Haskell pointers to
361 C.
362 </para>
363
364 <para>
365 Please see <xref LinkEnd="sec-stable-pointers"> for more details.
366 </para>
367 </listitem>
368 </varlistentry>
369 <varlistentry>
370 <term>&ldquo;Foreign objects&rdquo;:</term>
371 <listitem>
372 <para>
373 A &ldquo;foreign object&rdquo; is a safe way to pass an external object (a
374 C-allocated pointer, say) to Haskell and have Haskell do the Right
375 Thing when it no longer references the object.  So, for example, C
376 could pass a large bitmap over to Haskell and say &ldquo;please free this
377 memory when you're done with it.&rdquo;
378 </para>
379
380 <para>
381 Please see <xref LinkEnd="sec-ForeignObj"> for more details.
382 </para>
383 </listitem>
384 </varlistentry>
385 </variablelist>
386 </para>
387
388 <para>
389 The libraries documentatation gives more details on all these
390 &ldquo;primitive array&rdquo; types and the operations on them.
391 </para>
392
393 </sect1>
394
395
396 <sect1 id="pattern-guards">
397 <title>Pattern guards</title>
398
399 <para>
400 <indexterm><primary>Pattern guards (Glasgow extension)</primary></indexterm>
401 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.)
402 </para>
403
404 <para>
405 Suppose we have an abstract data type of finite maps, with a
406 lookup operation:
407
408 <programlisting>
409 lookup :: FiniteMap -> Int -> Maybe Int
410 </programlisting>
411
412 The lookup returns <function>Nothing</function> if the supplied key is not in the domain of the mapping, and <function>(Just v)</function> otherwise,
413 where <VarName>v</VarName> is the value that the key maps to.  Now consider the following definition:
414 </para>
415
416 <programlisting>
417 clunky env var1 var2 | ok1 && ok2 = val1 + val2
418 | otherwise  = var1 + var2
419 where
420   m1 = lookup env var1
421   m2 = lookup env var2
422   ok1 = maybeToBool m1
423   ok2 = maybeToBool m2
424   val1 = expectJust m1
425   val2 = expectJust m2
426 </programlisting>
427
428 <para>
429 The auxiliary functions are 
430 </para>
431
432 <programlisting>
433 maybeToBool :: Maybe a -&gt; Bool
434 maybeToBool (Just x) = True
435 maybeToBool Nothing  = False
436
437 expectJust :: Maybe a -&gt; a
438 expectJust (Just x) = x
439 expectJust Nothing  = error "Unexpected Nothing"
440 </programlisting>
441
442 <para>
443 What is <function>clunky</function> doing? The guard <literal>ok1 &&
444 ok2</literal> checks that both lookups succeed, using
445 <function>maybeToBool</function> to convert the <function>Maybe</function>
446 types to booleans. The (lazily evaluated) <function>expectJust</function>
447 calls extract the values from the results of the lookups, and binds the
448 returned values to <VarName>val1</VarName> and <VarName>val2</VarName>
449 respectively.  If either lookup fails, then clunky takes the
450 <literal>otherwise</literal> case and returns the sum of its arguments.
451 </para>
452
453 <para>
454 This is certainly legal Haskell, but it is a tremendously verbose and
455 un-obvious way to achieve the desired effect.  Arguably, a more direct way
456 to write clunky would be to use case expressions:
457 </para>
458
459 <programlisting>
460 clunky env var1 var1 = case lookup env var1 of
461   Nothing -&gt; fail
462   Just val1 -&gt; case lookup env var2 of
463     Nothing -&gt; fail
464     Just val2 -&gt; val1 + val2
465 where
466   fail = val1 + val2
467 </programlisting>
468
469 <para>
470 This is a bit shorter, but hardly better.  Of course, we can rewrite any set
471 of pattern-matching, guarded equations as case expressions; that is
472 precisely what the compiler does when compiling equations! The reason that
473 Haskell provides guarded equations is because they allow us to write down
474 the cases we want to consider, one at a time, independently of each other. 
475 This structure is hidden in the case version.  Two of the right-hand sides
476 are really the same (<function>fail</function>), and the whole expression
477 tends to become more and more indented. 
478 </para>
479
480 <para>
481 Here is how I would write clunky:
482 </para>
483
484 <programlisting>
485 clunky env var1 var1
486   | Just val1 &lt;- lookup env var1
487   , Just val2 &lt;- lookup env var2
488   = val1 + val2
489 ...other equations for clunky...
490 </programlisting>
491
492 <para>
493 The semantics should be clear enough.  The qualifers are matched in order. 
494 For a <literal>&lt;-</literal> qualifier, which I call a pattern guard, the
495 right hand side is evaluated and matched against the pattern on the left. 
496 If the match fails then the whole guard fails and the next equation is
497 tried.  If it succeeds, then the appropriate binding takes place, and the
498 next qualifier is matched, in the augmented environment.  Unlike list
499 comprehensions, however, the type of the expression to the right of the
500 <literal>&lt;-</literal> is the same as the type of the pattern to its
501 left.  The bindings introduced by pattern guards scope over all the
502 remaining guard qualifiers, and over the right hand side of the equation.
503 </para>
504
505 <para>
506 Just as with list comprehensions, boolean expressions can be freely mixed
507 with among the pattern guards.  For example:
508 </para>
509
510 <programlisting>
511 f x | [y] <- x
512     , y > 3
513     , Just z <- h y
514     = ...
515 </programlisting>
516
517 <para>
518 Haskell's current guards therefore emerge as a special case, in which the
519 qualifier list has just one element, a boolean expression.
520 </para>
521 </sect1>
522
523   <sect1 id="sec-ffi">
524     <title>The foreign interface</title>
525
526     <para>The foreign interface consists of the following components:</para>
527
528     <itemizedlist>
529       <listitem>
530         <para>The Foreign Function Interface language specification
531         (included in this manual, in <xref linkend="ffi">).</para>
532       </listitem>
533
534       <listitem>
535         <para>The <literal>Foreign</literal> module (see <xref
536         linkend="sec-Foreign">) collects together several interfaces
537         which are useful in specifying foreign language
538         interfaces, including the following:</para>
539
540         <itemizedlist>
541           <listitem>
542             <para>The <literal>ForeignObj</literal> module (see <xref
543             linkend="sec-ForeignObj">), for managing pointers from
544             Haskell into the outside world.</para>
545           </listitem>
546       
547           <listitem>
548             <para>The <literal>StablePtr</literal> module (see <xref
549             linkend="sec-stable-pointers">), for managing pointers
550             into Haskell from the outside world.</para>
551           </listitem>
552       
553           <listitem>
554             <para>The <literal>CTypes</literal> module (see <xref
555             linkend="sec-CTypes">) gives Haskell equivalents for the
556             standard C datatypes, for use in making Haskell bindings
557             to existing C libraries.</para>
558           </listitem>
559       
560           <listitem>
561             <para>The <literal>CTypesISO</literal> module (see <xref
562             linkend="sec-CTypesISO">) gives Haskell equivalents for C
563             types defined by the ISO C standard.</para>
564           </listitem>
565       
566           <listitem>
567             <para>The <literal>Storable</literal> library, for
568             primitive marshalling of data types between Haskell and
569             the foreign language.</para>
570           </listitem>
571         </itemizedlist>
572
573       </listitem>
574     </itemizedlist>
575
576 <para>The following sections also give some hints and tips on the use
577 of the foreign function interface in GHC.</para>
578
579 <sect2 id="glasgow-foreign-headers">
580 <title>Using function headers
581 </title>
582
583 <para>
584 <indexterm><primary>C calls, function headers</primary></indexterm>
585 </para>
586
587 <para>
588 When generating C (using the <option>-fvia-C</option> directive), one can assist the
589 C compiler in detecting type errors by using the <Command>-&num;include</Command> directive
590 to provide <filename>.h</filename> files containing function headers.
591 </para>
592
593 <para>
594 For example,
595 </para>
596
597 <para>
598
599 <programlisting>
600 #include "HsFFI.h"
601
602 void         initialiseEFS (HsInt size);
603 HsInt        terminateEFS (void);
604 HsForeignObj emptyEFS(void);
605 HsForeignObj updateEFS (HsForeignObj a, HsInt i, HsInt x);
606 HsInt        lookupEFS (HsForeignObj a, HsInt i);
607 </programlisting>
608 </para>
609
610       <para>The types <literal>HsInt</literal>,
611       <literal>HsForeignObj</literal> etc. are described in <xref
612       linkend="sec-mapping-table">.</para>
613
614       <para>Note that this approach is only
615       <emphasis>essential</emphasis> for returning
616       <literal>float</literal>s (or if <literal>sizeof(int) !=
617       sizeof(int *)</literal> on your architecture) but is a Good
618       Thing for anyone who cares about writing solid code.  You're
619       crazy not to do it.</para>
620
621 </sect2>
622
623 </sect1>
624
625 <sect1 id="multi-param-type-classes">
626 <title>Multi-parameter type classes
627 </title>
628
629 <para>
630 This section documents GHC's implementation of multi-parameter type
631 classes.  There's lots of background in the paper <ULink
632 URL="http://research.microsoft.com/~simonpj/multi.ps.gz" >Type
633 classes: exploring the design space</ULink > (Simon Peyton Jones, Mark
634 Jones, Erik Meijer).
635 </para>
636
637 <para>
638 I'd like to thank people who reported shorcomings in the GHC 3.02
639 implementation.  Our default decisions were all conservative ones, and
640 the experience of these heroic pioneers has given useful concrete
641 examples to support several generalisations.  (These appear below as
642 design choices not implemented in 3.02.)
643 </para>
644
645 <para>
646 I've discussed these notes with Mark Jones, and I believe that Hugs
647 will migrate towards the same design choices as I outline here.
648 Thanks to him, and to many others who have offered very useful
649 feedback.
650 </para>
651
652 <sect2>
653 <title>Types</title>
654
655 <para>
656 There are the following restrictions on the form of a qualified
657 type:
658 </para>
659
660 <para>
661
662 <programlisting>
663   forall tv1..tvn (c1, ...,cn) => type
664 </programlisting>
665
666 </para>
667
668 <para>
669 (Here, I write the "foralls" explicitly, although the Haskell source
670 language omits them; in Haskell 1.4, all the free type variables of an
671 explicit source-language type signature are universally quantified,
672 except for the class type variables in a class declaration.  However,
673 in GHC, you can give the foralls if you want.  See <xref LinkEnd="universal-quantification">).
674 </para>
675
676 <para>
677
678 <OrderedList>
679 <listitem>
680
681 <para>
682  <emphasis>Each universally quantified type variable
683 <literal>tvi</literal> must be mentioned (i.e. appear free) in <literal>type</literal></emphasis>.
684
685 The reason for this is that a value with a type that does not obey
686 this restriction could not be used without introducing
687 ambiguity. Here, for example, is an illegal type:
688
689
690 <programlisting>
691   forall a. Eq a => Int
692 </programlisting>
693
694
695 When a value with this type was used, the constraint <literal>Eq tv</literal>
696 would be introduced where <literal>tv</literal> is a fresh type variable, and
697 (in the dictionary-translation implementation) the value would be
698 applied to a dictionary for <literal>Eq tv</literal>.  The difficulty is that we
699 can never know which instance of <literal>Eq</literal> to use because we never
700 get any more information about <literal>tv</literal>.
701
702 </para>
703 </listitem>
704 <listitem>
705
706 <para>
707  <emphasis>Every constraint <literal>ci</literal> must mention at least one of the
708 universally quantified type variables <literal>tvi</literal></emphasis>.
709
710 For example, this type is OK because <literal>C a b</literal> mentions the
711 universally quantified type variable <literal>b</literal>:
712
713
714 <programlisting>
715   forall a. C a b => burble
716 </programlisting>
717
718
719 The next type is illegal because the constraint <literal>Eq b</literal> does not
720 mention <literal>a</literal>:
721
722
723 <programlisting>
724   forall a. Eq b => burble
725 </programlisting>
726
727
728 The reason for this restriction is milder than the other one.  The
729 excluded types are never useful or necessary (because the offending
730 context doesn't need to be witnessed at this point; it can be floated
731 out).  Furthermore, floating them out increases sharing. Lastly,
732 excluding them is a conservative choice; it leaves a patch of
733 territory free in case we need it later.
734
735 </para>
736 </listitem>
737
738 </OrderedList>
739
740 </para>
741
742 <para>
743 These restrictions apply to all types, whether declared in a type signature
744 or inferred.
745 </para>
746
747 <para>
748 Unlike Haskell 1.4, constraints in types do <emphasis>not</emphasis> have to be of
749 the form <emphasis>(class type-variables)</emphasis>.  Thus, these type signatures
750 are perfectly OK
751 </para>
752
753 <para>
754
755 <programlisting>
756   f :: Eq (m a) => [m a] -> [m a]
757   g :: Eq [a] => ...
758 </programlisting>
759
760 </para>
761
762 <para>
763 This choice recovers principal types, a property that Haskell 1.4 does not have.
764 </para>
765
766 </sect2>
767
768 <sect2>
769 <title>Class declarations</title>
770
771 <para>
772
773 <OrderedList>
774 <listitem>
775
776 <para>
777  <emphasis>Multi-parameter type classes are permitted</emphasis>. For example:
778
779
780 <programlisting>
781   class Collection c a where
782     union :: c a -> c a -> c a
783     ...etc.
784 </programlisting>
785
786
787
788 </para>
789 </listitem>
790 <listitem>
791
792 <para>
793  <emphasis>The class hierarchy must be acyclic</emphasis>.  However, the definition
794 of "acyclic" involves only the superclass relationships.  For example,
795 this is OK:
796
797
798 <programlisting>
799   class C a where {
800     op :: D b => a -> b -> b
801   }
802
803   class C a => D a where { ... }
804 </programlisting>
805
806
807 Here, <literal>C</literal> is a superclass of <literal>D</literal>, but it's OK for a
808 class operation <literal>op</literal> of <literal>C</literal> to mention <literal>D</literal>.  (It
809 would not be OK for <literal>D</literal> to be a superclass of <literal>C</literal>.)
810
811 </para>
812 </listitem>
813 <listitem>
814
815 <para>
816  <emphasis>There are no restrictions on the context in a class declaration
817 (which introduces superclasses), except that the class hierarchy must
818 be acyclic</emphasis>.  So these class declarations are OK:
819
820
821 <programlisting>
822   class Functor (m k) => FiniteMap m k where
823     ...
824
825   class (Monad m, Monad (t m)) => Transform t m where
826     lift :: m a -> (t m) a
827 </programlisting>
828
829
830 </para>
831 </listitem>
832 <listitem>
833
834 <para>
835  <emphasis>In the signature of a class operation, every constraint
836 must mention at least one type variable that is not a class type
837 variable</emphasis>.
838
839 Thus:
840
841
842 <programlisting>
843   class Collection c a where
844     mapC :: Collection c b => (a->b) -> c a -> c b
845 </programlisting>
846
847
848 is OK because the constraint <literal>(Collection a b)</literal> mentions
849 <literal>b</literal>, even though it also mentions the class variable
850 <literal>a</literal>.  On the other hand:
851
852
853 <programlisting>
854   class C a where
855     op :: Eq a => (a,b) -> (a,b)
856 </programlisting>
857
858
859 is not OK because the constraint <literal>(Eq a)</literal> mentions on the class
860 type variable <literal>a</literal>, but not <literal>b</literal>.  However, any such
861 example is easily fixed by moving the offending context up to the
862 superclass context:
863
864
865 <programlisting>
866   class Eq a => C a where
867     op ::(a,b) -> (a,b)
868 </programlisting>
869
870
871 A yet more relaxed rule would allow the context of a class-op signature
872 to mention only class type variables.  However, that conflicts with
873 Rule 1(b) for types above.
874
875 </para>
876 </listitem>
877 <listitem>
878
879 <para>
880  <emphasis>The type of each class operation must mention <emphasis>all</emphasis> of
881 the class type variables</emphasis>.  For example:
882
883
884 <programlisting>
885   class Coll s a where
886     empty  :: s
887     insert :: s -> a -> s
888 </programlisting>
889
890
891 is not OK, because the type of <literal>empty</literal> doesn't mention
892 <literal>a</literal>.  This rule is a consequence of Rule 1(a), above, for
893 types, and has the same motivation.
894
895 Sometimes, offending class declarations exhibit misunderstandings.  For
896 example, <literal>Coll</literal> might be rewritten
897
898
899 <programlisting>
900   class Coll s a where
901     empty  :: s a
902     insert :: s a -> a -> s a
903 </programlisting>
904
905
906 which makes the connection between the type of a collection of
907 <literal>a</literal>'s (namely <literal>(s a)</literal>) and the element type <literal>a</literal>.
908 Occasionally this really doesn't work, in which case you can split the
909 class like this:
910
911
912 <programlisting>
913   class CollE s where
914     empty  :: s
915
916   class CollE s => Coll s a where
917     insert :: s -> a -> s
918 </programlisting>
919
920
921 </para>
922 </listitem>
923
924 </OrderedList>
925
926 </para>
927
928 </sect2>
929
930 <sect2 id="instance-decls">
931 <title>Instance declarations</title>
932
933 <para>
934
935 <OrderedList>
936 <listitem>
937
938 <para>
939  <emphasis>Instance declarations may not overlap</emphasis>.  The two instance
940 declarations
941
942
943 <programlisting>
944   instance context1 => C type1 where ...
945   instance context2 => C type2 where ...
946 </programlisting>
947
948
949 "overlap" if <literal>type1</literal> and <literal>type2</literal> unify
950
951 However, if you give the command line option
952 <option>-fallow-overlapping-instances</option><indexterm><primary>-fallow-overlapping-instances
953 option</primary></indexterm> then two overlapping instance declarations are permitted
954 iff
955
956
957 <itemizedlist>
958 <listitem>
959
960 <para>
961  EITHER <literal>type1</literal> and <literal>type2</literal> do not unify
962 </para>
963 </listitem>
964 <listitem>
965
966 <para>
967  OR <literal>type2</literal> is a substitution instance of <literal>type1</literal>
968 (but not identical to <literal>type1</literal>)
969 </para>
970 </listitem>
971 <listitem>
972
973 <para>
974  OR vice versa
975 </para>
976 </listitem>
977
978 </itemizedlist>
979
980
981 Notice that these rules
982
983
984 <itemizedlist>
985 <listitem>
986
987 <para>
988  make it clear which instance decl to use
989 (pick the most specific one that matches)
990
991 </para>
992 </listitem>
993 <listitem>
994
995 <para>
996  do not mention the contexts <literal>context1</literal>, <literal>context2</literal>
997 Reason: you can pick which instance decl
998 "matches" based on the type.
999 </para>
1000 </listitem>
1001
1002 </itemizedlist>
1003
1004
1005 Regrettably, GHC doesn't guarantee to detect overlapping instance
1006 declarations if they appear in different modules.  GHC can "see" the
1007 instance declarations in the transitive closure of all the modules
1008 imported by the one being compiled, so it can "see" all instance decls
1009 when it is compiling <literal>Main</literal>.  However, it currently chooses not
1010 to look at ones that can't possibly be of use in the module currently
1011 being compiled, in the interests of efficiency.  (Perhaps we should
1012 change that decision, at least for <literal>Main</literal>.)
1013
1014 </para>
1015 </listitem>
1016 <listitem>
1017
1018 <para>
1019  <emphasis>There are no restrictions on the type in an instance
1020 <emphasis>head</emphasis>, except that at least one must not be a type variable</emphasis>.
1021 The instance "head" is the bit after the "=>" in an instance decl. For
1022 example, these are OK:
1023
1024
1025 <programlisting>
1026   instance C Int a where ...
1027
1028   instance D (Int, Int) where ...
1029
1030   instance E [[a]] where ...
1031 </programlisting>
1032
1033
1034 Note that instance heads <emphasis>may</emphasis> contain repeated type variables.
1035 For example, this is OK:
1036
1037
1038 <programlisting>
1039   instance Stateful (ST s) (MutVar s) where ...
1040 </programlisting>
1041
1042
1043 The "at least one not a type variable" restriction is to ensure that
1044 context reduction terminates: each reduction step removes one type
1045 constructor.  For example, the following would make the type checker
1046 loop if it wasn't excluded:
1047
1048
1049 <programlisting>
1050   instance C a => C a where ...
1051 </programlisting>
1052
1053
1054 There are two situations in which the rule is a bit of a pain. First,
1055 if one allows overlapping instance declarations then it's quite
1056 convenient to have a "default instance" declaration that applies if
1057 something more specific does not:
1058
1059
1060 <programlisting>
1061   instance C a where
1062     op = ... -- Default
1063 </programlisting>
1064
1065
1066 Second, sometimes you might want to use the following to get the
1067 effect of a "class synonym":
1068
1069
1070 <programlisting>
1071   class (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
1072
1073   instance (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
1074 </programlisting>
1075
1076
1077 This allows you to write shorter signatures:
1078
1079
1080 <programlisting>
1081   f :: C a => ...
1082 </programlisting>
1083
1084
1085 instead of
1086
1087
1088 <programlisting>
1089   f :: (C1 a, C2 a, C3 a) => ...
1090 </programlisting>
1091
1092
1093 I'm on the lookout for a simple rule that preserves decidability while
1094 allowing these idioms.  The experimental flag
1095 <option>-fallow-undecidable-instances</option><indexterm><primary>-fallow-undecidable-instances
1096 option</primary></indexterm> lifts this restriction, allowing all the types in an
1097 instance head to be type variables.
1098
1099 </para>
1100 </listitem>
1101 <listitem>
1102
1103 <para>
1104  <emphasis>Unlike Haskell 1.4, instance heads may use type
1105 synonyms</emphasis>.  As always, using a type synonym is just shorthand for
1106 writing the RHS of the type synonym definition.  For example:
1107
1108
1109 <programlisting>
1110   type Point = (Int,Int)
1111   instance C Point   where ...
1112   instance C [Point] where ...
1113 </programlisting>
1114
1115
1116 is legal.  However, if you added
1117
1118
1119 <programlisting>
1120   instance C (Int,Int) where ...
1121 </programlisting>
1122
1123
1124 as well, then the compiler will complain about the overlapping
1125 (actually, identical) instance declarations.  As always, type synonyms
1126 must be fully applied.  You cannot, for example, write:
1127
1128
1129 <programlisting>
1130   type P a = [[a]]
1131   instance Monad P where ...
1132 </programlisting>
1133
1134
1135 This design decision is independent of all the others, and easily
1136 reversed, but it makes sense to me.
1137
1138 </para>
1139 </listitem>
1140 <listitem>
1141
1142 <para>
1143 <emphasis>The types in an instance-declaration <emphasis>context</emphasis> must all
1144 be type variables</emphasis>. Thus
1145
1146
1147 <programlisting>
1148 instance C a b => Eq (a,b) where ...
1149 </programlisting>
1150
1151
1152 is OK, but
1153
1154
1155 <programlisting>
1156 instance C Int b => Foo b where ...
1157 </programlisting>
1158
1159
1160 is not OK.  Again, the intent here is to make sure that context
1161 reduction terminates.
1162
1163 Voluminous correspondence on the Haskell mailing list has convinced me
1164 that it's worth experimenting with a more liberal rule.  If you use
1165 the flag <option>-fallow-undecidable-instances</option> can use arbitrary
1166 types in an instance context.  Termination is ensured by having a
1167 fixed-depth recursion stack.  If you exceed the stack depth you get a
1168 sort of backtrace, and the opportunity to increase the stack depth
1169 with <option>-fcontext-stack</option><emphasis>N</emphasis>.
1170
1171 </para>
1172 </listitem>
1173
1174 </OrderedList>
1175
1176 </para>
1177
1178 </sect2>
1179
1180 </sect1>
1181
1182 <sect1 id="implicit-parameters">
1183 <title>Implicit parameters
1184 </title>
1185
1186 <para> Implicit paramters are implemented as described in 
1187 "Implicit parameters: dynamic scoping with static types", 
1188 J Lewis, MB Shields, E Meijer, J Launchbury,
1189 27th ACM Symposium on Principles of Programming Languages (POPL'00),
1190 Boston, Jan 2000.
1191 </para>
1192
1193 <para>
1194 There should be more documentation, but there isn't (yet).  Yell if you need it.
1195 </para>
1196 <itemizedlist>
1197 <listitem>
1198 <para> You can't have an implicit parameter in the context of a class or instance
1199 declaration.  For example, both these declarations are illegal:
1200 <programlisting>
1201   class (?x::Int) => C a where ...
1202   instance (?x::a) => Foo [a] where ...
1203 </programlisting>
1204 Reason: exactly which implicit parameter you pick up depends on exactly where
1205 you invoke a function. But the ``invocation'' of instance declarations is done
1206 behind the scenes by the compiler, so it's hard to figure out exactly where it is done.
1207 Easiest thing is to outlaw the offending types.</para>
1208 </listitem>
1209
1210 </itemizedlist>
1211
1212 </sect1>
1213
1214
1215 <sect1 id="functional-dependencies">
1216 <title>Functional dependencies
1217 </title>
1218
1219 <para> Functional dependencies are implemented as described by Mark Jones
1220 in "Type Classes with Functional Dependencies", Mark P. Jones, 
1221 In Proceedings of the 9th European Symposium on Programming, 
1222 ESOP 2000, Berlin, Germany, March 2000, Springer-Verlag LNCS 1782.
1223 </para>
1224
1225 <para>
1226 There should be more documentation, but there isn't (yet).  Yell if you need it.
1227 </para>
1228 </sect1>
1229
1230
1231 <sect1 id="universal-quantification">
1232 <title>Explicit universal quantification
1233 </title>
1234
1235 <para>
1236 GHC's type system supports explicit universal quantification in
1237 constructor fields and function arguments.  This is useful for things
1238 like defining <literal>runST</literal> from the state-thread world. 
1239 GHC's syntax for this now agrees with Hugs's, namely:
1240 </para>
1241
1242 <para>
1243
1244 <programlisting>
1245         forall a b. (Ord a, Eq  b) => a -> b -> a
1246 </programlisting>
1247
1248 </para>
1249
1250 <para>
1251 The context is, of course, optional.  You can't use <literal>forall</literal> as
1252 a type variable any more!
1253 </para>
1254
1255 <para>
1256 Haskell type signatures are implicitly quantified.  The <literal>forall</literal>
1257 allows us to say exactly what this means.  For example:
1258 </para>
1259
1260 <para>
1261
1262 <programlisting>
1263         g :: b -> b
1264 </programlisting>
1265
1266 </para>
1267
1268 <para>
1269 means this:
1270 </para>
1271
1272 <para>
1273
1274 <programlisting>
1275         g :: forall b. (b -> b)
1276 </programlisting>
1277
1278 </para>
1279
1280 <para>
1281 The two are treated identically.
1282 </para>
1283
1284 <sect2 id="univ">
1285 <title>Universally-quantified data type fields
1286 </title>
1287
1288 <para>
1289 In a <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal> declaration one can quantify
1290 the types of the constructor arguments.  Here are several examples:
1291 </para>
1292
1293 <para>
1294
1295 <programlisting>
1296 data T a = T1 (forall b. b -> b -> b) a
1297
1298 data MonadT m = MkMonad { return :: forall a. a -> m a,
1299                           bind   :: forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b
1300                         }
1301
1302 newtype Swizzle = MkSwizzle (Ord a => [a] -> [a])
1303 </programlisting>
1304
1305 </para>
1306
1307 <para>
1308 The constructors now have so-called <emphasis>rank 2</emphasis> polymorphic
1309 types, in which there is a for-all in the argument types.:
1310 </para>
1311
1312 <para>
1313
1314 <programlisting>
1315 T1 :: forall a. (forall b. b -> b -> b) -> a -> T a
1316 MkMonad :: forall m. (forall a. a -> m a)
1317                   -> (forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b)
1318                   -> MonadT m
1319 MkSwizzle :: (Ord a => [a] -> [a]) -> Swizzle
1320 </programlisting>
1321
1322 </para>
1323
1324 <para>
1325 Notice that you don't need to use a <literal>forall</literal> if there's an
1326 explicit context.  For example in the first argument of the
1327 constructor <function>MkSwizzle</function>, an implicit "<literal>forall a.</literal>" is
1328 prefixed to the argument type.  The implicit <literal>forall</literal>
1329 quantifies all type variables that are not already in scope, and are
1330 mentioned in the type quantified over.
1331 </para>
1332
1333 <para>
1334 As for type signatures, implicit quantification happens for non-overloaded
1335 types too.  So if you write this:
1336
1337 <programlisting>
1338   data T a = MkT (Either a b) (b -> b)
1339 </programlisting>
1340
1341 it's just as if you had written this:
1342
1343 <programlisting>
1344   data T a = MkT (forall b. Either a b) (forall b. b -> b)
1345 </programlisting>
1346
1347 That is, since the type variable <literal>b</literal> isn't in scope, it's
1348 implicitly universally quantified.  (Arguably, it would be better
1349 to <emphasis>require</emphasis> explicit quantification on constructor arguments
1350 where that is what is wanted.  Feedback welcomed.)
1351 </para>
1352
1353 </sect2>
1354
1355 <sect2>
1356 <title>Construction </title>
1357
1358 <para>
1359 You construct values of types <literal>T1, MonadT, Swizzle</literal> by applying
1360 the constructor to suitable values, just as usual.  For example,
1361 </para>
1362
1363 <para>
1364
1365 <programlisting>
1366 (T1 (\xy->x) 3) :: T Int
1367
1368 (MkSwizzle sort)    :: Swizzle
1369 (MkSwizzle reverse) :: Swizzle
1370
1371 (let r x = Just x
1372      b m k = case m of
1373                 Just y -> k y
1374                 Nothing -> Nothing
1375   in
1376   MkMonad r b) :: MonadT Maybe
1377 </programlisting>
1378
1379 </para>
1380
1381 <para>
1382 The type of the argument can, as usual, be more general than the type
1383 required, as <literal>(MkSwizzle reverse)</literal> shows.  (<function>reverse</function>
1384 does not need the <literal>Ord</literal> constraint.)
1385 </para>
1386
1387 </sect2>
1388
1389 <sect2>
1390 <title>Pattern matching</title>
1391
1392 <para>
1393 When you use pattern matching, the bound variables may now have
1394 polymorphic types.  For example:
1395 </para>
1396
1397 <para>
1398
1399 <programlisting>
1400         f :: T a -> a -> (a, Char)
1401         f (T1 f k) x = (f k x, f 'c' 'd')
1402
1403         g :: (Ord a, Ord b) => Swizzle -> [a] -> (a -> b) -> [b]
1404         g (MkSwizzle s) xs f = s (map f (s xs))
1405
1406         h :: MonadT m -> [m a] -> m [a]
1407         h m [] = return m []
1408         h m (x:xs) = bind m x           $ \y ->
1409                       bind m (h m xs)   $ \ys ->
1410                       return m (y:ys)
1411 </programlisting>
1412
1413 </para>
1414
1415 <para>
1416 In the function <function>h</function> we use the record selectors <literal>return</literal>
1417 and <literal>bind</literal> to extract the polymorphic bind and return functions
1418 from the <literal>MonadT</literal> data structure, rather than using pattern
1419 matching.
1420 </para>
1421
1422 <para>
1423 You cannot pattern-match against an argument that is polymorphic.
1424 For example:
1425
1426 <programlisting>
1427         newtype TIM s a = TIM (ST s (Maybe a))
1428
1429         runTIM :: (forall s. TIM s a) -> Maybe a
1430         runTIM (TIM m) = runST m
1431 </programlisting>
1432
1433 </para>
1434
1435 <para>
1436 Here the pattern-match fails, because you can't pattern-match against
1437 an argument of type <literal>(forall s. TIM s a)</literal>.  Instead you
1438 must bind the variable and pattern match in the right hand side:
1439
1440 <programlisting>
1441         runTIM :: (forall s. TIM s a) -> Maybe a
1442         runTIM tm = case tm of { TIM m -> runST m }
1443 </programlisting>
1444
1445 The <literal>tm</literal> on the right hand side is (invisibly) instantiated, like
1446 any polymorphic value at its occurrence site, and now you can pattern-match
1447 against it.
1448 </para>
1449
1450 </sect2>
1451
1452 <sect2>
1453 <title>The partial-application restriction</title>
1454
1455 <para>
1456 There is really only one way in which data structures with polymorphic
1457 components might surprise you: you must not partially apply them.
1458 For example, this is illegal:
1459 </para>
1460
1461 <para>
1462
1463 <programlisting>
1464         map MkSwizzle [sort, reverse]
1465 </programlisting>
1466
1467 </para>
1468
1469 <para>
1470 The restriction is this: <emphasis>every subexpression of the program must
1471 have a type that has no for-alls, except that in a function
1472 application (f e1&hellip;en) the partial applications are not subject to
1473 this rule</emphasis>.  The restriction makes type inference feasible.
1474 </para>
1475
1476 <para>
1477 In the illegal example, the sub-expression <literal>MkSwizzle</literal> has the
1478 polymorphic type <literal>(Ord b => [b] -> [b]) -> Swizzle</literal> and is not
1479 a sub-expression of an enclosing application.  On the other hand, this
1480 expression is OK:
1481 </para>
1482
1483 <para>
1484
1485 <programlisting>
1486         map (T1 (\a b -> a)) [1,2,3]
1487 </programlisting>
1488
1489 </para>
1490
1491 <para>
1492 even though it involves a partial application of <function>T1</function>, because
1493 the sub-expression <literal>T1 (\a b -> a)</literal> has type <literal>Int -> T
1494 Int</literal>.
1495 </para>
1496
1497 </sect2>
1498
1499 <sect2 id="sigs">
1500 <title>Type signatures
1501 </title>
1502
1503 <para>
1504 Once you have data constructors with universally-quantified fields, or
1505 constants such as <Constant>runST</Constant> that have rank-2 types, it isn't long
1506 before you discover that you need more!  Consider:
1507 </para>
1508
1509 <para>
1510
1511 <programlisting>
1512   mkTs f x y = [T1 f x, T1 f y]
1513 </programlisting>
1514
1515 </para>
1516
1517 <para>
1518 <function>mkTs</function> is a fuction that constructs some values of type
1519 <literal>T</literal>, using some pieces passed to it.  The trouble is that since
1520 <literal>f</literal> is a function argument, Haskell assumes that it is
1521 monomorphic, so we'll get a type error when applying <function>T1</function> to
1522 it.  This is a rather silly example, but the problem really bites in
1523 practice.  Lots of people trip over the fact that you can't make
1524 "wrappers functions" for <Constant>runST</Constant> for exactly the same reason.
1525 In short, it is impossible to build abstractions around functions with
1526 rank-2 types.
1527 </para>
1528
1529 <para>
1530 The solution is fairly clear.  We provide the ability to give a rank-2
1531 type signature for <emphasis>ordinary</emphasis> functions (not only data
1532 constructors), thus:
1533 </para>
1534
1535 <para>
1536
1537 <programlisting>
1538   mkTs :: (forall b. b -> b -> b) -> a -> [T a]
1539   mkTs f x y = [T1 f x, T1 f y]
1540 </programlisting>
1541
1542 </para>
1543
1544 <para>
1545 This type signature tells the compiler to attribute <literal>f</literal> with
1546 the polymorphic type <literal>(forall b. b -> b -> b)</literal> when type
1547 checking the body of <function>mkTs</function>, so now the application of
1548 <function>T1</function> is fine.
1549 </para>
1550
1551 <para>
1552 There are two restrictions:
1553 </para>
1554
1555 <para>
1556
1557 <itemizedlist>
1558 <listitem>
1559
1560 <para>
1561  You can only define a rank 2 type, specified by the following
1562 grammar:
1563
1564
1565 <programlisting>
1566 rank2type ::= [forall tyvars .] [context =>] funty
1567 funty     ::= ([forall tyvars .] [context =>] ty) -> funty
1568             | ty
1569 ty        ::= ...current Haskell monotype syntax...
1570 </programlisting>
1571
1572
1573 Informally, the universal quantification must all be right at the beginning,
1574 or at the top level of a function argument.
1575
1576 </para>
1577 </listitem>
1578 <listitem>
1579
1580 <para>
1581  There is a restriction on the definition of a function whose
1582 type signature is a rank-2 type: the polymorphic arguments must be
1583 matched on the left hand side of the "<literal>=</literal>" sign.  You can't
1584 define <function>mkTs</function> like this:
1585
1586
1587 <programlisting>
1588 mkTs :: (forall b. b -> b -> b) -> a -> [T a]
1589 mkTs = \ f x y -> [T1 f x, T1 f y]
1590 </programlisting>
1591
1592
1593
1594 The same partial-application rule applies to ordinary functions with
1595 rank-2 types as applied to data constructors.
1596
1597 </para>
1598 </listitem>
1599
1600 </itemizedlist>
1601
1602 </para>
1603
1604 </sect2>
1605
1606
1607 <sect2 id="hoist">
1608 <title>Type synonyms and hoisting
1609 </title>
1610
1611 <para>
1612 GHC also allows you to write a <literal>forall</literal> in a type synonym, thus:
1613 <programlisting>
1614   type Discard a = forall b. a -> b -> a
1615
1616   f :: Discard a
1617   f x y = x
1618 </programlisting>
1619 However, it is often convenient to use these sort of synonyms at the right hand
1620 end of an arrow, thus:
1621 <programlisting>
1622   type Discard a = forall b. a -> b -> a
1623
1624   g :: Int -> Discard Int
1625   g x y z = x+y
1626 </programlisting>
1627 Simply expanding the type synonym would give
1628 <programlisting>
1629   g :: Int -> (forall b. Int -> b -> Int)
1630 </programlisting>
1631 but GHC "hoists" the <literal>forall</literal> to give the isomorphic type
1632 <programlisting>
1633   g :: forall b. Int -> Int -> b -> Int
1634 </programlisting>
1635 In general, the rule is this: <emphasis>to determine the type specified by any explicit
1636 user-written type (e.g. in a type signature), GHC expands type synonyms and then repeatedly
1637 performs the transformation:</emphasis>
1638 <programlisting>
1639   <emphasis>type1</emphasis> -> forall a. <emphasis>type2</emphasis>
1640 ==>
1641   forall a. <emphasis>type1</emphasis> -> <emphasis>type2</emphasis>
1642 </programlisting>
1643 (In fact, GHC tries to retain as much synonym information as possible for use in
1644 error messages, but that is a usability issue.)  This rule applies, of course, whether
1645 or not the <literal>forall</literal> comes from a synonym. For example, here is another
1646 valid way to write <literal>g</literal>'s type signature:
1647 <programlisting>
1648   g :: Int -> Int -> forall b. b -> Int
1649 </programlisting>
1650 </para>
1651 </sect2>
1652
1653 </sect1>
1654
1655 <sect1 id="existential-quantification">
1656 <title>Existentially quantified data constructors
1657 </title>
1658
1659 <para>
1660 The idea of using existential quantification in data type declarations
1661 was suggested by Laufer (I believe, thought doubtless someone will
1662 correct me), and implemented in Hope+. It's been in Lennart
1663 Augustsson's <Command>hbc</Command> Haskell compiler for several years, and
1664 proved very useful.  Here's the idea.  Consider the declaration:
1665 </para>
1666
1667 <para>
1668
1669 <programlisting>
1670   data Foo = forall a. MkFoo a (a -> Bool)
1671            | Nil
1672 </programlisting>
1673
1674 </para>
1675
1676 <para>
1677 The data type <literal>Foo</literal> has two constructors with types:
1678 </para>
1679
1680 <para>
1681
1682 <programlisting>
1683   MkFoo :: forall a. a -> (a -> Bool) -> Foo
1684   Nil   :: Foo
1685 </programlisting>
1686
1687 </para>
1688
1689 <para>
1690 Notice that the type variable <literal>a</literal> in the type of <function>MkFoo</function>
1691 does not appear in the data type itself, which is plain <literal>Foo</literal>.
1692 For example, the following expression is fine:
1693 </para>
1694
1695 <para>
1696
1697 <programlisting>
1698   [MkFoo 3 even, MkFoo 'c' isUpper] :: [Foo]
1699 </programlisting>
1700
1701 </para>
1702
1703 <para>
1704 Here, <literal>(MkFoo 3 even)</literal> packages an integer with a function
1705 <function>even</function> that maps an integer to <literal>Bool</literal>; and <function>MkFoo 'c'
1706 isUpper</function> packages a character with a compatible function.  These
1707 two things are each of type <literal>Foo</literal> and can be put in a list.
1708 </para>
1709
1710 <para>
1711 What can we do with a value of type <literal>Foo</literal>?.  In particular,
1712 what happens when we pattern-match on <function>MkFoo</function>?
1713 </para>
1714
1715 <para>
1716
1717 <programlisting>
1718   f (MkFoo val fn) = ???
1719 </programlisting>
1720
1721 </para>
1722
1723 <para>
1724 Since all we know about <literal>val</literal> and <function>fn</function> is that they
1725 are compatible, the only (useful) thing we can do with them is to
1726 apply <function>fn</function> to <literal>val</literal> to get a boolean.  For example:
1727 </para>
1728
1729 <para>
1730
1731 <programlisting>
1732   f :: Foo -> Bool
1733   f (MkFoo val fn) = fn val
1734 </programlisting>
1735
1736 </para>
1737
1738 <para>
1739 What this allows us to do is to package heterogenous values
1740 together with a bunch of functions that manipulate them, and then treat
1741 that collection of packages in a uniform manner.  You can express
1742 quite a bit of object-oriented-like programming this way.
1743 </para>
1744
1745 <sect2 id="existential">
1746 <title>Why existential?
1747 </title>
1748
1749 <para>
1750 What has this to do with <emphasis>existential</emphasis> quantification?
1751 Simply that <function>MkFoo</function> has the (nearly) isomorphic type
1752 </para>
1753
1754 <para>
1755
1756 <programlisting>
1757   MkFoo :: (exists a . (a, a -> Bool)) -> Foo
1758 </programlisting>
1759
1760 </para>
1761
1762 <para>
1763 But Haskell programmers can safely think of the ordinary
1764 <emphasis>universally</emphasis> quantified type given above, thereby avoiding
1765 adding a new existential quantification construct.
1766 </para>
1767
1768 </sect2>
1769
1770 <sect2>
1771 <title>Type classes</title>
1772
1773 <para>
1774 An easy extension (implemented in <Command>hbc</Command>) is to allow
1775 arbitrary contexts before the constructor.  For example:
1776 </para>
1777
1778 <para>
1779
1780 <programlisting>
1781 data Baz = forall a. Eq a => Baz1 a a
1782          | forall b. Show b => Baz2 b (b -> b)
1783 </programlisting>
1784
1785 </para>
1786
1787 <para>
1788 The two constructors have the types you'd expect:
1789 </para>
1790
1791 <para>
1792
1793 <programlisting>
1794 Baz1 :: forall a. Eq a => a -> a -> Baz
1795 Baz2 :: forall b. Show b => b -> (b -> b) -> Baz
1796 </programlisting>
1797
1798 </para>
1799
1800 <para>
1801 But when pattern matching on <function>Baz1</function> the matched values can be compared
1802 for equality, and when pattern matching on <function>Baz2</function> the first matched
1803 value can be converted to a string (as well as applying the function to it).
1804 So this program is legal:
1805 </para>
1806
1807 <para>
1808
1809 <programlisting>
1810   f :: Baz -> String
1811   f (Baz1 p q) | p == q    = "Yes"
1812                | otherwise = "No"
1813   f (Baz1 v fn)            = show (fn v)
1814 </programlisting>
1815
1816 </para>
1817
1818 <para>
1819 Operationally, in a dictionary-passing implementation, the
1820 constructors <function>Baz1</function> and <function>Baz2</function> must store the
1821 dictionaries for <literal>Eq</literal> and <literal>Show</literal> respectively, and
1822 extract it on pattern matching.
1823 </para>
1824
1825 <para>
1826 Notice the way that the syntax fits smoothly with that used for
1827 universal quantification earlier.
1828 </para>
1829
1830 </sect2>
1831
1832 <sect2>
1833 <title>Restrictions</title>
1834
1835 <para>
1836 There are several restrictions on the ways in which existentially-quantified
1837 constructors can be use.
1838 </para>
1839
1840 <para>
1841
1842 <itemizedlist>
1843 <listitem>
1844
1845 <para>
1846  When pattern matching, each pattern match introduces a new,
1847 distinct, type for each existential type variable.  These types cannot
1848 be unified with any other type, nor can they escape from the scope of
1849 the pattern match.  For example, these fragments are incorrect:
1850
1851
1852 <programlisting>
1853 f1 (MkFoo a f) = a
1854 </programlisting>
1855
1856
1857 Here, the type bound by <function>MkFoo</function> "escapes", because <literal>a</literal>
1858 is the result of <function>f1</function>.  One way to see why this is wrong is to
1859 ask what type <function>f1</function> has:
1860
1861
1862 <programlisting>
1863   f1 :: Foo -> a             -- Weird!
1864 </programlisting>
1865
1866
1867 What is this "<literal>a</literal>" in the result type? Clearly we don't mean
1868 this:
1869
1870
1871 <programlisting>
1872   f1 :: forall a. Foo -> a   -- Wrong!
1873 </programlisting>
1874
1875
1876 The original program is just plain wrong.  Here's another sort of error
1877
1878
1879 <programlisting>
1880   f2 (Baz1 a b) (Baz1 p q) = a==q
1881 </programlisting>
1882
1883
1884 It's ok to say <literal>a==b</literal> or <literal>p==q</literal>, but
1885 <literal>a==q</literal> is wrong because it equates the two distinct types arising
1886 from the two <function>Baz1</function> constructors.
1887
1888
1889 </para>
1890 </listitem>
1891 <listitem>
1892
1893 <para>
1894 You can't pattern-match on an existentially quantified
1895 constructor in a <literal>let</literal> or <literal>where</literal> group of
1896 bindings. So this is illegal:
1897
1898
1899 <programlisting>
1900   f3 x = a==b where { Baz1 a b = x }
1901 </programlisting>
1902
1903
1904 You can only pattern-match
1905 on an existentially-quantified constructor in a <literal>case</literal> expression or
1906 in the patterns of a function definition.
1907
1908 The reason for this restriction is really an implementation one.
1909 Type-checking binding groups is already a nightmare without
1910 existentials complicating the picture.  Also an existential pattern
1911 binding at the top level of a module doesn't make sense, because it's
1912 not clear how to prevent the existentially-quantified type "escaping".
1913 So for now, there's a simple-to-state restriction.  We'll see how
1914 annoying it is.
1915
1916 </para>
1917 </listitem>
1918 <listitem>
1919
1920 <para>
1921 You can't use existential quantification for <literal>newtype</literal>
1922 declarations.  So this is illegal:
1923
1924
1925 <programlisting>
1926   newtype T = forall a. Ord a => MkT a
1927 </programlisting>
1928
1929
1930 Reason: a value of type <literal>T</literal> must be represented as a pair
1931 of a dictionary for <literal>Ord t</literal> and a value of type <literal>t</literal>.
1932 That contradicts the idea that <literal>newtype</literal> should have no
1933 concrete representation.  You can get just the same efficiency and effect
1934 by using <literal>data</literal> instead of <literal>newtype</literal>.  If there is no
1935 overloading involved, then there is more of a case for allowing
1936 an existentially-quantified <literal>newtype</literal>, because the <literal>data</literal>
1937 because the <literal>data</literal> version does carry an implementation cost,
1938 but single-field existentially quantified constructors aren't much
1939 use.  So the simple restriction (no existential stuff on <literal>newtype</literal>)
1940 stands, unless there are convincing reasons to change it.
1941
1942
1943 </para>
1944 </listitem>
1945 <listitem>
1946
1947 <para>
1948  You can't use <literal>deriving</literal> to define instances of a
1949 data type with existentially quantified data constructors.
1950
1951 Reason: in most cases it would not make sense. For example:&num;
1952
1953 <programlisting>
1954 data T = forall a. MkT [a] deriving( Eq )
1955 </programlisting>
1956
1957 To derive <literal>Eq</literal> in the standard way we would need to have equality
1958 between the single component of two <function>MkT</function> constructors:
1959
1960 <programlisting>
1961 instance Eq T where
1962   (MkT a) == (MkT b) = ???
1963 </programlisting>
1964
1965 But <VarName>a</VarName> and <VarName>b</VarName> have distinct types, and so can't be compared.
1966 It's just about possible to imagine examples in which the derived instance
1967 would make sense, but it seems altogether simpler simply to prohibit such
1968 declarations.  Define your own instances!
1969 </para>
1970 </listitem>
1971
1972 </itemizedlist>
1973
1974 </para>
1975
1976 </sect2>
1977
1978 </sect1>
1979
1980 <sect1 id="sec-assertions">
1981 <title>Assertions
1982 <indexterm><primary>Assertions</primary></indexterm>
1983 </title>
1984
1985 <para>
1986 If you want to make use of assertions in your standard Haskell code, you
1987 could define a function like the following:
1988 </para>
1989
1990 <para>
1991
1992 <programlisting>
1993 assert :: Bool -> a -> a
1994 assert False x = error "assertion failed!"
1995 assert _     x = x
1996 </programlisting>
1997
1998 </para>
1999
2000 <para>
2001 which works, but gives you back a less than useful error message --
2002 an assertion failed, but which and where?
2003 </para>
2004
2005 <para>
2006 One way out is to define an extended <function>assert</function> function which also
2007 takes a descriptive string to include in the error message and
2008 perhaps combine this with the use of a pre-processor which inserts
2009 the source location where <function>assert</function> was used.
2010 </para>
2011
2012 <para>
2013 Ghc offers a helping hand here, doing all of this for you. For every
2014 use of <function>assert</function> in the user's source:
2015 </para>
2016
2017 <para>
2018
2019 <programlisting>
2020 kelvinToC :: Double -> Double
2021 kelvinToC k = assert (k &gt;= 0.0) (k+273.15)
2022 </programlisting>
2023
2024 </para>
2025
2026 <para>
2027 Ghc will rewrite this to also include the source location where the
2028 assertion was made,
2029 </para>
2030
2031 <para>
2032
2033 <programlisting>
2034 assert pred val ==> assertError "Main.hs|15" pred val
2035 </programlisting>
2036
2037 </para>
2038
2039 <para>
2040 The rewrite is only performed by the compiler when it spots
2041 applications of <function>Exception.assert</function>, so you can still define and
2042 use your own versions of <function>assert</function>, should you so wish. If not,
2043 import <literal>Exception</literal> to make use <function>assert</function> in your code.
2044 </para>
2045
2046 <para>
2047 To have the compiler ignore uses of assert, use the compiler option
2048 <option>-fignore-asserts</option>. <indexterm><primary>-fignore-asserts option</primary></indexterm> That is,
2049 expressions of the form <literal>assert pred e</literal> will be rewritten to <literal>e</literal>.
2050 </para>
2051
2052 <para>
2053 Assertion failures can be caught, see the documentation for the
2054 <literal>Exception</literal> library (<xref linkend="sec-Exception">)
2055 for the details.
2056 </para>
2057
2058 </sect1>
2059
2060 <sect1 id="scoped-type-variables">
2061 <title>Scoped Type Variables
2062 </title>
2063
2064 <para>
2065 A <emphasis>pattern type signature</emphasis> can introduce a <emphasis>scoped type
2066 variable</emphasis>.  For example
2067 </para>
2068
2069 <para>
2070
2071 <programlisting>
2072 f (xs::[a]) = ys ++ ys
2073            where
2074               ys :: [a]
2075               ys = reverse xs
2076 </programlisting>
2077
2078 </para>
2079
2080 <para>
2081 The pattern <literal>(xs::[a])</literal> includes a type signature for <VarName>xs</VarName>.
2082 This brings the type variable <literal>a</literal> into scope; it scopes over
2083 all the patterns and right hand sides for this equation for <function>f</function>.
2084 In particular, it is in scope at the type signature for <VarName>y</VarName>.
2085 </para>
2086
2087 <para>
2088 At ordinary type signatures, such as that for <VarName>ys</VarName>, any type variables
2089 mentioned in the type signature <emphasis>that are not in scope</emphasis> are
2090 implicitly universally quantified.  (If there are no type variables in
2091 scope, all type variables mentioned in the signature are universally
2092 quantified, which is just as in Haskell 98.)  In this case, since <VarName>a</VarName>
2093 is in scope, it is not universally quantified, so the type of <VarName>ys</VarName> is
2094 the same as that of <VarName>xs</VarName>.  In Haskell 98 it is not possible to declare
2095 a type for <VarName>ys</VarName>; a major benefit of scoped type variables is that
2096 it becomes possible to do so.
2097 </para>
2098
2099 <para>
2100 Scoped type variables are implemented in both GHC and Hugs.  Where the
2101 implementations differ from the specification below, those differences
2102 are noted.
2103 </para>
2104
2105 <para>
2106 So much for the basic idea.  Here are the details.
2107 </para>
2108
2109 <sect2>
2110 <title>Scope and implicit quantification</title>
2111
2112 <para>
2113
2114 <itemizedlist>
2115 <listitem>
2116
2117 <para>
2118  All the type variables mentioned in the patterns for a single
2119 function definition equation, that are not already in scope,
2120 are brought into scope by the patterns.  We describe this set as
2121 the <emphasis>type variables bound by the equation</emphasis>.
2122
2123 </para>
2124 </listitem>
2125 <listitem>
2126
2127 <para>
2128  The type variables thus brought into scope may be mentioned
2129 in ordinary type signatures or pattern type signatures anywhere within
2130 their scope.
2131
2132 </para>
2133 </listitem>
2134 <listitem>
2135
2136 <para>
2137  In ordinary type signatures, any type variable mentioned in the
2138 signature that is in scope is <emphasis>not</emphasis> universally quantified.
2139
2140 </para>
2141 </listitem>
2142 <listitem>
2143
2144 <para>
2145  Ordinary type signatures do not bring any new type variables
2146 into scope (except in the type signature itself!). So this is illegal:
2147
2148
2149 <programlisting>
2150   f :: a -> a
2151   f x = x::a
2152 </programlisting>
2153
2154
2155 It's illegal because <VarName>a</VarName> is not in scope in the body of <function>f</function>,
2156 so the ordinary signature <literal>x::a</literal> is equivalent to <literal>x::forall a.a</literal>;
2157 and that is an incorrect typing.
2158
2159 </para>
2160 </listitem>
2161 <listitem>
2162
2163 <para>
2164  There is no implicit universal quantification on pattern type
2165 signatures, nor may one write an explicit <literal>forall</literal> type in a pattern
2166 type signature.  The pattern type signature is a monotype.
2167
2168 </para>
2169 </listitem>
2170 <listitem>
2171
2172 <para>
2173
2174 The type variables in the head of a <literal>class</literal> or <literal>instance</literal> declaration
2175 scope over the methods defined in the <literal>where</literal> part.  For example:
2176
2177
2178 <programlisting>
2179   class C a where
2180     op :: [a] -> a
2181
2182     op xs = let ys::[a]
2183                 ys = reverse xs
2184             in
2185             head ys
2186 </programlisting>
2187
2188
2189 (Not implemented in Hugs yet, Dec 98).
2190 </para>
2191 </listitem>
2192
2193 </itemizedlist>
2194
2195 </para>
2196
2197 </sect2>
2198
2199 <sect2>
2200 <title>Polymorphism</title>
2201
2202 <para>
2203
2204 <itemizedlist>
2205 <listitem>
2206
2207 <para>
2208  Pattern type signatures are completely orthogonal to ordinary, separate
2209 type signatures.  The two can be used independently or together.  There is
2210 no scoping associated with the names of the type variables in a separate type signature.
2211
2212
2213 <programlisting>
2214    f :: [a] -> [a]
2215    f (xs::[b]) = reverse xs
2216 </programlisting>
2217
2218
2219 </para>
2220 </listitem>
2221 <listitem>
2222
2223 <para>
2224  The function must be polymorphic in the type variables
2225 bound by all its equations.  Operationally, the type variables bound
2226 by one equation must not:
2227
2228
2229 <itemizedlist>
2230 <listitem>
2231
2232 <para>
2233  Be unified with a type (such as <literal>Int</literal>, or <literal>[a]</literal>).
2234 </para>
2235 </listitem>
2236 <listitem>
2237
2238 <para>
2239  Be unified with a type variable free in the environment.
2240 </para>
2241 </listitem>
2242 <listitem>
2243
2244 <para>
2245  Be unified with each other.  (They may unify with the type variables
2246 bound by another equation for the same function, of course.)
2247 </para>
2248 </listitem>
2249
2250 </itemizedlist>
2251
2252
2253 For example, the following all fail to type check:
2254
2255
2256 <programlisting>
2257   f (x::a) (y::b) = [x,y]       -- a unifies with b
2258
2259   g (x::a) = x + 1::Int         -- a unifies with Int
2260
2261   h x = let k (y::a) = [x,y]    -- a is free in the
2262         in k x                  -- environment
2263
2264   k (x::a) True    = ...        -- a unifies with Int
2265   k (x::Int) False = ...
2266
2267   w :: [b] -> [b]
2268   w (x::a) = x                  -- a unifies with [b]
2269 </programlisting>
2270
2271
2272 </para>
2273 </listitem>
2274 <listitem>
2275
2276 <para>
2277  The pattern-bound type variable may, however, be constrained
2278 by the context of the principal type, thus:
2279
2280
2281 <programlisting>
2282   f (x::a) (y::a) = x+y*2
2283 </programlisting>
2284
2285
2286 gets the inferred type: <literal>forall a. Num a =&gt; a -&gt; a -&gt; a</literal>.
2287 </para>
2288 </listitem>
2289
2290 </itemizedlist>
2291
2292 </para>
2293
2294 </sect2>
2295
2296 <sect2>
2297 <title>Result type signatures</title>
2298
2299 <para>
2300
2301 <itemizedlist>
2302 <listitem>
2303
2304 <para>
2305  The result type of a function can be given a signature,
2306 thus:
2307
2308
2309 <programlisting>
2310   f (x::a) :: [a] = [x,x,x]
2311 </programlisting>
2312
2313
2314 The final <literal>:: [a]</literal> after all the patterns gives a signature to the
2315 result type.  Sometimes this is the only way of naming the type variable
2316 you want:
2317
2318
2319 <programlisting>
2320   f :: Int -> [a] -> [a]
2321   f n :: ([a] -> [a]) = let g (x::a, y::a) = (y,x)
2322                         in \xs -> map g (reverse xs `zip` xs)
2323 </programlisting>
2324
2325
2326 </para>
2327 </listitem>
2328
2329 </itemizedlist>
2330
2331 </para>
2332
2333 <para>
2334 Result type signatures are not yet implemented in Hugs.
2335 </para>
2336
2337 </sect2>
2338
2339 <sect2>
2340 <title>Pattern signatures on other constructs</title>
2341
2342 <para>
2343
2344 <itemizedlist>
2345 <listitem>
2346
2347 <para>
2348  A pattern type signature can be on an arbitrary sub-pattern, not
2349 just on a variable:
2350
2351
2352 <programlisting>
2353   f ((x,y)::(a,b)) = (y,x) :: (b,a)
2354 </programlisting>
2355
2356
2357 </para>
2358 </listitem>
2359 <listitem>
2360
2361 <para>
2362  Pattern type signatures, including the result part, can be used
2363 in lambda abstractions:
2364
2365
2366 <programlisting>
2367   (\ (x::a, y) :: a -> x)
2368 </programlisting>
2369
2370
2371 Type variables bound by these patterns must be polymorphic in
2372 the sense defined above.
2373 For example:
2374
2375
2376 <programlisting>
2377   f1 (x::c) = f1 x      -- ok
2378   f2 = \(x::c) -> f2 x  -- not ok
2379 </programlisting>
2380
2381
2382 Here, <function>f1</function> is OK, but <function>f2</function> is not, because <VarName>c</VarName> gets unified
2383 with a type variable free in the environment, in this
2384 case, the type of <function>f2</function>, which is in the environment when
2385 the lambda abstraction is checked.
2386
2387 </para>
2388 </listitem>
2389 <listitem>
2390
2391 <para>
2392  Pattern type signatures, including the result part, can be used
2393 in <literal>case</literal> expressions:
2394
2395
2396 <programlisting>
2397   case e of { (x::a, y) :: a -> x }
2398 </programlisting>
2399
2400
2401 The pattern-bound type variables must, as usual,
2402 be polymorphic in the following sense: each case alternative,
2403 considered as a lambda abstraction, must be polymorphic.
2404 Thus this is OK:
2405
2406
2407 <programlisting>
2408   case (True,False) of { (x::a, y) -> x }
2409 </programlisting>
2410
2411
2412 Even though the context is that of a pair of booleans,
2413 the alternative itself is polymorphic.  Of course, it is
2414 also OK to say:
2415
2416
2417 <programlisting>
2418   case (True,False) of { (x::Bool, y) -> x }
2419 </programlisting>
2420
2421
2422 </para>
2423 </listitem>
2424 <listitem>
2425
2426 <para>
2427 To avoid ambiguity, the type after the &ldquo;<literal>::</literal>&rdquo; in a result
2428 pattern signature on a lambda or <literal>case</literal> must be atomic (i.e. a single
2429 token or a parenthesised type of some sort).  To see why,
2430 consider how one would parse this:
2431
2432
2433 <programlisting>
2434   \ x :: a -> b -> x
2435 </programlisting>
2436
2437
2438 </para>
2439 </listitem>
2440 <listitem>
2441
2442 <para>
2443  Pattern type signatures that bind new type variables
2444 may not be used in pattern bindings at all.
2445 So this is illegal:
2446
2447
2448 <programlisting>
2449   f x = let (y, z::a) = x in ...
2450 </programlisting>
2451
2452
2453 But these are OK, because they do not bind fresh type variables:
2454
2455
2456 <programlisting>
2457   f1 x            = let (y, z::Int) = x in ...
2458   f2 (x::(Int,a)) = let (y, z::a)   = x in ...
2459 </programlisting>
2460
2461
2462 However a single variable is considered a degenerate function binding,
2463 rather than a degerate pattern binding, so this is permitted, even
2464 though it binds a type variable:
2465
2466
2467 <programlisting>
2468   f :: (b->b) = \(x::b) -> x
2469 </programlisting>
2470
2471
2472 </para>
2473 </listitem>
2474
2475 </itemizedlist>
2476
2477 Such degnerate function bindings do not fall under the monomorphism
2478 restriction.  Thus:
2479 </para>
2480
2481 <para>
2482
2483 <programlisting>
2484   g :: a -> a -> Bool = \x y. x==y
2485 </programlisting>
2486
2487 </para>
2488
2489 <para>
2490 Here <function>g</function> has type <literal>forall a. Eq a =&gt; a -&gt; a -&gt; Bool</literal>, just as if
2491 <function>g</function> had a separate type signature.  Lacking a type signature, <function>g</function>
2492 would get a monomorphic type.
2493 </para>
2494
2495 </sect2>
2496
2497 <sect2>
2498 <title>Existentials</title>
2499
2500 <para>
2501
2502 <itemizedlist>
2503 <listitem>
2504
2505 <para>
2506  Pattern type signatures can bind existential type variables.
2507 For example:
2508
2509
2510 <programlisting>
2511   data T = forall a. MkT [a]
2512
2513   f :: T -> T
2514   f (MkT [t::a]) = MkT t3
2515                  where
2516                    t3::[a] = [t,t,t]
2517 </programlisting>
2518
2519
2520 </para>
2521 </listitem>
2522
2523 </itemizedlist>
2524
2525 </para>
2526
2527 </sect2>
2528
2529 </sect1>
2530
2531 <sect1 id="pragmas">
2532 <title>Pragmas
2533 </title>
2534
2535 <para>
2536 GHC supports several pragmas, or instructions to the compiler placed
2537 in the source code.  Pragmas don't affect the meaning of the program,
2538 but they might affect the efficiency of the generated code.
2539 </para>
2540
2541 <sect2 id="inline-pragma">
2542 <title>INLINE pragma
2543
2544 <indexterm><primary>INLINE pragma</primary></indexterm>
2545 <indexterm><primary>pragma, INLINE</primary></indexterm></title>
2546
2547 <para>
2548 GHC (with <option>-O</option>, as always) tries to inline (or &ldquo;unfold&rdquo;)
2549 functions/values that are &ldquo;small enough,&rdquo; thus avoiding the call
2550 overhead and possibly exposing other more-wonderful optimisations.
2551 </para>
2552
2553 <para>
2554 You will probably see these unfoldings (in Core syntax) in your
2555 interface files.
2556 </para>
2557
2558 <para>
2559 Normally, if GHC decides a function is &ldquo;too expensive&rdquo; to inline, it
2560 will not do so, nor will it export that unfolding for other modules to
2561 use.
2562 </para>
2563
2564 <para>
2565 The sledgehammer you can bring to bear is the
2566 <literal>INLINE</literal><indexterm><primary>INLINE pragma</primary></indexterm> pragma, used thusly:
2567
2568 <programlisting>
2569 key_function :: Int -> String -> (Bool, Double)
2570
2571 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
2572 {-# INLINE key_function #-}
2573 #endif
2574 </programlisting>
2575
2576 (You don't need to do the C pre-processor carry-on unless you're going
2577 to stick the code through HBC&mdash;it doesn't like <literal>INLINE</literal> pragmas.)
2578 </para>
2579
2580 <para>
2581 The major effect of an <literal>INLINE</literal> pragma is to declare a function's
2582 &ldquo;cost&rdquo; to be very low.  The normal unfolding machinery will then be
2583 very keen to inline it.
2584 </para>
2585
2586 <para>
2587 An <literal>INLINE</literal> pragma for a function can be put anywhere its type
2588 signature could be put.
2589 </para>
2590
2591 <para>
2592 <literal>INLINE</literal> pragmas are a particularly good idea for the
2593 <literal>then</literal>/<literal>return</literal> (or <literal>bind</literal>/<literal>unit</literal>) functions in a monad.
2594 For example, in GHC's own <literal>UniqueSupply</literal> monad code, we have:
2595
2596 <programlisting>
2597 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
2598 {-# INLINE thenUs #-}
2599 {-# INLINE returnUs #-}
2600 #endif
2601 </programlisting>
2602
2603 </para>
2604
2605 </sect2>
2606
2607 <sect2 id="noinline-pragma">
2608 <title>NOINLINE pragma
2609 </title>
2610
2611 <para>
2612 <indexterm><primary>NOINLINE pragma</primary></indexterm>
2613 <indexterm><primary>pragma, NOINLINE</primary></indexterm>
2614 </para>
2615
2616 <para>
2617 The <literal>NOINLINE</literal> pragma does exactly what you'd expect: it stops the
2618 named function from being inlined by the compiler.  You shouldn't ever
2619 need to do this, unless you're very cautious about code size.
2620 </para>
2621
2622 </sect2>
2623
2624     <sect2 id="specialize-pragma">
2625       <title>SPECIALIZE pragma</title>
2626
2627       <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
2628       <indexterm><primary>pragma, SPECIALIZE</primary></indexterm>
2629       <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
2630
2631       <para>(UK spelling also accepted.)  For key overloaded
2632       functions, you can create extra versions (NB: more code space)
2633       specialised to particular types.  Thus, if you have an
2634       overloaded function:</para>
2635
2636 <programlisting>
2637 hammeredLookup :: Ord key => [(key, value)] -> key -> value
2638 </programlisting>
2639
2640       <para>If it is heavily used on lists with
2641       <literal>Widget</literal> keys, you could specialise it as
2642       follows:</para>
2643
2644 <programlisting>
2645 {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Widget, value)] -> Widget -> value #-}
2646 </programlisting>
2647
2648       <para>To get very fancy, you can also specify a named function
2649       to use for the specialised value, as in:</para>
2650
2651 <programlisting>
2652 {-# RULES hammeredLookup = blah #-}
2653 </programlisting>
2654
2655       <para>where <literal>blah</literal> is an implementation of
2656       <literal>hammerdLookup</literal> written specialy for
2657       <literal>Widget</literal> lookups.  It's <emphasis>Your
2658       Responsibility</emphasis> to make sure that
2659       <function>blah</function> really behaves as a specialised
2660       version of <function>hammeredLookup</function>!!!</para>
2661
2662       <para>Note we use the <literal>RULE</literal> pragma here to
2663       indicate that <literal>hammeredLookup</literal> applied at a
2664       certain type should be replaced by <literal>blah</literal>.  See
2665       <xref linkend="rules"> for more information on
2666       <literal>RULES</literal>.</para>
2667
2668       <para>An example in which using <literal>RULES</literal> for
2669       specialisation will Win Big:
2670
2671 <programlisting>
2672 toDouble :: Real a => a -> Double
2673 toDouble = fromRational . toRational
2674
2675 {-# SPECIALIZE toDouble :: Int -> Double = i2d #-}
2676 i2d (I# i) = D# (int2Double# i) -- uses Glasgow prim-op directly
2677 </programlisting>
2678
2679       The <function>i2d</function> function is virtually one machine
2680       instruction; the default conversion&mdash;via an intermediate
2681       <literal>Rational</literal>&mdash;is obscenely expensive by
2682       comparison.</para>
2683
2684       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> pragma for a function can
2685       be put anywhere its type signature could be put.</para>
2686
2687     </sect2>
2688
2689 <sect2 id="specialize-instance-pragma">
2690 <title>SPECIALIZE instance pragma
2691 </title>
2692
2693 <para>
2694 <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
2695 <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
2696 Same idea, except for instance declarations.  For example:
2697
2698 <programlisting>
2699 instance (Eq a) => Eq (Foo a) where { ... usual stuff ... }
2700
2701 {-# SPECIALIZE instance Eq (Foo [(Int, Bar)] #-}
2702 </programlisting>
2703
2704 Compatible with HBC, by the way.
2705 </para>
2706
2707 </sect2>
2708
2709 <sect2 id="line-pragma">
2710 <title>LINE pragma
2711 </title>
2712
2713 <para>
2714 <indexterm><primary>LINE pragma</primary></indexterm>
2715 <indexterm><primary>pragma, LINE</primary></indexterm>
2716 </para>
2717
2718 <para>
2719 This pragma is similar to C's <literal>&num;line</literal> pragma, and is mainly for use in
2720 automatically generated Haskell code.  It lets you specify the line
2721 number and filename of the original code; for example
2722 </para>
2723
2724 <para>
2725
2726 <programlisting>
2727 {-# LINE 42 "Foo.vhs" #-}
2728 </programlisting>
2729
2730 </para>
2731
2732 <para>
2733 if you'd generated the current file from something called <filename>Foo.vhs</filename>
2734 and this line corresponds to line 42 in the original.  GHC will adjust
2735 its error messages to refer to the line/file named in the <literal>LINE</literal>
2736 pragma.
2737 </para>
2738
2739 </sect2>
2740
2741 <sect2 id="rules">
2742 <title>RULES pragma</title>
2743
2744 <para>
2745 The RULES pragma lets you specify rewrite rules.  It is described in
2746 <xref LinkEnd="rewrite-rules">.
2747 </para>
2748
2749 </sect2>
2750
2751 </sect1>
2752
2753 <sect1 id="rewrite-rules">
2754 <title>Rewrite rules
2755
2756 <indexterm><primary>RULES pagma</primary></indexterm>
2757 <indexterm><primary>pragma, RULES</primary></indexterm>
2758 <indexterm><primary>rewrite rules</primary></indexterm></title>
2759
2760 <para>
2761 The programmer can specify rewrite rules as part of the source program
2762 (in a pragma).  GHC applies these rewrite rules wherever it can.
2763 </para>
2764
2765 <para>
2766 Here is an example:
2767
2768 <programlisting>
2769   {-# RULES
2770         "map/map"       forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
2771   #-}
2772 </programlisting>
2773
2774 </para>
2775
2776 <sect2>
2777 <title>Syntax</title>
2778
2779 <para>
2780 From a syntactic point of view:
2781
2782 <itemizedlist>
2783 <listitem>
2784
2785 <para>
2786  Each rule has a name, enclosed in double quotes.  The name itself has
2787 no significance at all.  It is only used when reporting how many times the rule fired.
2788 </para>
2789 </listitem>
2790 <listitem>
2791
2792 <para>
2793  There may be zero or more rules in a <literal>RULES</literal> pragma.
2794 </para>
2795 </listitem>
2796 <listitem>
2797
2798 <para>
2799  Layout applies in a <literal>RULES</literal> pragma.  Currently no new indentation level
2800 is set, so you must lay out your rules starting in the same column as the
2801 enclosing definitions.
2802 </para>
2803 </listitem>
2804 <listitem>
2805
2806 <para>
2807  Each variable mentioned in a rule must either be in scope (e.g. <function>map</function>),
2808 or bound by the <literal>forall</literal> (e.g. <function>f</function>, <function>g</function>, <function>xs</function>).  The variables bound by
2809 the <literal>forall</literal> are called the <emphasis>pattern</emphasis> variables.  They are separated
2810 by spaces, just like in a type <literal>forall</literal>.
2811 </para>
2812 </listitem>
2813 <listitem>
2814
2815 <para>
2816  A pattern variable may optionally have a type signature.
2817 If the type of the pattern variable is polymorphic, it <emphasis>must</emphasis> have a type signature.
2818 For example, here is the <literal>foldr/build</literal> rule:
2819
2820 <programlisting>
2821 "fold/build"  forall k z (g::forall b. (a->b->b) -> b -> b) .
2822               foldr k z (build g) = g k z
2823 </programlisting>
2824
2825 Since <function>g</function> has a polymorphic type, it must have a type signature.
2826
2827 </para>
2828 </listitem>
2829 <listitem>
2830
2831 <para>
2832 The left hand side of a rule must consist of a top-level variable applied
2833 to arbitrary expressions.  For example, this is <emphasis>not</emphasis> OK:
2834
2835 <programlisting>
2836 "wrong1"   forall e1 e2.  case True of { True -> e1; False -> e2 } = e1
2837 "wrong2"   forall f.      f True = True
2838 </programlisting>
2839
2840 In <literal>"wrong1"</literal>, the LHS is not an application; in <literal>"wrong2"</literal>, the LHS has a pattern variable
2841 in the head.
2842 </para>
2843 </listitem>
2844 <listitem>
2845
2846 <para>
2847  A rule does not need to be in the same module as (any of) the
2848 variables it mentions, though of course they need to be in scope.
2849 </para>
2850 </listitem>
2851 <listitem>
2852
2853 <para>
2854  Rules are automatically exported from a module, just as instance declarations are.
2855 </para>
2856 </listitem>
2857
2858 </itemizedlist>
2859
2860 </para>
2861
2862 </sect2>
2863
2864 <sect2>
2865 <title>Semantics</title>
2866
2867 <para>
2868 From a semantic point of view:
2869
2870 <itemizedlist>
2871 <listitem>
2872
2873 <para>
2874 Rules are only applied if you use the <option>-O</option> flag.
2875 </para>
2876 </listitem>
2877
2878 <listitem>
2879 <para>
2880  Rules are regarded as left-to-right rewrite rules.
2881 When GHC finds an expression that is a substitution instance of the LHS
2882 of a rule, it replaces the expression by the (appropriately-substituted) RHS.
2883 By "a substitution instance" we mean that the LHS can be made equal to the
2884 expression by substituting for the pattern variables.
2885
2886 </para>
2887 </listitem>
2888 <listitem>
2889
2890 <para>
2891  The LHS and RHS of a rule are typechecked, and must have the
2892 same type.
2893
2894 </para>
2895 </listitem>
2896 <listitem>
2897
2898 <para>
2899  GHC makes absolutely no attempt to verify that the LHS and RHS
2900 of a rule have the same meaning.  That is undecideable in general, and
2901 infeasible in most interesting cases.  The responsibility is entirely the programmer's!
2902
2903 </para>
2904 </listitem>
2905 <listitem>
2906
2907 <para>
2908  GHC makes no attempt to make sure that the rules are confluent or
2909 terminating.  For example:
2910
2911 <programlisting>
2912   "loop"        forall x,y.  f x y = f y x
2913 </programlisting>
2914
2915 This rule will cause the compiler to go into an infinite loop.
2916
2917 </para>
2918 </listitem>
2919 <listitem>
2920
2921 <para>
2922  If more than one rule matches a call, GHC will choose one arbitrarily to apply.
2923
2924 </para>
2925 </listitem>
2926 <listitem>
2927 <para>
2928  GHC currently uses a very simple, syntactic, matching algorithm
2929 for matching a rule LHS with an expression.  It seeks a substitution
2930 which makes the LHS and expression syntactically equal modulo alpha
2931 conversion.  The pattern (rule), but not the expression, is eta-expanded if
2932 necessary.  (Eta-expanding the epression can lead to laziness bugs.)
2933 But not beta conversion (that's called higher-order matching).
2934 </para>
2935
2936 <para>
2937 Matching is carried out on GHC's intermediate language, which includes
2938 type abstractions and applications.  So a rule only matches if the
2939 types match too.  See <xref LinkEnd="rule-spec"> below.
2940 </para>
2941 </listitem>
2942 <listitem>
2943
2944 <para>
2945  GHC keeps trying to apply the rules as it optimises the program.
2946 For example, consider:
2947
2948 <programlisting>
2949   let s = map f
2950       t = map g
2951   in
2952   s (t xs)
2953 </programlisting>
2954
2955 The expression <literal>s (t xs)</literal> does not match the rule <literal>"map/map"</literal>, but GHC
2956 will substitute for <VarName>s</VarName> and <VarName>t</VarName>, giving an expression which does match.
2957 If <VarName>s</VarName> or <VarName>t</VarName> was (a) used more than once, and (b) large or a redex, then it would
2958 not be substituted, and the rule would not fire.
2959
2960 </para>
2961 </listitem>
2962 <listitem>
2963
2964 <para>
2965  In the earlier phases of compilation, GHC inlines <emphasis>nothing
2966 that appears on the LHS of a rule</emphasis>, because once you have substituted
2967 for something you can't match against it (given the simple minded
2968 matching).  So if you write the rule
2969
2970 <programlisting>
2971         "map/map"       forall f,g.  map f . map g = map (f.g)
2972 </programlisting>
2973
2974 this <emphasis>won't</emphasis> match the expression <literal>map f (map g xs)</literal>.
2975 It will only match something written with explicit use of ".".
2976 Well, not quite.  It <emphasis>will</emphasis> match the expression
2977
2978 <programlisting>
2979 wibble f g xs
2980 </programlisting>
2981
2982 where <function>wibble</function> is defined:
2983
2984 <programlisting>
2985 wibble f g = map f . map g
2986 </programlisting>
2987
2988 because <function>wibble</function> will be inlined (it's small).
2989
2990 Later on in compilation, GHC starts inlining even things on the
2991 LHS of rules, but still leaves the rules enabled.  This inlining
2992 policy is controlled by the per-simplification-pass flag <option>-finline-phase</option><emphasis>n</emphasis>.
2993
2994 </para>
2995 </listitem>
2996 <listitem>
2997
2998 <para>
2999  All rules are implicitly exported from the module, and are therefore
3000 in force in any module that imports the module that defined the rule, directly
3001 or indirectly.  (That is, if A imports B, which imports C, then C's rules are
3002 in force when compiling A.)  The situation is very similar to that for instance
3003 declarations.
3004 </para>
3005 </listitem>
3006
3007 </itemizedlist>
3008
3009 </para>
3010
3011 </sect2>
3012
3013 <sect2>
3014 <title>List fusion</title>
3015
3016 <para>
3017 The RULES mechanism is used to implement fusion (deforestation) of common list functions.
3018 If a "good consumer" consumes an intermediate list constructed by a "good producer", the
3019 intermediate list should be eliminated entirely.
3020 </para>
3021
3022 <para>
3023 The following are good producers:
3024
3025 <itemizedlist>
3026 <listitem>
3027
3028 <para>
3029  List comprehensions
3030 </para>
3031 </listitem>
3032 <listitem>
3033
3034 <para>
3035  Enumerations of <literal>Int</literal> and <literal>Char</literal> (e.g. <literal>['a'..'z']</literal>).
3036 </para>
3037 </listitem>
3038 <listitem>
3039
3040 <para>
3041  Explicit lists (e.g. <literal>[True, False]</literal>)
3042 </para>
3043 </listitem>
3044 <listitem>
3045
3046 <para>
3047  The cons constructor (e.g <literal>3:4:[]</literal>)
3048 </para>
3049 </listitem>
3050 <listitem>
3051
3052 <para>
3053  <function>++</function>
3054 </para>
3055 </listitem>
3056 <listitem>
3057
3058 <para>
3059  <function>map</function>
3060 </para>
3061 </listitem>
3062 <listitem>
3063
3064 <para>
3065  <function>filter</function>
3066 </para>
3067 </listitem>
3068 <listitem>
3069
3070 <para>
3071  <function>iterate</function>, <function>repeat</function>
3072 </para>
3073 </listitem>
3074 <listitem>
3075
3076 <para>
3077  <function>zip</function>, <function>zipWith</function>
3078 </para>
3079 </listitem>
3080
3081 </itemizedlist>
3082
3083 </para>
3084
3085 <para>
3086 The following are good consumers:
3087
3088 <itemizedlist>
3089 <listitem>
3090
3091 <para>
3092  List comprehensions
3093 </para>
3094 </listitem>
3095 <listitem>
3096
3097 <para>
3098  <function>array</function> (on its second argument)
3099 </para>
3100 </listitem>
3101 <listitem>
3102
3103 <para>
3104  <function>length</function>
3105 </para>
3106 </listitem>
3107 <listitem>
3108
3109 <para>
3110  <function>++</function> (on its first argument)
3111 </para>
3112 </listitem>
3113 <listitem>
3114
3115 <para>
3116  <function>map</function>
3117 </para>
3118 </listitem>
3119 <listitem>
3120
3121 <para>
3122  <function>filter</function>
3123 </para>
3124 </listitem>
3125 <listitem>
3126
3127 <para>
3128  <function>concat</function>
3129 </para>
3130 </listitem>
3131 <listitem>
3132
3133 <para>
3134  <function>unzip</function>, <function>unzip2</function>, <function>unzip3</function>, <function>unzip4</function>
3135 </para>
3136 </listitem>
3137 <listitem>
3138
3139 <para>
3140  <function>zip</function>, <function>zipWith</function> (but on one argument only; if both are good producers, <function>zip</function>
3141 will fuse with one but not the other)
3142 </para>
3143 </listitem>
3144 <listitem>
3145
3146 <para>
3147  <function>partition</function>
3148 </para>
3149 </listitem>
3150 <listitem>
3151
3152 <para>
3153  <function>head</function>
3154 </para>
3155 </listitem>
3156 <listitem>
3157
3158 <para>
3159  <function>and</function>, <function>or</function>, <function>any</function>, <function>all</function>
3160 </para>
3161 </listitem>
3162 <listitem>
3163
3164 <para>
3165  <function>sequence&lowbar;</function>
3166 </para>
3167 </listitem>
3168 <listitem>
3169
3170 <para>
3171  <function>msum</function>
3172 </para>
3173 </listitem>
3174 <listitem>
3175
3176 <para>
3177  <function>sortBy</function>
3178 </para>
3179 </listitem>
3180
3181 </itemizedlist>
3182
3183 </para>
3184
3185 <para>
3186 So, for example, the following should generate no intermediate lists:
3187
3188 <programlisting>
3189 array (1,10) [(i,i*i) | i &#60;- map (+ 1) [0..9]]
3190 </programlisting>
3191
3192 </para>
3193
3194 <para>
3195 This list could readily be extended; if there are Prelude functions that you use
3196 a lot which are not included, please tell us.
3197 </para>
3198
3199 <para>
3200 If you want to write your own good consumers or producers, look at the
3201 Prelude definitions of the above functions to see how to do so.
3202 </para>
3203
3204 </sect2>
3205
3206 <sect2 id="rule-spec">
3207 <title>Specialisation
3208 </title>
3209
3210 <para>
3211 Rewrite rules can be used to get the same effect as a feature
3212 present in earlier version of GHC:
3213
3214 <programlisting>
3215   {-# SPECIALIZE fromIntegral :: Int8 -> Int16 = int8ToInt16 #-}
3216 </programlisting>
3217
3218 This told GHC to use <function>int8ToInt16</function> instead of <function>fromIntegral</function> whenever
3219 the latter was called with type <literal>Int8 -&gt; Int16</literal>.  That is, rather than
3220 specialising the original definition of <function>fromIntegral</function> the programmer is
3221 promising that it is safe to use <function>int8ToInt16</function> instead.
3222 </para>
3223
3224 <para>
3225 This feature is no longer in GHC.  But rewrite rules let you do the
3226 same thing:
3227
3228 <programlisting>
3229 {-# RULES
3230   "fromIntegral/Int8/Int16" fromIntegral = int8ToInt16
3231 #-}
3232 </programlisting>
3233
3234 This slightly odd-looking rule instructs GHC to replace <function>fromIntegral</function>
3235 by <function>int8ToInt16</function> <emphasis>whenever the types match</emphasis>.  Speaking more operationally,
3236 GHC adds the type and dictionary applications to get the typed rule
3237
3238 <programlisting>
3239 forall (d1::Integral Int8) (d2::Num Int16) .
3240         fromIntegral Int8 Int16 d1 d2 = int8ToInt16
3241 </programlisting>
3242
3243 What is more,
3244 this rule does not need to be in the same file as fromIntegral,
3245 unlike the <literal>SPECIALISE</literal> pragmas which currently do (so that they
3246 have an original definition available to specialise).
3247 </para>
3248
3249 </sect2>
3250
3251 <sect2>
3252 <title>Controlling what's going on</title>
3253
3254 <para>
3255
3256 <itemizedlist>
3257 <listitem>
3258
3259 <para>
3260  Use <option>-ddump-rules</option> to see what transformation rules GHC is using.
3261 </para>
3262 </listitem>
3263 <listitem>
3264
3265 <para>
3266  Use <option>-ddump-simpl-stats</option> to see what rules are being fired.
3267 If you add <option>-dppr-debug</option> you get a more detailed listing.
3268 </para>
3269 </listitem>
3270 <listitem>
3271
3272 <para>
3273  The defintion of (say) <function>build</function> in <FileName>PrelBase.lhs</FileName> looks llike this:
3274
3275 <programlisting>
3276         build   :: forall a. (forall b. (a -> b -> b) -> b -> b) -> [a]
3277         {-# INLINE build #-}
3278         build g = g (:) []
3279 </programlisting>
3280
3281 Notice the <literal>INLINE</literal>!  That prevents <literal>(:)</literal> from being inlined when compiling
3282 <literal>PrelBase</literal>, so that an importing module will &ldquo;see&rdquo; the <literal>(:)</literal>, and can
3283 match it on the LHS of a rule.  <literal>INLINE</literal> prevents any inlining happening
3284 in the RHS of the <literal>INLINE</literal> thing.  I regret the delicacy of this.
3285
3286 </para>
3287 </listitem>
3288 <listitem>
3289
3290 <para>
3291  In <filename>ghc/lib/std/PrelBase.lhs</filename> look at the rules for <function>map</function> to
3292 see how to write rules that will do fusion and yet give an efficient
3293 program even if fusion doesn't happen.  More rules in <filename>PrelList.lhs</filename>.
3294 </para>
3295 </listitem>
3296
3297 </itemizedlist>
3298
3299 </para>
3300
3301 </sect2>
3302
3303 </sect1>
3304
3305 <sect1 id="generic-classes">
3306 <title>Generic classes</title>
3307
3308 <para>
3309 The ideas behind this extension are described in detail in "Derivable type classes",
3310 Ralf Hinze and Simon Peyton Jones, Haskell Workshop, Montreal Sept 2000, pp94-105.
3311 An example will give the idea:
3312 </para>
3313
3314 <programlisting>
3315   import Generics
3316
3317   class Bin a where
3318     toBin   :: a -> [Int]
3319     fromBin :: [Int] -> (a, [Int])
3320   
3321     toBin {| Unit |}    Unit      = []
3322     toBin {| a :+: b |} (Inl x)   = 0 : toBin x
3323     toBin {| a :+: b |} (Inr y)   = 1 : toBin y
3324     toBin {| a :*: b |} (x :*: y) = toBin x ++ toBin y
3325   
3326     fromBin {| Unit |}    bs      = (Unit, bs)
3327     fromBin {| a :+: b |} (0:bs)  = (Inl x, bs')    where (x,bs') = fromBin bs
3328     fromBin {| a :+: b |} (1:bs)  = (Inr y, bs')    where (y,bs') = fromBin bs
3329     fromBin {| a :*: b |} bs      = (x :*: y, bs'') where (x,bs' ) = fromBin bs
3330                                                           (y,bs'') = fromBin bs'
3331 </programlisting>
3332 <para>
3333 This class declaration explains how <literal>toBin</literal> and <literal>fromBin</literal>
3334 work for arbitrary data types.  They do so by giving cases for unit, product, and sum,
3335 which are defined thus in the library module <literal>Generics</literal>:
3336 </para>
3337 <programlisting>
3338   data Unit    = Unit
3339   data a :+: b = Inl a | Inr b
3340   data a :*: b = a :*: b
3341 </programlisting>
3342 <para>
3343 Now you can make a data type into an instance of Bin like this:
3344 <programlisting>
3345   instance (Bin a, Bin b) => Bin (a,b)
3346   instance Bin a => Bin [a]
3347 </programlisting>
3348 That is, just leave off the "where" clasuse.  Of course, you can put in the
3349 where clause and over-ride whichever methods you please.
3350 </para>
3351
3352     <sect2>
3353       <title> Using generics </title>
3354       <para>To use generics you need to</para>
3355       <itemizedlist>
3356         <listitem>
3357           <para>Use the <option>-fgenerics</option> flag.</para>
3358         </listitem>
3359         <listitem>
3360           <para>Import the module <literal>Generics</literal> from the
3361           <literal>lang</literal> package.  This import brings into
3362           scope the data types <literal>Unit</literal>,
3363           <literal>:*:</literal>, and <literal>:+:</literal>.  (You
3364           don't need this import if you don't mention these types
3365           explicitly; for example, if you are simply giving instance
3366           declarations.)</para>
3367         </listitem>
3368       </itemizedlist>
3369     </sect2>
3370
3371 <sect2> <title> Changes wrt the paper </title>
3372 <para>
3373 Note that the type constructors <literal>:+:</literal> and <literal>:*:</literal> 
3374 can be written infix (indeed, you can now use
3375 any operator starting in a colon as an infix type constructor).  Also note that
3376 the type constructors are not exactly as in the paper (Unit instead of 1, etc).
3377 Finally, note that the syntax of the type patterns in the class declaration
3378 uses "<literal>{|</literal>" and "<literal>{|</literal>" brackets; curly braces
3379 alone would ambiguous when they appear on right hand sides (an extension we 
3380 anticipate wanting).
3381 </para>
3382 </sect2>
3383
3384 <sect2> <title>Terminology and restrictions</title>
3385 <para>
3386 Terminology.  A "generic default method" in a class declaration
3387 is one that is defined using type patterns as above.
3388 A "polymorphic default method" is a default method defined as in Haskell 98.
3389 A "generic class declaration" is a class declaration with at least one
3390 generic default method.
3391 </para>
3392
3393 <para>
3394 Restrictions:
3395 <itemizedlist>
3396 <listitem>
3397 <para>
3398 Alas, we do not yet implement the stuff about constructor names and 
3399 field labels.
3400 </para>
3401 </listitem>
3402
3403 <listitem>
3404 <para>
3405 A generic class can have only one parameter; you can't have a generic
3406 multi-parameter class.
3407 </para>
3408 </listitem>
3409
3410 <listitem>
3411 <para>
3412 A default method must be defined entirely using type patterns, or entirely
3413 without.  So this is illegal:
3414 <programlisting>
3415   class Foo a where
3416     op :: a -> (a, Bool)
3417     op {| Unit |} Unit = (Unit, True)
3418     op x               = (x,    False)
3419 </programlisting>
3420 However it is perfectly OK for some methods of a generic class to have 
3421 generic default methods and others to have polymorphic default methods.
3422 </para>
3423 </listitem>
3424
3425 <listitem>
3426 <para>
3427 The type variable(s) in the type pattern for a generic method declaration
3428 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:
3429 <programlisting>
3430   class Foo a where
3431     op :: a -> Bool
3432     op {| p :*: q |} (x :*: y) = op (x :: p)
3433     ...
3434 </programlisting>
3435 </para>
3436 </listitem>
3437
3438 <listitem>
3439 <para>
3440 The type patterns in a generic default method must take one of the forms:
3441 <programlisting>
3442        a :+: b
3443        a :*: b
3444        Unit
3445 </programlisting>
3446 where "a" and "b" are type variables.  Furthermore, all the type patterns for
3447 a single type constructor (<literal>:*:</literal>, say) must be identical; they
3448 must use the same type variables.  So this is illegal:
3449 <programlisting>
3450   class Foo a where
3451     op :: a -> Bool
3452     op {| a :+: b |} (Inl x) = True
3453     op {| p :+: q |} (Inr y) = False
3454 </programlisting>
3455 The type patterns must be identical, even in equations for different methods of the class.
3456 So this too is illegal:
3457 <programlisting>
3458   class Foo a where
3459     op1 :: a -> Bool
3460     op {| a :*: b |} (Inl x) = True
3461
3462     op2 :: a -> Bool
3463     op {| p :*: q |} (Inr y) = False
3464 </programlisting>
3465 (The reason for this restriction is that we gather all the equations for a particular type consructor
3466 into a single generic instance declaration.)
3467 </para>
3468 </listitem>
3469
3470 <listitem>
3471 <para>
3472 A generic method declaration must give a case for each of the three type constructors.
3473 </para>
3474 </listitem>
3475
3476 <listitem>
3477 <para>
3478 The type for a generic method can be built only from:
3479   <itemizedlist>
3480   <listitem> <para> Function arrows </para> </listitem>
3481   <listitem> <para> Type variables </para> </listitem>
3482   <listitem> <para> Tuples </para> </listitem>
3483   <listitem> <para> Arbitrary types not involving type variables </para> </listitem>
3484   </itemizedlist>
3485 Here are some example type signatures for generic methods:
3486 <programlisting>
3487     op1 :: a -> Bool
3488     op2 :: Bool -> (a,Bool)
3489     op3 :: [Int] -> a -> a
3490     op4 :: [a] -> Bool
3491 </programlisting>
3492 Here, op1, op2, op3 are OK, but op4 is rejected, because it has a type variable
3493 inside a list.  
3494 </para>
3495 <para>
3496 This restriction is an implementation restriction: we just havn't got around to
3497 implementing the necessary bidirectional maps over arbitrary type constructors.
3498 It would be relatively easy to add specific type constructors, such as Maybe and list,
3499 to the ones that are allowed.</para>
3500 </listitem>
3501
3502 <listitem>
3503 <para>
3504 In an instance declaration for a generic class, the idea is that the compiler
3505 will fill in the methods for you, based on the generic templates.  However it can only
3506 do so if
3507   <itemizedlist>
3508   <listitem>
3509   <para>
3510   The instance type is simple (a type constructor applied to type variables, as in Haskell 98).
3511   </para>
3512   </listitem>
3513   <listitem>
3514   <para>
3515   No constructor of the instance type has unboxed fields.
3516   </para>
3517   </listitem>
3518   </itemizedlist>
3519 (Of course, these things can only arise if you are already using GHC extensions.)
3520 However, you can still give an instance declarations for types which break these rules,
3521 provided you give explicit code to override any generic default methods.
3522 </para>
3523 </listitem>
3524
3525 </itemizedlist>
3526 </para>
3527
3528 <para>
3529 The option <option>-ddump-deriv</option> dumps incomprehensible stuff giving details of 
3530 what the compiler does with generic declarations.
3531 </para>
3532
3533 </sect2>
3534
3535 <sect2> <title> Another example </title>
3536 <para>
3537 Just to finish with, here's another example I rather like:
3538 <programlisting>
3539   class Tag a where
3540     nCons :: a -> Int
3541     nCons {| Unit |}    _ = 1
3542     nCons {| a :*: b |} _ = 1
3543     nCons {| a :+: b |} _ = nCons (bot::a) + nCons (bot::b)
3544   
3545     tag :: a -> Int
3546     tag {| Unit |}    _       = 1
3547     tag {| a :*: b |} _       = 1   
3548     tag {| a :+: b |} (Inl x) = tag x
3549     tag {| a :+: b |} (Inr y) = nCons (bot::a) + tag y
3550 </programlisting>
3551 </para>
3552 </sect2>
3553 </sect1>
3554
3555 <!-- Emacs stuff:
3556      ;;; Local Variables: ***
3557      ;;; mode: sgml ***
3558      ;;; sgml-parent-document: ("users_guide.sgml" "book" "chapter" "sect1") ***
3559      ;;; End: ***
3560  -->