cbfe2088997fa929e6cf59925b977558fb41b2f0
[ghc-hetmet.git] / ghc / docs / users_guide / glasgow_exts.sgml
1 <para>
2 <indexterm><primary>language, GHC</primary></indexterm>
3 <indexterm><primary>extensions, GHC</primary></indexterm>
4 As with all known Haskell systems, GHC implements some extensions to
5 the language.  To use them, you'll need to give a <option>-fglasgow-exts</option>
6 <indexterm><primary>-fglasgow-exts option</primary></indexterm> option.
7 </para>
8
9 <para>
10 Virtually all of the Glasgow extensions serve to give you access to
11 the underlying facilities with which we implement Haskell.  Thus, you
12 can get at the Raw Iron, if you are willing to write some non-standard
13 code at a more primitive level.  You need not be &ldquo;stuck&rdquo; on
14 performance because of the implementation costs of Haskell's
15 &ldquo;high-level&rdquo; features&mdash;you can always code &ldquo;under&rdquo; them.  In an extreme case, you can write all your time-critical code in C, and then just glue it together with Haskell!
16 </para>
17
18 <para>
19 Before you get too carried away working at the lowest level (e.g.,
20 sloshing <literal>MutableByteArray&num;</literal>s around your
21 program), you may wish to check if there are libraries that provide a
22 &ldquo;Haskellised veneer&rdquo; over the features you want.  The
23 separate libraries documentation describes all the libraries that come
24 with GHC.
25 </para>
26
27 <!-- LANGUAGE OPTIONS -->
28   <sect1 id="options-language">
29     <title>Language options</title>
30
31     <indexterm><primary>language</primary><secondary>option</secondary>
32     </indexterm>
33     <indexterm><primary>options</primary><secondary>language</secondary>
34     </indexterm>
35     <indexterm><primary>extensions</primary><secondary>options controlling</secondary>
36     </indexterm>
37
38     <para> These flags control what variation of the language are
39     permitted.  Leaving out all of them gives you standard Haskell
40     98.</para>
41
42     <variablelist>
43
44       <varlistentry>
45         <term><option>-fglasgow-exts</option>:</term>
46         <indexterm><primary><option>-fglasgow-exts</option></primary></indexterm>
47         <listitem>
48           <para>This simultaneously enables all of the extensions to
49           Haskell 98 described in <xref
50           linkend="ghc-language-features">, except where otherwise
51           noted. </para>
52         </listitem>
53       </varlistentry>
54
55       <varlistentry>
56         <term><option>-ffi</option> and <option>-fffi</option>:</term>
57         <indexterm><primary><option>-ffi</option></primary></indexterm>
58         <indexterm><primary><option>-fffi</option></primary></indexterm>
59         <listitem>
60           <para>This option enables the language extension defined in the
61           Haskell 98 Foreign Function Interface Addendum plus deprecated
62           syntax of previous versions of the FFI for backwards
63           compatibility.</para> 
64         </listitem>
65       </varlistentry>
66
67       <varlistentry>
68         <term><option>-fwith</option>:</term>
69         <indexterm><primary><option>-fwith</option></primary></indexterm>
70         <listitem>
71           <para>This option enables the deprecated <literal>with</literal>
72           keyword for implicit parameters; it is merely provided for backwards
73           compatibility.
74           It is independent of the <option>-fglasgow-exts</option>
75           flag. </para>
76         </listitem>
77       </varlistentry>
78
79       <varlistentry>
80         <term><option>-fno-monomorphism-restriction</option>:</term>
81         <indexterm><primary><option>-fno-monomorphism-restriction</option></primary></indexterm>
82         <listitem>
83           <para> Switch off the Haskell 98 monomorphism restriction.
84           Independent of the <option>-fglasgow-exts</option>
85           flag. </para>
86         </listitem>
87       </varlistentry>
88
89       <varlistentry>
90         <term><option>-fallow-overlapping-instances</option></term>
91         <term><option>-fallow-undecidable-instances</option></term>
92         <term><option>-fallow-incoherent-instances</option></term>
93         <term><option>-fcontext-stack</option></term>
94         <indexterm><primary><option>-fallow-overlapping-instances</option></primary></indexterm>
95         <indexterm><primary><option>-fallow-undecidable-instances</option></primary></indexterm>
96         <indexterm><primary><option>-fcontext-stack</option></primary></indexterm>
97         <listitem>
98           <para> See <xref LinkEnd="instance-decls">.  Only relevant
99           if you also use <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
100         </listitem>
101       </varlistentry>
102
103       <varlistentry>
104         <term><option>-finline-phase</option></term>
105         <indexterm><primary><option>-finline-phase</option></primary></indexterm>
106         <listitem>
107           <para>See <xref LinkEnd="rewrite-rules">.  Only relevant if
108           you also use <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
109         </listitem>
110       </varlistentry>
111
112       <varlistentry>
113         <term><option>-fgenerics</option></term>
114         <indexterm><primary><option>-fgenerics</option></primary></indexterm>
115         <listitem>
116           <para>See <xref LinkEnd="generic-classes">.  Independent of
117           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
118         </listitem>
119       </varlistentry>
120
121         <varlistentry>
122           <term><option>-fno-implicit-prelude</option></term>
123           <listitem>
124             <para><indexterm><primary>-fno-implicit-prelude
125             option</primary></indexterm> GHC normally imports
126             <filename>Prelude.hi</filename> files for you.  If you'd
127             rather it didn't, then give it a
128             <option>-fno-implicit-prelude</option> option.  The idea
129             is that you can then import a Prelude of your own.  (But
130             don't call it <literal>Prelude</literal>; the Haskell
131             module namespace is flat, and you must not conflict with
132             any Prelude module.)</para>
133
134             <para>Even though you have not imported the Prelude, most of
135             the built-in syntax still refers to the built-in Haskell
136             Prelude types and values, as specified by the Haskell
137             Report.  For example, the type <literal>[Int]</literal>
138             still means <literal>Prelude.[] Int</literal>; tuples
139             continue to refer to the standard Prelude tuples; the
140             translation for list comprehensions continues to use
141             <literal>Prelude.map</literal> etc.</para>
142
143             <para>However, <option>-fno-implicit-prelude</option> does
144             change the handling of certain built-in syntax: see
145             <xref LinkEnd="rebindable-syntax">.</para>
146
147           </listitem>
148         </varlistentry>
149
150     </variablelist>
151   </sect1>
152
153 <!-- UNBOXED TYPES AND PRIMITIVE OPERATIONS -->
154 <!--    included from primitives.sgml  -->
155 &primitives;
156
157 <!-- ====================== SYNTACTIC EXTENSIONS =======================  -->
158
159 <sect1 id="syntax-extns">
160 <title>Syntactic extensions</title>
161  
162     <!-- ====================== HIERARCHICAL MODULES =======================  -->
163
164     <sect2 id="hierarchical-modules">
165       <title>Hierarchical Modules</title>
166
167       <para>GHC supports a small extension to the syntax of module
168       names: a module name is allowed to contain a dot
169       <literal>&lsquo;.&rsquo;</literal>.  This is also known as the
170       &ldquo;hierarchical module namespace&rdquo; extension, because
171       it extends the normally flat Haskell module namespace into a
172       more flexible hierarchy of modules.</para>
173
174       <para>This extension has very little impact on the language
175       itself; modules names are <emphasis>always</emphasis> fully
176       qualified, so you can just think of the fully qualified module
177       name as <quote>the module name</quote>.  In particular, this
178       means that the full module name must be given after the
179       <literal>module</literal> keyword at the beginning of the
180       module; for example, the module <literal>A.B.C</literal> must
181       begin</para>
182
183 <programlisting>module A.B.C</programlisting>
184
185
186       <para>It is a common strategy to use the <literal>as</literal>
187       keyword to save some typing when using qualified names with
188       hierarchical modules.  For example:</para>
189
190 <programlisting>
191 import qualified Control.Monad.ST.Strict as ST
192 </programlisting>
193
194       <para>Hierarchical modules have an impact on the way that GHC
195       searches for files.  For a description, see <xref
196       linkend="finding-hierarchical-modules">.</para>
197
198       <para>GHC comes with a large collection of libraries arranged
199       hierarchically; see the accompanying library documentation.
200       There is an ongoing project to create and maintain a stable set
201       of <quote>core</quote> libraries used by several Haskell
202       compilers, and the libraries that GHC comes with represent the
203       current status of that project.  For more details, see <ulink
204       url="http://www.haskell.org/~simonmar/libraries/libraries.html">Haskell
205       Libraries</ulink>.</para>
206
207     </sect2>
208
209     <!-- ====================== PATTERN GUARDS =======================  -->
210
211 <sect2 id="pattern-guards">
212 <title>Pattern guards</title>
213
214 <para>
215 <indexterm><primary>Pattern guards (Glasgow extension)</primary></indexterm>
216 The discussion that follows is an abbreviated version of Simon Peyton Jones's original <ULink URL="http://research.microsoft.com/~simonpj/Haskell/guards.html">proposal</ULink>. (Note that the proposal was written before pattern guards were implemented, so refers to them as unimplemented.)
217 </para>
218
219 <para>
220 Suppose we have an abstract data type of finite maps, with a
221 lookup operation:
222
223 <programlisting>
224 lookup :: FiniteMap -> Int -> Maybe Int
225 </programlisting>
226
227 The lookup returns <function>Nothing</function> if the supplied key is not in the domain of the mapping, and <function>(Just v)</function> otherwise,
228 where <VarName>v</VarName> is the value that the key maps to.  Now consider the following definition:
229 </para>
230
231 <programlisting>
232 clunky env var1 var2 | ok1 && ok2 = val1 + val2
233 | otherwise  = var1 + var2
234 where
235   m1 = lookup env var1
236   m2 = lookup env var2
237   ok1 = maybeToBool m1
238   ok2 = maybeToBool m2
239   val1 = expectJust m1
240   val2 = expectJust m2
241 </programlisting>
242
243 <para>
244 The auxiliary functions are 
245 </para>
246
247 <programlisting>
248 maybeToBool :: Maybe a -&gt; Bool
249 maybeToBool (Just x) = True
250 maybeToBool Nothing  = False
251
252 expectJust :: Maybe a -&gt; a
253 expectJust (Just x) = x
254 expectJust Nothing  = error "Unexpected Nothing"
255 </programlisting>
256
257 <para>
258 What is <function>clunky</function> doing? The guard <literal>ok1 &&
259 ok2</literal> checks that both lookups succeed, using
260 <function>maybeToBool</function> to convert the <function>Maybe</function>
261 types to booleans. The (lazily evaluated) <function>expectJust</function>
262 calls extract the values from the results of the lookups, and binds the
263 returned values to <VarName>val1</VarName> and <VarName>val2</VarName>
264 respectively.  If either lookup fails, then clunky takes the
265 <literal>otherwise</literal> case and returns the sum of its arguments.
266 </para>
267
268 <para>
269 This is certainly legal Haskell, but it is a tremendously verbose and
270 un-obvious way to achieve the desired effect.  Arguably, a more direct way
271 to write clunky would be to use case expressions:
272 </para>
273
274 <programlisting>
275 clunky env var1 var1 = case lookup env var1 of
276   Nothing -&gt; fail
277   Just val1 -&gt; case lookup env var2 of
278     Nothing -&gt; fail
279     Just val2 -&gt; val1 + val2
280 where
281   fail = val1 + val2
282 </programlisting>
283
284 <para>
285 This is a bit shorter, but hardly better.  Of course, we can rewrite any set
286 of pattern-matching, guarded equations as case expressions; that is
287 precisely what the compiler does when compiling equations! The reason that
288 Haskell provides guarded equations is because they allow us to write down
289 the cases we want to consider, one at a time, independently of each other. 
290 This structure is hidden in the case version.  Two of the right-hand sides
291 are really the same (<function>fail</function>), and the whole expression
292 tends to become more and more indented. 
293 </para>
294
295 <para>
296 Here is how I would write clunky:
297 </para>
298
299 <programlisting>
300 clunky env var1 var1
301   | Just val1 &lt;- lookup env var1
302   , Just val2 &lt;- lookup env var2
303   = val1 + val2
304 ...other equations for clunky...
305 </programlisting>
306
307 <para>
308 The semantics should be clear enough.  The qualifers are matched in order. 
309 For a <literal>&lt;-</literal> qualifier, which I call a pattern guard, the
310 right hand side is evaluated and matched against the pattern on the left. 
311 If the match fails then the whole guard fails and the next equation is
312 tried.  If it succeeds, then the appropriate binding takes place, and the
313 next qualifier is matched, in the augmented environment.  Unlike list
314 comprehensions, however, the type of the expression to the right of the
315 <literal>&lt;-</literal> is the same as the type of the pattern to its
316 left.  The bindings introduced by pattern guards scope over all the
317 remaining guard qualifiers, and over the right hand side of the equation.
318 </para>
319
320 <para>
321 Just as with list comprehensions, boolean expressions can be freely mixed
322 with among the pattern guards.  For example:
323 </para>
324
325 <programlisting>
326 f x | [y] <- x
327     , y > 3
328     , Just z <- h y
329     = ...
330 </programlisting>
331
332 <para>
333 Haskell's current guards therefore emerge as a special case, in which the
334 qualifier list has just one element, a boolean expression.
335 </para>
336 </sect2>
337
338     <!-- ===================== Recursive do-notation ===================  -->
339
340 <sect2 id="mdo-notation">
341 <title>The recursive do-notation
342 </title>
343
344 <para> The recursive do-notation (also known as mdo-notation) is implemented as described in
345 "A recursive do for Haskell",
346 Levent Erkok, John Launchbury",
347 Haskell Workshop 2002, pages: 29-37. Pittsburgh, Pennsylvania. 
348 </para>
349 <para>
350 The do-notation of Haskell does not allow <emphasis>recursive bindings</emphasis>,
351 that is, the variables bound in a do-expression are visible only in the textually following 
352 code block. Compare this to a let-expression, where bound variables are visible in the entire binding
353 group. It turns out that several applications can benefit from recursive bindings in
354 the do-notation, and this extension provides the necessary syntactic support.
355 </para>
356 <para>
357 Here is a simple (yet contrived) example:
358 </para>
359 <programlisting>
360 justOnes = mdo xs <- Just (1:xs)
361                return xs
362 </programlisting>
363 <para>
364 As you can guess <literal>justOnes</literal> will evaluate to <literal>Just [1,1,1,...</literal>.
365 </para>
366
367 <para>
368 The Control.Monad.Fix library introduces the <literal>MonadFix</literal> class. It's definition is:
369 </para>
370 <programlisting>
371 class Monad m => MonadFix m where
372    mfix :: (a -> m a) -> m a
373 </programlisting>
374 <para>
375 The function <literal>mfix</literal>
376 dictates how the required recursion operation should be performed. If recursive bindings are required for a monad,
377 then that monad must be declared an instance of the <literal>MonadFix</literal> class.
378 For details, see the above mentioned reference.
379 </para>
380 <para>
381 The following instances of <literal>MonadFix</literal> are automatically provided: List, Maybe, IO, and
382 state monads (both lazy and strict).
383 </para>
384 <para>
385 There are three important points in using the recursive-do notation:
386 <itemizedlist>
387 <listitem><para>
388 The recursive version of the do-notation uses the keyword <literal>mdo</literal> (rather
389 than <literal>do</literal>).
390 </para></listitem>
391
392 <listitem><para>
393 If you want to declare an instance of the <literal>MonadFix</literal> class for one of 
394 your own monads, or you need to refer to the class name <literal>MonadFix</literal> in any other way (for 
395 instance when writing a type constraint), then your program should 
396 <literal>import Control.Monad.MonadFix</literal>.
397 Otherwise, you don't need to import any special libraries to use the mdo-notation. That is,
398 as long as you only use the predefined instances mentioned above, the mdo-notation will
399 be automatically available. 
400 To be on the safe side, of course, you can simply import it in all cases.
401 </para></listitem>
402
403 <listitem><para>
404 As with other extensions, ghc should be given the flag <literal>-fglasgow-exts</literal>
405 </para></listitem>
406 </itemizedlist>
407 </para>
408
409 <para>
410 Historical note: The old implementation of the mdo-notation (and most
411 of the existing documents) used the name
412 <literal>MonadRec</literal> for the class and the corresponding library.
413 This name is no longer supported.
414 </para>
415
416 <para>
417 The web page: <ulink url="http://www.cse.ogi.edu/PacSoft/projects/rmb">http://www.cse.ogi.edu/PacSoft/projects/rmb</ulink>
418 contains up to date information on recursive monadic bindings.
419 </para>
420
421 </sect2>
422
423    <!-- ===================== PARALLEL LIST COMPREHENSIONS ===================  -->
424
425   <sect2 id="parallel-list-comprehensions">
426     <title>Parallel List Comprehensions</title>
427     <indexterm><primary>list comprehensions</primary><secondary>parallel</secondary>
428     </indexterm>
429     <indexterm><primary>parallel list comprehensions</primary>
430     </indexterm>
431
432     <para>Parallel list comprehensions are a natural extension to list
433     comprehensions.  List comprehensions can be thought of as a nice
434     syntax for writing maps and filters.  Parallel comprehensions
435     extend this to include the zipWith family.</para>
436
437     <para>A parallel list comprehension has multiple independent
438     branches of qualifier lists, each separated by a `|' symbol.  For
439     example, the following zips together two lists:</para>
440
441 <programlisting>
442    [ (x, y) | x <- xs | y <- ys ] 
443 </programlisting>
444
445     <para>The behavior of parallel list comprehensions follows that of
446     zip, in that the resulting list will have the same length as the
447     shortest branch.</para>
448
449     <para>We can define parallel list comprehensions by translation to
450     regular comprehensions.  Here's the basic idea:</para>
451
452     <para>Given a parallel comprehension of the form: </para>
453
454 <programlisting>
455    [ e | p1 <- e11, p2 <- e12, ... 
456        | q1 <- e21, q2 <- e22, ... 
457        ... 
458    ] 
459 </programlisting>
460
461     <para>This will be translated to: </para>
462
463 <programlisting>
464    [ e | ((p1,p2), (q1,q2), ...) <- zipN [(p1,p2) | p1 <- e11, p2 <- e12, ...] 
465                                          [(q1,q2) | q1 <- e21, q2 <- e22, ...] 
466                                          ... 
467    ] 
468 </programlisting>
469
470     <para>where `zipN' is the appropriate zip for the given number of
471     branches.</para>
472
473   </sect2>
474
475 <sect2 id="rebindable-syntax">
476 <title>Rebindable syntax</title>
477
478
479       <para>GHC allows most kinds of built-in syntax to be rebound by
480       the user, to facilitate replacing the <literal>Prelude</literal>
481       with a home-grown version, for example.</para>
482
483             <para>You may want to define your own numeric class
484             hierarchy.  It completely defeats that purpose if the
485             literal "1" means "<literal>Prelude.fromInteger
486             1</literal>", which is what the Haskell Report specifies.
487             So the <option>-fno-implicit-prelude</option> flag causes
488             the following pieces of built-in syntax to refer to
489             <emphasis>whatever is in scope</emphasis>, not the Prelude
490             versions:</para>
491
492             <itemizedlist>
493               <listitem>
494                 <para>Integer and fractional literals mean
495                 "<literal>fromInteger 1</literal>" and
496                 "<literal>fromRational 3.2</literal>", not the
497                 Prelude-qualified versions; both in expressions and in
498                 patterns. </para>
499                 <para>However, the standard Prelude <literal>Eq</literal> class
500                 is still used for the equality test necessary for literal patterns.</para>
501               </listitem>
502
503               <listitem>
504                 <para>Negation (e.g. "<literal>- (f x)</literal>")
505                 means "<literal>negate (f x)</literal>" (not
506                 <literal>Prelude.negate</literal>).</para>
507               </listitem>
508
509               <listitem>
510                 <para>In an n+k pattern, the standard Prelude
511                 <literal>Ord</literal> class is still used for comparison,
512                 but the necessary subtraction uses whatever
513                 "<literal>(-)</literal>" is in scope (not
514                 "<literal>Prelude.(-)</literal>").</para>
515               </listitem>
516
517               <listitem>
518           <para>"Do" notation is translated using whatever
519               functions <literal>(>>=)</literal>,
520               <literal>(>>)</literal>, <literal>fail</literal>, and
521               <literal>return</literal>, are in scope (not the Prelude
522               versions).  List comprehensions, and parallel array
523               comprehensions, are unaffected.  </para></listitem>
524             </itemizedlist>
525
526              <para>Be warned: this is an experimental facility, with fewer checks than
527              usual.  In particular, it is essential that the functions GHC finds in scope
528              must have the appropriate types, namely:
529              <screen>
530                 fromInteger  :: forall a. (...) => Integer  -> a
531                 fromRational :: forall a. (...) => Rational -> a
532                 negate       :: forall a. (...) => a -> a
533                 (-)          :: forall a. (...) => a -> a -> a
534                 (>>=)        :: forall m a. (...) => m a -> (a -> m b) -> m b
535                 (>>)         :: forall m a. (...) => m a -> m b -> m b
536                 return       :: forall m a. (...) => a      -> m a
537                 fail         :: forall m a. (...) => String -> m a
538              </screen>
539              (The (...) part can be any context including the empty context; that part 
540              is up to you.)
541              If the functions don't have the right type, very peculiar things may 
542              happen.  Use <literal>-dcore-lint</literal> to
543              typecheck the desugared program.  If Core Lint is happy you should be all right.</para>
544
545 </sect2>
546 </sect1>
547
548
549 <!-- TYPE SYSTEM EXTENSIONS -->
550 <sect1 id="type-extensions">
551 <title>Type system extensions</title>
552
553 <sect2 id="nullary-types">
554 <title>Data types with no constructors</title>
555
556 <para>With the <option>-fglasgow-exts</option> flag, GHC lets you declare
557 a data type with no constructors.  For example:</para>
558
559 <programlisting>
560   data S      -- S :: *
561   data T a    -- T :: * -> *
562 </programlisting>
563
564 <para>Syntactically, the declaration lacks the "= constrs" part.  The 
565 type can be parameterised over types of any kind, but if the kind is
566 not <literal>*</literal> then an explicit kind annotation must be used
567 (see <xref linkend="sec-kinding">).</para>
568
569 <para>Such data types have only one value, namely bottom.
570 Nevertheless, they can be useful when defining "phantom types".</para>
571 </sect2>
572
573 <sect2 id="infix-tycons">
574 <title>Infix type constructors</title>
575
576 <para>
577 GHC allows type constructors to be operators, and to be written infix, very much 
578 like expressions.  More specifically:
579 <itemizedlist>
580 <listitem><para>
581   A type constructor can be an operator, beginning with a colon; e.g. <literal>:*:</literal>.
582   The lexical syntax is the same as that for data constructors.
583   </para></listitem>
584 <listitem><para>
585   Types can be written infix.  For example <literal>Int :*: Bool</literal>.  
586   </para></listitem>
587 <listitem><para>
588   Back-quotes work
589   as for expressions, both for type constructors and type variables;  e.g. <literal>Int `Either` Bool</literal>, or
590   <literal>Int `a` Bool</literal>.  Similarly, parentheses work the same; e.g.  <literal>(:*:) Int Bool</literal>.
591   </para></listitem>
592 <listitem><para>
593   Fixities may be declared for type constructors just as for data constructors.  However,
594   one cannot distinguish between the two in a fixity declaration; a fixity declaration
595   sets the fixity for a data constructor and the corresponding type constructor.  For example:
596 <screen>
597   infixl 7 T, :*:
598 </screen>
599   sets the fixity for both type constructor <literal>T</literal> and data constructor <literal>T</literal>,
600   and similarly for <literal>:*:</literal>.
601   <literal>Int `a` Bool</literal>.
602   </para></listitem>
603 <listitem><para>
604   Function arrow is <literal>infixr</literal> with fixity 0.  (This might change; I'm not sure what it should be.)
605   </para></listitem>
606 <listitem><para>
607   Data type and type-synonym declarations can be written infix.  E.g.
608 <screen>
609   data a :*: b = Foo a b
610   type a :+: b = Either a b
611 </screen>
612   </para></listitem>
613 <listitem><para>
614   The only thing that differs between operators in types and operators in expressions is that
615   ordinary non-constructor operators, such as <literal>+</literal> and <literal>*</literal>
616   are not allowed in types. Reason: the uniform thing to do would be to make them type
617   variables, but that's not very useful.  A less uniform but more useful thing would be to
618   allow them to be type <emphasis>constructors</emphasis>.  But that gives trouble in export
619   lists.  So for now we just exclude them.
620   </para></listitem>
621
622 </itemizedlist>
623 </para>
624 </sect2>
625
626 <sect2 id="sec-kinding">
627 <title>Explicitly-kinded quantification</title>
628
629 <para>
630 Haskell infers the kind of each type variable.  Sometimes it is nice to be able
631 to give the kind explicitly as (machine-checked) documentation, 
632 just as it is nice to give a type signature for a function.  On some occasions,
633 it is essential to do so.  For example, in his paper "Restricted Data Types in Haskell" (Haskell Workshop 1999)
634 John Hughes had to define the data type:
635 <Screen>
636      data Set cxt a = Set [a]
637                     | Unused (cxt a -> ())
638 </Screen>
639 The only use for the <literal>Unused</literal> constructor was to force the correct
640 kind for the type variable <literal>cxt</literal>.
641 </para>
642 <para>
643 GHC now instead allows you to specify the kind of a type variable directly, wherever
644 a type variable is explicitly bound.  Namely:
645 <itemizedlist>
646 <listitem><para><literal>data</literal> declarations:
647 <Screen>
648   data Set (cxt :: * -> *) a = Set [a]
649 </Screen></para></listitem>
650 <listitem><para><literal>type</literal> declarations:
651 <Screen>
652   type T (f :: * -> *) = f Int
653 </Screen></para></listitem>
654 <listitem><para><literal>class</literal> declarations:
655 <Screen>
656   class (Eq a) => C (f :: * -> *) a where ...
657 </Screen></para></listitem>
658 <listitem><para><literal>forall</literal>'s in type signatures:
659 <Screen>
660   f :: forall (cxt :: * -> *). Set cxt Int
661 </Screen></para></listitem>
662 </itemizedlist>
663 </para>
664
665 <para>
666 The parentheses are required.  Some of the spaces are required too, to
667 separate the lexemes.  If you write <literal>(f::*->*)</literal> you
668 will get a parse error, because "<literal>::*->*</literal>" is a
669 single lexeme in Haskell.
670 </para>
671
672 <para>
673 As part of the same extension, you can put kind annotations in types
674 as well.  Thus:
675 <Screen>
676    f :: (Int :: *) -> Int
677    g :: forall a. a -> (a :: *)
678 </Screen>
679 The syntax is
680 <Screen>
681    atype ::= '(' ctype '::' kind ')
682 </Screen>
683 The parentheses are required.
684 </para>
685 </sect2>
686
687
688 <sect2 id="class-method-types">
689 <title>Class method types
690 </title>
691 <para>
692 Haskell 98 prohibits class method types to mention constraints on the
693 class type variable, thus:
694 <programlisting>
695   class Seq s a where
696     fromList :: [a] -> s a
697     elem     :: Eq a => a -> s a -> Bool
698 </programlisting>
699 The type of <literal>elem</literal> is illegal in Haskell 98, because it
700 contains the constraint <literal>Eq a</literal>, constrains only the 
701 class type variable (in this case <literal>a</literal>).
702 </para>
703 <para>
704 With the <option>-fglasgow-exts</option> GHC lifts this restriction.
705 </para>
706
707 </sect2>
708
709 <sect2 id="multi-param-type-classes">
710 <title>Multi-parameter type classes
711 </title>
712
713 <para>
714 This section documents GHC's implementation of multi-parameter type
715 classes.  There's lots of background in the paper <ULink
716 URL="http://research.microsoft.com/~simonpj/multi.ps.gz" >Type
717 classes: exploring the design space</ULink > (Simon Peyton Jones, Mark
718 Jones, Erik Meijer).
719 </para>
720
721 <para>
722 I'd like to thank people who reported shorcomings in the GHC 3.02
723 implementation.  Our default decisions were all conservative ones, and
724 the experience of these heroic pioneers has given useful concrete
725 examples to support several generalisations.  (These appear below as
726 design choices not implemented in 3.02.)
727 </para>
728
729 <para>
730 I've discussed these notes with Mark Jones, and I believe that Hugs
731 will migrate towards the same design choices as I outline here.
732 Thanks to him, and to many others who have offered very useful
733 feedback.
734 </para>
735
736 <sect3>
737 <title>Types</title>
738
739 <para>
740 There are the following restrictions on the form of a qualified
741 type:
742 </para>
743
744 <para>
745
746 <programlisting>
747   forall tv1..tvn (c1, ...,cn) => type
748 </programlisting>
749
750 </para>
751
752 <para>
753 (Here, I write the "foralls" explicitly, although the Haskell source
754 language omits them; in Haskell 1.4, all the free type variables of an
755 explicit source-language type signature are universally quantified,
756 except for the class type variables in a class declaration.  However,
757 in GHC, you can give the foralls if you want.  See <xref LinkEnd="universal-quantification">).
758 </para>
759
760 <para>
761
762 <OrderedList>
763 <listitem>
764
765 <para>
766  <emphasis>Each universally quantified type variable
767 <literal>tvi</literal> must be mentioned (i.e. appear free) in <literal>type</literal></emphasis>.
768
769 The reason for this is that a value with a type that does not obey
770 this restriction could not be used without introducing
771 ambiguity. Here, for example, is an illegal type:
772
773
774 <programlisting>
775   forall a. Eq a => Int
776 </programlisting>
777
778
779 When a value with this type was used, the constraint <literal>Eq tv</literal>
780 would be introduced where <literal>tv</literal> is a fresh type variable, and
781 (in the dictionary-translation implementation) the value would be
782 applied to a dictionary for <literal>Eq tv</literal>.  The difficulty is that we
783 can never know which instance of <literal>Eq</literal> to use because we never
784 get any more information about <literal>tv</literal>.
785
786 </para>
787 </listitem>
788 <listitem>
789
790 <para>
791  <emphasis>Every constraint <literal>ci</literal> must mention at least one of the
792 universally quantified type variables <literal>tvi</literal></emphasis>.
793
794 For example, this type is OK because <literal>C a b</literal> mentions the
795 universally quantified type variable <literal>b</literal>:
796
797
798 <programlisting>
799   forall a. C a b => burble
800 </programlisting>
801
802
803 The next type is illegal because the constraint <literal>Eq b</literal> does not
804 mention <literal>a</literal>:
805
806
807 <programlisting>
808   forall a. Eq b => burble
809 </programlisting>
810
811
812 The reason for this restriction is milder than the other one.  The
813 excluded types are never useful or necessary (because the offending
814 context doesn't need to be witnessed at this point; it can be floated
815 out).  Furthermore, floating them out increases sharing. Lastly,
816 excluding them is a conservative choice; it leaves a patch of
817 territory free in case we need it later.
818
819 </para>
820 </listitem>
821
822 </OrderedList>
823
824 </para>
825
826 <para>
827 These restrictions apply to all types, whether declared in a type signature
828 or inferred.
829 </para>
830
831 <para>
832 Unlike Haskell 1.4, constraints in types do <emphasis>not</emphasis> have to be of
833 the form <emphasis>(class type-variables)</emphasis>.  Thus, these type signatures
834 are perfectly OK
835 </para>
836
837 <para>
838
839 <programlisting>
840   f :: Eq (m a) => [m a] -> [m a]
841   g :: Eq [a] => ...
842 </programlisting>
843
844 </para>
845
846 <para>
847 This choice recovers principal types, a property that Haskell 1.4 does not have.
848 </para>
849
850 </sect3>
851
852 <sect3>
853 <title>Class declarations</title>
854
855 <para>
856
857 <OrderedList>
858 <listitem>
859
860 <para>
861  <emphasis>Multi-parameter type classes are permitted</emphasis>. For example:
862
863
864 <programlisting>
865   class Collection c a where
866     union :: c a -> c a -> c a
867     ...etc.
868 </programlisting>
869
870
871
872 </para>
873 </listitem>
874 <listitem>
875
876 <para>
877  <emphasis>The class hierarchy must be acyclic</emphasis>.  However, the definition
878 of "acyclic" involves only the superclass relationships.  For example,
879 this is OK:
880
881
882 <programlisting>
883   class C a where {
884     op :: D b => a -> b -> b
885   }
886
887   class C a => D a where { ... }
888 </programlisting>
889
890
891 Here, <literal>C</literal> is a superclass of <literal>D</literal>, but it's OK for a
892 class operation <literal>op</literal> of <literal>C</literal> to mention <literal>D</literal>.  (It
893 would not be OK for <literal>D</literal> to be a superclass of <literal>C</literal>.)
894
895 </para>
896 </listitem>
897 <listitem>
898
899 <para>
900  <emphasis>There are no restrictions on the context in a class declaration
901 (which introduces superclasses), except that the class hierarchy must
902 be acyclic</emphasis>.  So these class declarations are OK:
903
904
905 <programlisting>
906   class Functor (m k) => FiniteMap m k where
907     ...
908
909   class (Monad m, Monad (t m)) => Transform t m where
910     lift :: m a -> (t m) a
911 </programlisting>
912
913
914 </para>
915 </listitem>
916 <listitem>
917
918 <para>
919  <emphasis>In the signature of a class operation, every constraint
920 must mention at least one type variable that is not a class type
921 variable</emphasis>.
922
923 Thus:
924
925
926 <programlisting>
927   class Collection c a where
928     mapC :: Collection c b => (a->b) -> c a -> c b
929 </programlisting>
930
931
932 is OK because the constraint <literal>(Collection a b)</literal> mentions
933 <literal>b</literal>, even though it also mentions the class variable
934 <literal>a</literal>.  On the other hand:
935
936
937 <programlisting>
938   class C a where
939     op :: Eq a => (a,b) -> (a,b)
940 </programlisting>
941
942
943 is not OK because the constraint <literal>(Eq a)</literal> mentions on the class
944 type variable <literal>a</literal>, but not <literal>b</literal>.  However, any such
945 example is easily fixed by moving the offending context up to the
946 superclass context:
947
948
949 <programlisting>
950   class Eq a => C a where
951     op ::(a,b) -> (a,b)
952 </programlisting>
953
954
955 A yet more relaxed rule would allow the context of a class-op signature
956 to mention only class type variables.  However, that conflicts with
957 Rule 1(b) for types above.
958
959 </para>
960 </listitem>
961 <listitem>
962
963 <para>
964  <emphasis>The type of each class operation must mention <emphasis>all</emphasis> of
965 the class type variables</emphasis>.  For example:
966
967
968 <programlisting>
969   class Coll s a where
970     empty  :: s
971     insert :: s -> a -> s
972 </programlisting>
973
974
975 is not OK, because the type of <literal>empty</literal> doesn't mention
976 <literal>a</literal>.  This rule is a consequence of Rule 1(a), above, for
977 types, and has the same motivation.
978
979 Sometimes, offending class declarations exhibit misunderstandings.  For
980 example, <literal>Coll</literal> might be rewritten
981
982
983 <programlisting>
984   class Coll s a where
985     empty  :: s a
986     insert :: s a -> a -> s a
987 </programlisting>
988
989
990 which makes the connection between the type of a collection of
991 <literal>a</literal>'s (namely <literal>(s a)</literal>) and the element type <literal>a</literal>.
992 Occasionally this really doesn't work, in which case you can split the
993 class like this:
994
995
996 <programlisting>
997   class CollE s where
998     empty  :: s
999
1000   class CollE s => Coll s a where
1001     insert :: s -> a -> s
1002 </programlisting>
1003
1004
1005 </para>
1006 </listitem>
1007
1008 </OrderedList>
1009
1010 </para>
1011
1012 </sect3>
1013
1014 <sect3 id="instance-decls">
1015 <title>Instance declarations</title>
1016
1017 <para>
1018
1019 <OrderedList>
1020 <listitem>
1021
1022 <para>
1023  <emphasis>Instance declarations may not overlap</emphasis>.  The two instance
1024 declarations
1025
1026
1027 <programlisting>
1028   instance context1 => C type1 where ...
1029   instance context2 => C type2 where ...
1030 </programlisting>
1031
1032
1033 "overlap" if <literal>type1</literal> and <literal>type2</literal> unify
1034
1035 However, if you give the command line option
1036 <option>-fallow-overlapping-instances</option><indexterm><primary>-fallow-overlapping-instances
1037 option</primary></indexterm> then overlapping instance declarations are permitted.
1038 However, GHC arranges never to commit to using an instance declaration
1039 if another instance declaration also applies, either now or later.
1040
1041 <itemizedlist>
1042 <listitem>
1043
1044 <para>
1045  EITHER <literal>type1</literal> and <literal>type2</literal> do not unify
1046 </para>
1047 </listitem>
1048 <listitem>
1049
1050 <para>
1051  OR <literal>type2</literal> is a substitution instance of <literal>type1</literal>
1052 (but not identical to <literal>type1</literal>), or vice versa.
1053 </para>
1054 </listitem>
1055 </itemizedlist>
1056 Notice that these rules
1057 <itemizedlist>
1058 <listitem>
1059
1060 <para>
1061  make it clear which instance decl to use
1062 (pick the most specific one that matches)
1063
1064 </para>
1065 </listitem>
1066 <listitem>
1067
1068 <para>
1069  do not mention the contexts <literal>context1</literal>, <literal>context2</literal>
1070 Reason: you can pick which instance decl
1071 "matches" based on the type.
1072 </para>
1073 </listitem>
1074
1075 </itemizedlist>
1076 However the rules are over-conservative.  Two instance declarations can overlap,
1077 but it can still be clear in particular situations which to use.  For example:
1078 <programlisting>
1079   instance C (Int,a) where ...
1080   instance C (a,Bool) where ...
1081 </programlisting>
1082 These are rejected by GHC's rules, but it is clear what to do when trying
1083 to solve the constraint <literal>C (Int,Int)</literal> because the second instance
1084 cannot apply.  Yell if this restriction bites you.
1085 </para>
1086 <para>
1087 GHC is also conservative about committing to an overlapping instance.  For example:
1088 <programlisting>
1089   class C a where { op :: a -> a }
1090   instance C [Int] where ...
1091   instance C a => C [a] where ...
1092   
1093   f :: C b => [b] -> [b]
1094   f x = op x
1095 </programlisting>
1096 From the RHS of f we get the constraint <literal>C [b]</literal>.  But
1097 GHC does not commit to the second instance declaration, because in a paricular
1098 call of f, b might be instantiate to Int, so the first instance declaration
1099 would be appropriate.  So GHC rejects the program.  If you add <option>-fallow-incoherent-instances</option>
1100 GHC will instead silently pick the second instance, without complaining about 
1101 the problem of subsequent instantiations.
1102 </para>
1103 <para>
1104 Regrettably, GHC doesn't guarantee to detect overlapping instance
1105 declarations if they appear in different modules.  GHC can "see" the
1106 instance declarations in the transitive closure of all the modules
1107 imported by the one being compiled, so it can "see" all instance decls
1108 when it is compiling <literal>Main</literal>.  However, it currently chooses not
1109 to look at ones that can't possibly be of use in the module currently
1110 being compiled, in the interests of efficiency.  (Perhaps we should
1111 change that decision, at least for <literal>Main</literal>.)
1112
1113 </para>
1114 </listitem>
1115 <listitem>
1116
1117 <para>
1118  <emphasis>There are no restrictions on the type in an instance
1119 <emphasis>head</emphasis>, except that at least one must not be a type variable</emphasis>.
1120 The instance "head" is the bit after the "=>" in an instance decl. For
1121 example, these are OK:
1122
1123
1124 <programlisting>
1125   instance C Int a where ...
1126
1127   instance D (Int, Int) where ...
1128
1129   instance E [[a]] where ...
1130 </programlisting>
1131
1132
1133 Note that instance heads <emphasis>may</emphasis> contain repeated type variables.
1134 For example, this is OK:
1135
1136
1137 <programlisting>
1138   instance Stateful (ST s) (MutVar s) where ...
1139 </programlisting>
1140
1141
1142 The "at least one not a type variable" restriction is to ensure that
1143 context reduction terminates: each reduction step removes one type
1144 constructor.  For example, the following would make the type checker
1145 loop if it wasn't excluded:
1146
1147
1148 <programlisting>
1149   instance C a => C a where ...
1150 </programlisting>
1151
1152
1153 There are two situations in which the rule is a bit of a pain. First,
1154 if one allows overlapping instance declarations then it's quite
1155 convenient to have a "default instance" declaration that applies if
1156 something more specific does not:
1157
1158
1159 <programlisting>
1160   instance C a where
1161     op = ... -- Default
1162 </programlisting>
1163
1164
1165 Second, sometimes you might want to use the following to get the
1166 effect of a "class synonym":
1167
1168
1169 <programlisting>
1170   class (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
1171
1172   instance (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
1173 </programlisting>
1174
1175
1176 This allows you to write shorter signatures:
1177
1178
1179 <programlisting>
1180   f :: C a => ...
1181 </programlisting>
1182
1183
1184 instead of
1185
1186
1187 <programlisting>
1188   f :: (C1 a, C2 a, C3 a) => ...
1189 </programlisting>
1190
1191
1192 I'm on the lookout for a simple rule that preserves decidability while
1193 allowing these idioms.  The experimental flag
1194 <option>-fallow-undecidable-instances</option><indexterm><primary>-fallow-undecidable-instances
1195 option</primary></indexterm> lifts this restriction, allowing all the types in an
1196 instance head to be type variables.
1197
1198 </para>
1199 </listitem>
1200 <listitem>
1201
1202 <para>
1203  <emphasis>Unlike Haskell 1.4, instance heads may use type
1204 synonyms</emphasis>.  As always, using a type synonym is just shorthand for
1205 writing the RHS of the type synonym definition.  For example:
1206
1207
1208 <programlisting>
1209   type Point = (Int,Int)
1210   instance C Point   where ...
1211   instance C [Point] where ...
1212 </programlisting>
1213
1214
1215 is legal.  However, if you added
1216
1217
1218 <programlisting>
1219   instance C (Int,Int) where ...
1220 </programlisting>
1221
1222
1223 as well, then the compiler will complain about the overlapping
1224 (actually, identical) instance declarations.  As always, type synonyms
1225 must be fully applied.  You cannot, for example, write:
1226
1227
1228 <programlisting>
1229   type P a = [[a]]
1230   instance Monad P where ...
1231 </programlisting>
1232
1233
1234 This design decision is independent of all the others, and easily
1235 reversed, but it makes sense to me.
1236
1237 </para>
1238 </listitem>
1239 <listitem>
1240
1241 <para>
1242 <emphasis>The types in an instance-declaration <emphasis>context</emphasis> must all
1243 be type variables</emphasis>. Thus
1244
1245
1246 <programlisting>
1247 instance C a b => Eq (a,b) where ...
1248 </programlisting>
1249
1250
1251 is OK, but
1252
1253
1254 <programlisting>
1255 instance C Int b => Foo b where ...
1256 </programlisting>
1257
1258
1259 is not OK.  Again, the intent here is to make sure that context
1260 reduction terminates.
1261
1262 Voluminous correspondence on the Haskell mailing list has convinced me
1263 that it's worth experimenting with a more liberal rule.  If you use
1264 the flag <option>-fallow-undecidable-instances</option> can use arbitrary
1265 types in an instance context.  Termination is ensured by having a
1266 fixed-depth recursion stack.  If you exceed the stack depth you get a
1267 sort of backtrace, and the opportunity to increase the stack depth
1268 with <option>-fcontext-stack</option><emphasis>N</emphasis>.
1269
1270 </para>
1271 </listitem>
1272
1273 </OrderedList>
1274
1275 </para>
1276
1277 </sect3>
1278
1279 </sect2>
1280
1281 <sect2 id="implicit-parameters">
1282 <title>Implicit parameters
1283 </title>
1284
1285 <para> Implicit paramters are implemented as described in 
1286 "Implicit parameters: dynamic scoping with static types", 
1287 J Lewis, MB Shields, E Meijer, J Launchbury,
1288 27th ACM Symposium on Principles of Programming Languages (POPL'00),
1289 Boston, Jan 2000.
1290 </para>
1291 <para>(Most of the following, stil rather incomplete, documentation is due to Jeff Lewis.)</para>
1292 <para>
1293 A variable is called <emphasis>dynamically bound</emphasis> when it is bound by the calling
1294 context of a function and <emphasis>statically bound</emphasis> when bound by the callee's
1295 context. In Haskell, all variables are statically bound. Dynamic
1296 binding of variables is a notion that goes back to Lisp, but was later
1297 discarded in more modern incarnations, such as Scheme. Dynamic binding
1298 can be very confusing in an untyped language, and unfortunately, typed
1299 languages, in particular Hindley-Milner typed languages like Haskell,
1300 only support static scoping of variables.
1301 </para>
1302 <para>
1303 However, by a simple extension to the type class system of Haskell, we
1304 can support dynamic binding. Basically, we express the use of a
1305 dynamically bound variable as a constraint on the type. These
1306 constraints lead to types of the form <literal>(?x::t') => t</literal>, which says "this
1307 function uses a dynamically-bound variable <literal>?x</literal> 
1308 of type <literal>t'</literal>". For
1309 example, the following expresses the type of a sort function,
1310 implicitly parameterized by a comparison function named <literal>cmp</literal>.
1311 <programlisting>
1312   sort :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
1313 </programlisting>
1314 The dynamic binding constraints are just a new form of predicate in the type class system.
1315 </para>
1316 <para>
1317 An implicit parameter is introduced by the special form <literal>?x</literal>, 
1318 where <literal>x</literal> is
1319 any valid identifier. Use if this construct also introduces new
1320 dynamic binding constraints. For example, the following definition
1321 shows how we can define an implicitly parameterized sort function in
1322 terms of an explicitly parameterized <literal>sortBy</literal> function:
1323 <programlisting>
1324   sortBy :: (a -> a -> Bool) -> [a] -> [a]
1325
1326   sort   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
1327   sort    = sortBy ?cmp
1328 </programlisting>
1329 Dynamic binding constraints behave just like other type class
1330 constraints in that they are automatically propagated. Thus, when a
1331 function is used, its implicit parameters are inherited by the
1332 function that called it. For example, our <literal>sort</literal> function might be used
1333 to pick out the least value in a list:
1334 <programlisting>
1335   least   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> a
1336   least xs = fst (sort xs)
1337 </programlisting>
1338 Without lifting a finger, the <literal>?cmp</literal> parameter is
1339 propagated to become a parameter of <literal>least</literal> as well. With explicit
1340 parameters, the default is that parameters must always be explicit
1341 propagated. With implicit parameters, the default is to always
1342 propagate them.
1343 </para>
1344 <para>
1345 An implicit parameter differs from other type class constraints in the
1346 following way: All uses of a particular implicit parameter must have
1347 the same type. This means that the type of <literal>(?x, ?x)</literal> 
1348 is <literal>(?x::a) => (a,a)</literal>, and not 
1349 <literal>(?x::a, ?x::b) => (a, b)</literal>, as would be the case for type
1350 class constraints.
1351 </para>
1352 <para>
1353 An implicit parameter is bound using the standard
1354 <literal>let</literal> binding form, where the bindings must be a
1355 collection of simple bindings to implicit-style variables (no
1356 function-style bindings, and no type signatures); these bindings are
1357 neither polymorphic or recursive. This form binds the implicit
1358 parameters arising in the body, not the free variables as a
1359 <literal>let</literal> or <literal>where</literal> would do. For
1360 example, we define the <literal>min</literal> function by binding
1361 <literal>cmp</literal>.</para>
1362 <programlisting>
1363   min :: [a] -> a
1364   min  = let ?cmp = (<=) in least
1365 </programlisting>
1366 <para>
1367 Note the following points:
1368 <itemizedlist>
1369 <listitem><para>
1370 You may not mix implicit-parameter bindings with ordinary bindings in a 
1371 single <literal>let</literal>
1372 expression; use two nested <literal>let</literal>s instead.
1373 </para></listitem>
1374
1375 <listitem><para>
1376 You may put multiple implicit-parameter bindings in a
1377 single <literal>let</literal> expression; they are <emphasis>not</emphasis> treated
1378 as a mutually recursive group (as ordinary <literal>let</literal> bindings are).
1379 Instead they are treated as a non-recursive group, each scoping over the bindings that
1380 follow.  For example, consider:
1381 <programlisting>
1382   f y = let { ?x = y; ?x = ?x+1 } in ?x
1383 </programlisting>
1384 This function adds one to its argument.
1385 </para></listitem>
1386
1387 <listitem><para>
1388 You may not have an implicit-parameter binding in a <literal>where</literal> clause,
1389 only in a <literal>let</literal> binding.
1390 </para></listitem>
1391
1392 <listitem>
1393 <para> You can't have an implicit parameter in the context of a class or instance
1394 declaration.  For example, both these declarations are illegal:
1395 <programlisting>
1396   class (?x::Int) => C a where ...
1397   instance (?x::a) => Foo [a] where ...
1398 </programlisting>
1399 Reason: exactly which implicit parameter you pick up depends on exactly where
1400 you invoke a function. But the ``invocation'' of instance declarations is done
1401 behind the scenes by the compiler, so it's hard to figure out exactly where it is done.
1402 Easiest thing is to outlaw the offending types.</para>
1403 </listitem>
1404 </itemizedlist>
1405 </para>
1406
1407 </sect2>
1408
1409 <sect2 id="linear-implicit-parameters">
1410 <title>Linear implicit parameters
1411 </title>
1412 <para>
1413 Linear implicit parameters are an idea developed by Koen Claessen,
1414 Mark Shields, and Simon PJ.  They address the long-standing
1415 problem that monads seem over-kill for certain sorts of problem, notably:
1416 </para>
1417 <itemizedlist>
1418 <listitem> <para> distributing a supply of unique names </para> </listitem>
1419 <listitem> <para> distributing a suppply of random numbers </para> </listitem>
1420 <listitem> <para> distributing an oracle (as in QuickCheck) </para> </listitem>
1421 </itemizedlist>
1422
1423 <para>
1424 Linear implicit parameters are just like ordinary implicit parameters,
1425 except that they are "linear" -- that is, they cannot be copied, and
1426 must be explicitly "split" instead.  Linear implicit parameters are
1427 written '<literal>%x</literal>' instead of '<literal>?x</literal>'.  
1428 (The '/' in the '%' suggests the split!)
1429 </para>
1430 <para>
1431 For example:
1432 <programlisting>
1433     import GHC.Exts( Splittable )
1434
1435     data NameSupply = ...
1436     
1437     splitNS :: NameSupply -> (NameSupply, NameSupply)
1438     newName :: NameSupply -> Name
1439
1440     instance Splittable NameSupply where
1441         split = splitNS
1442
1443
1444     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
1445     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
1446                     where
1447                       x'   = newName %ns
1448                       env' = extend env x x'
1449     ...more equations for f...
1450 </programlisting>
1451 Notice that the implicit parameter %ns is consumed 
1452 <itemizedlist>
1453 <listitem> <para> once by the call to <literal>newName</literal> </para> </listitem>
1454 <listitem> <para> once by the recursive call to <literal>f</literal> </para></listitem>
1455 </itemizedlist>
1456 </para>
1457 <para>
1458 So the translation done by the type checker makes
1459 the parameter explicit:
1460 <programlisting>
1461     f :: NameSupply -> Env -> Expr -> Expr
1462     f ns env (Lam x e) = Lam x' (f ns1 env e)
1463                        where
1464                          (ns1,ns2) = splitNS ns
1465                          x' = newName ns2
1466                          env = extend env x x'
1467 </programlisting>
1468 Notice the call to 'split' introduced by the type checker.
1469 How did it know to use 'splitNS'?  Because what it really did
1470 was to introduce a call to the overloaded function 'split',
1471 defined by the class <literal>Splittable</literal>:
1472 <programlisting>
1473         class Splittable a where
1474           split :: a -> (a,a)
1475 </programlisting>
1476 The instance for <literal>Splittable NameSupply</literal> tells GHC how to implement
1477 split for name supplies.  But we can simply write
1478 <programlisting>
1479         g x = (x, %ns, %ns)
1480 </programlisting>
1481 and GHC will infer
1482 <programlisting>
1483         g :: (Splittable a, %ns :: a) => b -> (b,a,a)
1484 </programlisting>
1485 The <literal>Splittable</literal> class is built into GHC.  It's exported by module 
1486 <literal>GHC.Exts</literal>.
1487 </para>
1488 <para>
1489 Other points:
1490 <itemizedlist>
1491 <listitem> <para> '<literal>?x</literal>' and '<literal>%x</literal>' 
1492 are entirely distinct implicit parameters: you 
1493   can use them together and they won't intefere with each other. </para>
1494 </listitem>
1495
1496 <listitem> <para> You can bind linear implicit parameters in 'with' clauses. </para> </listitem>
1497
1498 <listitem> <para>You cannot have implicit parameters (whether linear or not)
1499   in the context of a class or instance declaration. </para></listitem>
1500 </itemizedlist>
1501 </para>
1502
1503 <sect3><title>Warnings</title>
1504
1505 <para>
1506 The monomorphism restriction is even more important than usual.
1507 Consider the example above:
1508 <programlisting>
1509     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
1510     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
1511                     where
1512                       x'   = newName %ns
1513                       env' = extend env x x'
1514 </programlisting>
1515 If we replaced the two occurrences of x' by (newName %ns), which is
1516 usually a harmless thing to do, we get:
1517 <programlisting>
1518     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
1519     f env (Lam x e) = Lam (newName %ns) (f env e)
1520                     where
1521                       env' = extend env x (newName %ns)
1522 </programlisting>
1523 But now the name supply is consumed in <emphasis>three</emphasis> places
1524 (the two calls to newName,and the recursive call to f), so
1525 the result is utterly different.  Urk!  We don't even have 
1526 the beta rule.
1527 </para>
1528 <para>
1529 Well, this is an experimental change.  With implicit
1530 parameters we have already lost beta reduction anyway, and
1531 (as John Launchbury puts it) we can't sensibly reason about
1532 Haskell programs without knowing their typing.
1533 </para>
1534
1535 </sect3>
1536
1537 <sect3><title>Recursive functions</title>
1538 <para>Linear implicit parameters can be particularly tricky when you have a recursive function
1539 Consider
1540 <programlisting>
1541         foo :: %x::T => Int -> [Int]
1542         foo 0 = []
1543         foo n = %x : foo (n-1)
1544 </programlisting>
1545 where T is some type in class Splittable.</para>
1546 <para>
1547 Do you get a list of all the same T's or all different T's
1548 (assuming that split gives two distinct T's back)?
1549 </para><para>
1550 If you supply the type signature, taking advantage of polymorphic
1551 recursion, you get what you'd probably expect.  Here's the
1552 translated term, where the implicit param is made explicit:
1553 <programlisting>
1554         foo x 0 = []
1555         foo x n = let (x1,x2) = split x
1556                   in x1 : foo x2 (n-1)
1557 </programlisting>
1558 But if you don't supply a type signature, GHC uses the Hindley
1559 Milner trick of using a single monomorphic instance of the function
1560 for the recursive calls. That is what makes Hindley Milner type inference
1561 work.  So the translation becomes
1562 <programlisting>
1563         foo x = let
1564                   foom 0 = []
1565                   foom n = x : foom (n-1)
1566                 in
1567                 foom
1568 </programlisting>
1569 Result: 'x' is not split, and you get a list of identical T's.  So the
1570 semantics of the program depends on whether or not foo has a type signature.
1571 Yikes!
1572 </para><para>
1573 You may say that this is a good reason to dislike linear implicit parameters
1574 and you'd be right.  That is why they are an experimental feature. 
1575 </para>
1576 </sect3>
1577
1578 </sect2>
1579
1580 <sect2 id="functional-dependencies">
1581 <title>Functional dependencies
1582 </title>
1583
1584 <para> Functional dependencies are implemented as described by Mark Jones
1585 in &ldquo;<ulink url="http://www.cse.ogi.edu/~mpj/pubs/fundeps.html">Type Classes with Functional Dependencies</ulink>&rdquo;, Mark P. Jones, 
1586 In Proceedings of the 9th European Symposium on Programming, 
1587 ESOP 2000, Berlin, Germany, March 2000, Springer-Verlag LNCS 1782,
1588 .
1589 </para>
1590
1591 <para>
1592 There should be more documentation, but there isn't (yet).  Yell if you need it.
1593 </para>
1594 </sect2>
1595
1596
1597 <sect2 id="universal-quantification">
1598 <title>Arbitrary-rank polymorphism
1599 </title>
1600
1601 <para>
1602 Haskell type signatures are implicitly quantified.  The new keyword <literal>forall</literal>
1603 allows us to say exactly what this means.  For example:
1604 </para>
1605 <para>
1606 <programlisting>
1607         g :: b -> b
1608 </programlisting>
1609 means this:
1610 <programlisting>
1611         g :: forall b. (b -> b)
1612 </programlisting>
1613 The two are treated identically.
1614 </para>
1615
1616 <para>
1617 However, GHC's type system supports <emphasis>arbitrary-rank</emphasis> 
1618 explicit universal quantification in
1619 types. 
1620 For example, all the following types are legal:
1621 <programlisting>
1622     f1 :: forall a b. a -> b -> a
1623     g1 :: forall a b. (Ord a, Eq  b) => a -> b -> a
1624
1625     f2 :: (forall a. a->a) -> Int -> Int
1626     g2 :: (forall a. Eq a => [a] -> a -> Bool) -> Int -> Int
1627
1628     f3 :: ((forall a. a->a) -> Int) -> Bool -> Bool
1629 </programlisting>
1630 Here, <literal>f1</literal> and <literal>g1</literal> are rank-1 types, and
1631 can be written in standard Haskell (e.g. <literal>f1 :: a->b->a</literal>).
1632 The <literal>forall</literal> makes explicit the universal quantification that
1633 is implicitly added by Haskell.
1634 </para>
1635 <para>
1636 The functions <literal>f2</literal> and <literal>g2</literal> have rank-2 types;
1637 the <literal>forall</literal> is on the left of a function arrrow.  As <literal>g2</literal>
1638 shows, the polymorphic type on the left of the function arrow can be overloaded.
1639 </para>
1640 <para>
1641 The functions <literal>f3</literal> and <literal>g3</literal> have rank-3 types;
1642 they have rank-2 types on the left of a function arrow.
1643 </para>
1644 <para>
1645 GHC allows types of arbitrary rank; you can nest <literal>forall</literal>s
1646 arbitrarily deep in function arrows.   (GHC used to be restricted to rank 2, but
1647 that restriction has now been lifted.)
1648 In particular, a forall-type (also called a "type scheme"),
1649 including an operational type class context, is legal:
1650 <itemizedlist>
1651 <listitem> <para> On the left of a function arrow </para> </listitem>
1652 <listitem> <para> On the right of a function arrow (see <xref linkend="hoist">) </para> </listitem>
1653 <listitem> <para> As the argument of a constructor, or type of a field, in a data type declaration. For
1654 example, any of the <literal>f1,f2,f3,g1,g2,g3</literal> above would be valid
1655 field type signatures.</para> </listitem>
1656 <listitem> <para> As the type of an implicit parameter </para> </listitem>
1657 <listitem> <para> In a pattern type signature (see <xref linkend="scoped-type-variables">) </para> </listitem>
1658 </itemizedlist>
1659 There is one place you cannot put a <literal>forall</literal>:
1660 you cannot instantiate a type variable with a forall-type.  So you cannot 
1661 make a forall-type the argument of a type constructor.  So these types are illegal:
1662 <programlisting>
1663     x1 :: [forall a. a->a]
1664     x2 :: (forall a. a->a, Int)
1665     x3 :: Maybe (forall a. a->a)
1666 </programlisting>
1667 Of course <literal>forall</literal> becomes a keyword; you can't use <literal>forall</literal> as
1668 a type variable any more!
1669 </para>
1670
1671
1672 <sect3 id="univ">
1673 <title>Examples
1674 </title>
1675
1676 <para>
1677 In a <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal> declaration one can quantify
1678 the types of the constructor arguments.  Here are several examples:
1679 </para>
1680
1681 <para>
1682
1683 <programlisting>
1684 data T a = T1 (forall b. b -> b -> b) a
1685
1686 data MonadT m = MkMonad { return :: forall a. a -> m a,
1687                           bind   :: forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b
1688                         }
1689
1690 newtype Swizzle = MkSwizzle (Ord a => [a] -> [a])
1691 </programlisting>
1692
1693 </para>
1694
1695 <para>
1696 The constructors have rank-2 types:
1697 </para>
1698
1699 <para>
1700
1701 <programlisting>
1702 T1 :: forall a. (forall b. b -> b -> b) -> a -> T a
1703 MkMonad :: forall m. (forall a. a -> m a)
1704                   -> (forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b)
1705                   -> MonadT m
1706 MkSwizzle :: (Ord a => [a] -> [a]) -> Swizzle
1707 </programlisting>
1708
1709 </para>
1710
1711 <para>
1712 Notice that you don't need to use a <literal>forall</literal> if there's an
1713 explicit context.  For example in the first argument of the
1714 constructor <function>MkSwizzle</function>, an implicit "<literal>forall a.</literal>" is
1715 prefixed to the argument type.  The implicit <literal>forall</literal>
1716 quantifies all type variables that are not already in scope, and are
1717 mentioned in the type quantified over.
1718 </para>
1719
1720 <para>
1721 As for type signatures, implicit quantification happens for non-overloaded
1722 types too.  So if you write this:
1723
1724 <programlisting>
1725   data T a = MkT (Either a b) (b -> b)
1726 </programlisting>
1727
1728 it's just as if you had written this:
1729
1730 <programlisting>
1731   data T a = MkT (forall b. Either a b) (forall b. b -> b)
1732 </programlisting>
1733
1734 That is, since the type variable <literal>b</literal> isn't in scope, it's
1735 implicitly universally quantified.  (Arguably, it would be better
1736 to <emphasis>require</emphasis> explicit quantification on constructor arguments
1737 where that is what is wanted.  Feedback welcomed.)
1738 </para>
1739
1740 <para>
1741 You construct values of types <literal>T1, MonadT, Swizzle</literal> by applying
1742 the constructor to suitable values, just as usual.  For example,
1743 </para>
1744
1745 <para>
1746
1747 <programlisting>
1748     a1 :: T Int
1749     a1 = T1 (\xy->x) 3
1750     
1751     a2, a3 :: Swizzle
1752     a2 = MkSwizzle sort
1753     a3 = MkSwizzle reverse
1754     
1755     a4 :: MonadT Maybe
1756     a4 = let r x = Just x
1757              b m k = case m of
1758                        Just y -> k y
1759                        Nothing -> Nothing
1760          in
1761          MkMonad r b
1762
1763     mkTs :: (forall b. b -> b -> b) -> a -> [T a]
1764     mkTs f x y = [T1 f x, T1 f y]
1765 </programlisting>
1766
1767 </para>
1768
1769 <para>
1770 The type of the argument can, as usual, be more general than the type
1771 required, as <literal>(MkSwizzle reverse)</literal> shows.  (<function>reverse</function>
1772 does not need the <literal>Ord</literal> constraint.)
1773 </para>
1774
1775 <para>
1776 When you use pattern matching, the bound variables may now have
1777 polymorphic types.  For example:
1778 </para>
1779
1780 <para>
1781
1782 <programlisting>
1783     f :: T a -> a -> (a, Char)
1784     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
1785
1786     g :: (Ord a, Ord b) => Swizzle -> [a] -> (a -> b) -> [b]
1787     g (MkSwizzle s) xs f = s (map f (s xs))
1788
1789     h :: MonadT m -> [m a] -> m [a]
1790     h m [] = return m []
1791     h m (x:xs) = bind m x          $ \y ->
1792                  bind m (h m xs)   $ \ys ->
1793                  return m (y:ys)
1794 </programlisting>
1795
1796 </para>
1797
1798 <para>
1799 In the function <function>h</function> we use the record selectors <literal>return</literal>
1800 and <literal>bind</literal> to extract the polymorphic bind and return functions
1801 from the <literal>MonadT</literal> data structure, rather than using pattern
1802 matching.
1803 </para>
1804 </sect3>
1805
1806 <sect3>
1807 <title>Type inference</title>
1808
1809 <para>
1810 In general, type inference for arbitrary-rank types is undecideable.
1811 GHC uses an algorithm proposed by Odersky and Laufer ("Putting type annotations to work", POPL'96)
1812 to get a decidable algorithm by requiring some help from the programmer.
1813 We do not yet have a formal specification of "some help" but the rule is this:
1814 </para>
1815 <para>
1816 <emphasis>For a lambda-bound or case-bound variable, x, either the programmer
1817 provides an explicit polymorphic type for x, or GHC's type inference will assume
1818 that x's type has no foralls in it</emphasis>.
1819 </para>
1820 <para>
1821 What does it mean to "provide" an explicit type for x?  You can do that by 
1822 giving a type signature for x directly, using a pattern type signature
1823 (<xref linkend="scoped-type-variables">), thus:
1824 <programlisting>
1825      \ f :: (forall a. a->a) -> (f True, f 'c')
1826 </programlisting>
1827 Alternatively, you can give a type signature to the enclosing
1828 context, which GHC can "push down" to find the type for the variable:
1829 <programlisting>
1830      (\ f -> (f True, f 'c')) :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
1831 </programlisting>
1832 Here the type signature on the expression can be pushed inwards
1833 to give a type signature for f.  Similarly, and more commonly,
1834 one can give a type signature for the function itself:
1835 <programlisting>
1836      h :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
1837      h f = (f True, f 'c')
1838 </programlisting>
1839 You don't need to give a type signature if the lambda bound variable
1840 is a constructor argument.  Here is an example we saw earlier:
1841 <programlisting>
1842     f :: T a -> a -> (a, Char)
1843     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
1844 </programlisting>
1845 Here we do not need to give a type signature to <literal>w</literal>, because
1846 it is an argument of constructor <literal>T1</literal> and that tells GHC all
1847 it needs to know.
1848 </para>
1849
1850 </sect3>
1851
1852
1853 <sect3 id="implicit-quant">
1854 <title>Implicit quantification</title>
1855
1856 <para>
1857 GHC performs implicit quantification as follows.  <emphasis>At the top level (only) of 
1858 user-written types, if and only if there is no explicit <literal>forall</literal>,
1859 GHC finds all the type variables mentioned in the type that are not already
1860 in scope, and universally quantifies them.</emphasis>  For example, the following pairs are 
1861 equivalent:
1862 <programlisting>
1863   f :: a -> a
1864   f :: forall a. a -> a
1865
1866   g (x::a) = let
1867                 h :: a -> b -> b
1868                 h x y = y
1869              in ...
1870   g (x::a) = let
1871                 h :: forall b. a -> b -> b
1872                 h x y = y
1873              in ...
1874 </programlisting>
1875 </para>
1876 <para>
1877 Notice that GHC does <emphasis>not</emphasis> find the innermost possible quantification
1878 point.  For example:
1879 <programlisting>
1880   f :: (a -> a) -> Int
1881            -- MEANS
1882   f :: forall a. (a -> a) -> Int
1883            -- NOT
1884   f :: (forall a. a -> a) -> Int
1885
1886
1887   g :: (Ord a => a -> a) -> Int
1888            -- MEANS the illegal type
1889   g :: forall a. (Ord a => a -> a) -> Int
1890            -- NOT
1891   g :: (forall a. Ord a => a -> a) -> Int
1892 </programlisting>
1893 The latter produces an illegal type, which you might think is silly,
1894 but at least the rule is simple.  If you want the latter type, you
1895 can write your for-alls explicitly.  Indeed, doing so is strongly advised
1896 for rank-2 types.
1897 </para>
1898 </sect3>
1899 </sect2>
1900
1901 <sect2 id="type-synonyms">
1902 <title>Liberalised type synonyms 
1903 </title>
1904
1905 <para>
1906 Type synonmys are like macros at the type level, and
1907 GHC does validity checking on types <emphasis>only after expanding type synonyms</emphasis>.
1908 That means that GHC can be very much more liberal about type synonyms than Haskell 98:
1909 <itemizedlist>
1910 <listitem> <para>You can write a <literal>forall</literal> (including overloading)
1911 in a type synonym, thus:
1912 <programlisting>
1913   type Discard a = forall b. Show b => a -> b -> (a, String)
1914
1915   f :: Discard a
1916   f x y = (x, show y)
1917
1918   g :: Discard Int -> (Int,Bool)    -- A rank-2 type
1919   g f = f Int True
1920 </programlisting>
1921 </para>
1922 </listitem>
1923
1924 <listitem><para>
1925 You can write an unboxed tuple in a type synonym:
1926 <programlisting>
1927   type Pr = (# Int, Int #)
1928
1929   h :: Int -> Pr
1930   h x = (# x, x #)
1931 </programlisting>
1932 </para></listitem>
1933
1934 <listitem><para>
1935 You can apply a type synonym to a forall type:
1936 <programlisting>
1937   type Foo a = a -> a -> Bool
1938  
1939   f :: Foo (forall b. b->b)
1940 </programlisting>
1941 After expanding the synonym, <literal>f</literal> has the legal (in GHC) type:
1942 <programlisting>
1943   f :: (forall b. b->b) -> (forall b. b->b) -> Bool
1944 </programlisting>
1945 </para></listitem>
1946
1947 <listitem><para>
1948 You can apply a type synonym to a partially applied type synonym:
1949 <programlisting>
1950   type Generic i o = forall x. i x -> o x
1951   type Id x = x
1952   
1953   foo :: Generic Id []
1954 </programlisting>
1955 After epxanding the synonym, <literal>foo</literal> has the legal (in GHC) type:
1956 <programlisting>
1957   foo :: forall x. x -> [x]
1958 </programlisting>
1959 </para></listitem>
1960
1961 </itemizedlist>
1962 </para>
1963
1964 <para>
1965 GHC currently does kind checking before expanding synonyms (though even that
1966 could be changed.)
1967 </para>
1968 <para>
1969 After expanding type synonyms, GHC does validity checking on types, looking for
1970 the following mal-formedness which isn't detected simply by kind checking:
1971 <itemizedlist>
1972 <listitem><para>
1973 Type constructor applied to a type involving for-alls.
1974 </para></listitem>
1975 <listitem><para>
1976 Unboxed tuple on left of an arrow.
1977 </para></listitem>
1978 <listitem><para>
1979 Partially-applied type synonym.
1980 </para></listitem>
1981 </itemizedlist>
1982 So, for example,
1983 this will be rejected:
1984 <programlisting>
1985   type Pr = (# Int, Int #)
1986
1987   h :: Pr -> Int
1988   h x = ...
1989 </programlisting>
1990 because GHC does not allow  unboxed tuples on the left of a function arrow.
1991 </para>
1992 </sect2>
1993
1994 <sect2 id="hoist">
1995 <title>For-all hoisting</title>
1996 <para>
1997 It is often convenient to use generalised type synonyms at the right hand
1998 end of an arrow, thus:
1999 <programlisting>
2000   type Discard a = forall b. a -> b -> a
2001
2002   g :: Int -> Discard Int
2003   g x y z = x+y
2004 </programlisting>
2005 Simply expanding the type synonym would give
2006 <programlisting>
2007   g :: Int -> (forall b. Int -> b -> Int)
2008 </programlisting>
2009 but GHC "hoists" the <literal>forall</literal> to give the isomorphic type
2010 <programlisting>
2011   g :: forall b. Int -> Int -> b -> Int
2012 </programlisting>
2013 In general, the rule is this: <emphasis>to determine the type specified by any explicit
2014 user-written type (e.g. in a type signature), GHC expands type synonyms and then repeatedly
2015 performs the transformation:</emphasis>
2016 <programlisting>
2017   <emphasis>type1</emphasis> -> forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type2</emphasis>
2018 ==>
2019   forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type1</emphasis> -> <emphasis>type2</emphasis>
2020 </programlisting>
2021 (In fact, GHC tries to retain as much synonym information as possible for use in
2022 error messages, but that is a usability issue.)  This rule applies, of course, whether
2023 or not the <literal>forall</literal> comes from a synonym. For example, here is another
2024 valid way to write <literal>g</literal>'s type signature:
2025 <programlisting>
2026   g :: Int -> Int -> forall b. b -> Int
2027 </programlisting>
2028 </para>
2029 <para>
2030 When doing this hoisting operation, GHC eliminates duplicate constraints.  For
2031 example:
2032 <programlisting>
2033   type Foo a = (?x::Int) => Bool -> a
2034   g :: Foo (Foo Int)
2035 </programlisting>
2036 means
2037 <programlisting>
2038   g :: (?x::Int) => Bool -> Bool -> Int
2039 </programlisting>
2040 </para>
2041 </sect2>
2042
2043
2044 <sect2 id="existential-quantification">
2045 <title>Existentially quantified data constructors
2046 </title>
2047
2048 <para>
2049 The idea of using existential quantification in data type declarations
2050 was suggested by Laufer (I believe, thought doubtless someone will
2051 correct me), and implemented in Hope+. It's been in Lennart
2052 Augustsson's <Command>hbc</Command> Haskell compiler for several years, and
2053 proved very useful.  Here's the idea.  Consider the declaration:
2054 </para>
2055
2056 <para>
2057
2058 <programlisting>
2059   data Foo = forall a. MkFoo a (a -> Bool)
2060            | Nil
2061 </programlisting>
2062
2063 </para>
2064
2065 <para>
2066 The data type <literal>Foo</literal> has two constructors with types:
2067 </para>
2068
2069 <para>
2070
2071 <programlisting>
2072   MkFoo :: forall a. a -> (a -> Bool) -> Foo
2073   Nil   :: Foo
2074 </programlisting>
2075
2076 </para>
2077
2078 <para>
2079 Notice that the type variable <literal>a</literal> in the type of <function>MkFoo</function>
2080 does not appear in the data type itself, which is plain <literal>Foo</literal>.
2081 For example, the following expression is fine:
2082 </para>
2083
2084 <para>
2085
2086 <programlisting>
2087   [MkFoo 3 even, MkFoo 'c' isUpper] :: [Foo]
2088 </programlisting>
2089
2090 </para>
2091
2092 <para>
2093 Here, <literal>(MkFoo 3 even)</literal> packages an integer with a function
2094 <function>even</function> that maps an integer to <literal>Bool</literal>; and <function>MkFoo 'c'
2095 isUpper</function> packages a character with a compatible function.  These
2096 two things are each of type <literal>Foo</literal> and can be put in a list.
2097 </para>
2098
2099 <para>
2100 What can we do with a value of type <literal>Foo</literal>?.  In particular,
2101 what happens when we pattern-match on <function>MkFoo</function>?
2102 </para>
2103
2104 <para>
2105
2106 <programlisting>
2107   f (MkFoo val fn) = ???
2108 </programlisting>
2109
2110 </para>
2111
2112 <para>
2113 Since all we know about <literal>val</literal> and <function>fn</function> is that they
2114 are compatible, the only (useful) thing we can do with them is to
2115 apply <function>fn</function> to <literal>val</literal> to get a boolean.  For example:
2116 </para>
2117
2118 <para>
2119
2120 <programlisting>
2121   f :: Foo -> Bool
2122   f (MkFoo val fn) = fn val
2123 </programlisting>
2124
2125 </para>
2126
2127 <para>
2128 What this allows us to do is to package heterogenous values
2129 together with a bunch of functions that manipulate them, and then treat
2130 that collection of packages in a uniform manner.  You can express
2131 quite a bit of object-oriented-like programming this way.
2132 </para>
2133
2134 <sect3 id="existential">
2135 <title>Why existential?
2136 </title>
2137
2138 <para>
2139 What has this to do with <emphasis>existential</emphasis> quantification?
2140 Simply that <function>MkFoo</function> has the (nearly) isomorphic type
2141 </para>
2142
2143 <para>
2144
2145 <programlisting>
2146   MkFoo :: (exists a . (a, a -> Bool)) -> Foo
2147 </programlisting>
2148
2149 </para>
2150
2151 <para>
2152 But Haskell programmers can safely think of the ordinary
2153 <emphasis>universally</emphasis> quantified type given above, thereby avoiding
2154 adding a new existential quantification construct.
2155 </para>
2156
2157 </sect3>
2158
2159 <sect3>
2160 <title>Type classes</title>
2161
2162 <para>
2163 An easy extension (implemented in <Command>hbc</Command>) is to allow
2164 arbitrary contexts before the constructor.  For example:
2165 </para>
2166
2167 <para>
2168
2169 <programlisting>
2170 data Baz = forall a. Eq a => Baz1 a a
2171          | forall b. Show b => Baz2 b (b -> b)
2172 </programlisting>
2173
2174 </para>
2175
2176 <para>
2177 The two constructors have the types you'd expect:
2178 </para>
2179
2180 <para>
2181
2182 <programlisting>
2183 Baz1 :: forall a. Eq a => a -> a -> Baz
2184 Baz2 :: forall b. Show b => b -> (b -> b) -> Baz
2185 </programlisting>
2186
2187 </para>
2188
2189 <para>
2190 But when pattern matching on <function>Baz1</function> the matched values can be compared
2191 for equality, and when pattern matching on <function>Baz2</function> the first matched
2192 value can be converted to a string (as well as applying the function to it).
2193 So this program is legal:
2194 </para>
2195
2196 <para>
2197
2198 <programlisting>
2199   f :: Baz -> String
2200   f (Baz1 p q) | p == q    = "Yes"
2201                | otherwise = "No"
2202   f (Baz2 v fn)            = show (fn v)
2203 </programlisting>
2204
2205 </para>
2206
2207 <para>
2208 Operationally, in a dictionary-passing implementation, the
2209 constructors <function>Baz1</function> and <function>Baz2</function> must store the
2210 dictionaries for <literal>Eq</literal> and <literal>Show</literal> respectively, and
2211 extract it on pattern matching.
2212 </para>
2213
2214 <para>
2215 Notice the way that the syntax fits smoothly with that used for
2216 universal quantification earlier.
2217 </para>
2218
2219 </sect3>
2220
2221 <sect3>
2222 <title>Restrictions</title>
2223
2224 <para>
2225 There are several restrictions on the ways in which existentially-quantified
2226 constructors can be use.
2227 </para>
2228
2229 <para>
2230
2231 <itemizedlist>
2232 <listitem>
2233
2234 <para>
2235  When pattern matching, each pattern match introduces a new,
2236 distinct, type for each existential type variable.  These types cannot
2237 be unified with any other type, nor can they escape from the scope of
2238 the pattern match.  For example, these fragments are incorrect:
2239
2240
2241 <programlisting>
2242 f1 (MkFoo a f) = a
2243 </programlisting>
2244
2245
2246 Here, the type bound by <function>MkFoo</function> "escapes", because <literal>a</literal>
2247 is the result of <function>f1</function>.  One way to see why this is wrong is to
2248 ask what type <function>f1</function> has:
2249
2250
2251 <programlisting>
2252   f1 :: Foo -> a             -- Weird!
2253 </programlisting>
2254
2255
2256 What is this "<literal>a</literal>" in the result type? Clearly we don't mean
2257 this:
2258
2259
2260 <programlisting>
2261   f1 :: forall a. Foo -> a   -- Wrong!
2262 </programlisting>
2263
2264
2265 The original program is just plain wrong.  Here's another sort of error
2266
2267
2268 <programlisting>
2269   f2 (Baz1 a b) (Baz1 p q) = a==q
2270 </programlisting>
2271
2272
2273 It's ok to say <literal>a==b</literal> or <literal>p==q</literal>, but
2274 <literal>a==q</literal> is wrong because it equates the two distinct types arising
2275 from the two <function>Baz1</function> constructors.
2276
2277
2278 </para>
2279 </listitem>
2280 <listitem>
2281
2282 <para>
2283 You can't pattern-match on an existentially quantified
2284 constructor in a <literal>let</literal> or <literal>where</literal> group of
2285 bindings. So this is illegal:
2286
2287
2288 <programlisting>
2289   f3 x = a==b where { Baz1 a b = x }
2290 </programlisting>
2291
2292 Instead, use a <literal>case</literal> expression:
2293
2294 <programlisting>
2295   f3 x = case x of Baz1 a b -> a==b
2296 </programlisting>
2297
2298 In general, you can only pattern-match
2299 on an existentially-quantified constructor in a <literal>case</literal> expression or
2300 in the patterns of a function definition.
2301
2302 The reason for this restriction is really an implementation one.
2303 Type-checking binding groups is already a nightmare without
2304 existentials complicating the picture.  Also an existential pattern
2305 binding at the top level of a module doesn't make sense, because it's
2306 not clear how to prevent the existentially-quantified type "escaping".
2307 So for now, there's a simple-to-state restriction.  We'll see how
2308 annoying it is.
2309
2310 </para>
2311 </listitem>
2312 <listitem>
2313
2314 <para>
2315 You can't use existential quantification for <literal>newtype</literal>
2316 declarations.  So this is illegal:
2317
2318
2319 <programlisting>
2320   newtype T = forall a. Ord a => MkT a
2321 </programlisting>
2322
2323
2324 Reason: a value of type <literal>T</literal> must be represented as a pair
2325 of a dictionary for <literal>Ord t</literal> and a value of type <literal>t</literal>.
2326 That contradicts the idea that <literal>newtype</literal> should have no
2327 concrete representation.  You can get just the same efficiency and effect
2328 by using <literal>data</literal> instead of <literal>newtype</literal>.  If there is no
2329 overloading involved, then there is more of a case for allowing
2330 an existentially-quantified <literal>newtype</literal>, because the <literal>data</literal>
2331 because the <literal>data</literal> version does carry an implementation cost,
2332 but single-field existentially quantified constructors aren't much
2333 use.  So the simple restriction (no existential stuff on <literal>newtype</literal>)
2334 stands, unless there are convincing reasons to change it.
2335
2336
2337 </para>
2338 </listitem>
2339 <listitem>
2340
2341 <para>
2342  You can't use <literal>deriving</literal> to define instances of a
2343 data type with existentially quantified data constructors.
2344
2345 Reason: in most cases it would not make sense. For example:&num;
2346
2347 <programlisting>
2348 data T = forall a. MkT [a] deriving( Eq )
2349 </programlisting>
2350
2351 To derive <literal>Eq</literal> in the standard way we would need to have equality
2352 between the single component of two <function>MkT</function> constructors:
2353
2354 <programlisting>
2355 instance Eq T where
2356   (MkT a) == (MkT b) = ???
2357 </programlisting>
2358
2359 But <VarName>a</VarName> and <VarName>b</VarName> have distinct types, and so can't be compared.
2360 It's just about possible to imagine examples in which the derived instance
2361 would make sense, but it seems altogether simpler simply to prohibit such
2362 declarations.  Define your own instances!
2363 </para>
2364 </listitem>
2365
2366 </itemizedlist>
2367
2368 </para>
2369
2370 </sect3>
2371
2372 </sect2>
2373
2374 <sect2 id="scoped-type-variables">
2375 <title>Scoped type variables
2376 </title>
2377
2378 <para>
2379 A <emphasis>pattern type signature</emphasis> can introduce a <emphasis>scoped type
2380 variable</emphasis>.  For example
2381 </para>
2382
2383 <para>
2384
2385 <programlisting>
2386 f (xs::[a]) = ys ++ ys
2387            where
2388               ys :: [a]
2389               ys = reverse xs
2390 </programlisting>
2391
2392 </para>
2393
2394 <para>
2395 The pattern <literal>(xs::[a])</literal> includes a type signature for <VarName>xs</VarName>.
2396 This brings the type variable <literal>a</literal> into scope; it scopes over
2397 all the patterns and right hand sides for this equation for <function>f</function>.
2398 In particular, it is in scope at the type signature for <VarName>y</VarName>.
2399 </para>
2400
2401 <para>
2402  Pattern type signatures are completely orthogonal to ordinary, separate
2403 type signatures.  The two can be used independently or together.
2404 At ordinary type signatures, such as that for <VarName>ys</VarName>, any type variables
2405 mentioned in the type signature <emphasis>that are not in scope</emphasis> are
2406 implicitly universally quantified.  (If there are no type variables in
2407 scope, all type variables mentioned in the signature are universally
2408 quantified, which is just as in Haskell 98.)  In this case, since <VarName>a</VarName>
2409 is in scope, it is not universally quantified, so the type of <VarName>ys</VarName> is
2410 the same as that of <VarName>xs</VarName>.  In Haskell 98 it is not possible to declare
2411 a type for <VarName>ys</VarName>; a major benefit of scoped type variables is that
2412 it becomes possible to do so.
2413 </para>
2414
2415 <para>
2416 Scoped type variables are implemented in both GHC and Hugs.  Where the
2417 implementations differ from the specification below, those differences
2418 are noted.
2419 </para>
2420
2421 <para>
2422 So much for the basic idea.  Here are the details.
2423 </para>
2424
2425 <sect3>
2426 <title>What a pattern type signature means</title>
2427 <para>
2428 A type variable brought into scope by a pattern type signature is simply
2429 the name for a type.   The restriction they express is that all occurrences
2430 of the same name mean the same type.  For example:
2431 <programlisting>
2432   f :: [Int] -> Int -> Int
2433   f (xs::[a]) (y::a) = (head xs + y) :: a
2434 </programlisting>
2435 The pattern type signatures on the left hand side of
2436 <literal>f</literal> express the fact that <literal>xs</literal>
2437 must be a list of things of some type <literal>a</literal>; and that <literal>y</literal>
2438 must have this same type.  The type signature on the expression <literal>(head xs)</literal>
2439 specifies that this expression must have the same type <literal>a</literal>.
2440 <emphasis>There is no requirement that the type named by "<literal>a</literal>" is
2441 in fact a type variable</emphasis>.  Indeed, in this case, the type named by "<literal>a</literal>" is
2442 <literal>Int</literal>.  (This is a slight liberalisation from the original rather complex
2443 rules, which specified that a pattern-bound type variable should be universally quantified.)
2444 For example, all of these are legal:</para>
2445
2446 <programlisting>
2447   t (x::a) (y::a) = x+y*2
2448
2449   f (x::a) (y::b) = [x,y]       -- a unifies with b
2450
2451   g (x::a) = x + 1::Int         -- a unifies with Int
2452
2453   h x = let k (y::a) = [x,y]    -- a is free in the
2454         in k x                  -- environment
2455
2456   k (x::a) True    = ...        -- a unifies with Int
2457   k (x::Int) False = ...
2458
2459   w :: [b] -> [b]
2460   w (x::a) = x                  -- a unifies with [b]
2461 </programlisting>
2462
2463 </sect3>
2464
2465 <sect3>
2466 <title>Scope and implicit quantification</title>
2467
2468 <para>
2469
2470 <itemizedlist>
2471 <listitem>
2472
2473 <para>
2474 All the type variables mentioned in a pattern,
2475 that are not already in scope,
2476 are brought into scope by the pattern.  We describe this set as
2477 the <emphasis>type variables bound by the pattern</emphasis>.
2478 For example:
2479 <programlisting>
2480   f (x::a) = let g (y::(a,b)) = fst y
2481              in
2482              g (x,True)
2483 </programlisting>
2484 The pattern <literal>(x::a)</literal> brings the type variable
2485 <literal>a</literal> into scope, as well as the term 
2486 variable <literal>x</literal>.  The pattern <literal>(y::(a,b))</literal>
2487 contains an occurrence of the already-in-scope type variable <literal>a</literal>,
2488 and brings into scope the type variable <literal>b</literal>.
2489 </para>
2490 </listitem>
2491
2492 <listitem>
2493 <para>
2494 The type variable(s) bound by the pattern have the same scope
2495 as the term variable(s) bound by the pattern.  For example:
2496 <programlisting>
2497   let
2498     f (x::a) = <...rhs of f...>
2499     (p::b, q::b) = (1,2)
2500   in <...body of let...>
2501 </programlisting>
2502 Here, the type variable <literal>a</literal> scopes over the right hand side of <literal>f</literal>,
2503 just like <literal>x</literal> does; while the type variable <literal>b</literal> scopes over the
2504 body of the <literal>let</literal>, and all the other definitions in the <literal>let</literal>,
2505 just like <literal>p</literal> and <literal>q</literal> do.
2506 Indeed, the newly bound type variables also scope over any ordinary, separate
2507 type signatures in the <literal>let</literal> group.
2508 </para>
2509 </listitem>
2510
2511
2512 <listitem>
2513 <para>
2514 The type variables bound by the pattern may be 
2515 mentioned in ordinary type signatures or pattern 
2516 type signatures anywhere within their scope.
2517
2518 </para>
2519 </listitem>
2520
2521 <listitem>
2522 <para>
2523  In ordinary type signatures, any type variable mentioned in the
2524 signature that is in scope is <emphasis>not</emphasis> universally quantified.
2525
2526 </para>
2527 </listitem>
2528
2529 <listitem>
2530
2531 <para>
2532  Ordinary type signatures do not bring any new type variables
2533 into scope (except in the type signature itself!). So this is illegal:
2534
2535 <programlisting>
2536   f :: a -> a
2537   f x = x::a
2538 </programlisting>
2539
2540 It's illegal because <VarName>a</VarName> is not in scope in the body of <function>f</function>,
2541 so the ordinary signature <literal>x::a</literal> is equivalent to <literal>x::forall a.a</literal>;
2542 and that is an incorrect typing.
2543
2544 </para>
2545 </listitem>
2546
2547 <listitem>
2548 <para>
2549 The pattern type signature is a monotype:
2550 </para>
2551
2552 <itemizedlist>
2553 <listitem> <para> 
2554 A pattern type signature cannot contain any explicit <literal>forall</literal> quantification.
2555 </para> </listitem>
2556
2557 <listitem>  <para> 
2558 The type variables bound by a pattern type signature can only be instantiated to monotypes,
2559 not to type schemes.
2560 </para> </listitem>
2561
2562 <listitem>  <para> 
2563 There is no implicit universal quantification on pattern type signatures (in contrast to
2564 ordinary type signatures).
2565 </para> </listitem>
2566
2567 </itemizedlist>
2568
2569 </listitem>
2570
2571 <listitem>
2572 <para>
2573
2574 The type variables in the head of a <literal>class</literal> or <literal>instance</literal> declaration
2575 scope over the methods defined in the <literal>where</literal> part.  For example:
2576
2577
2578 <programlisting>
2579   class C a where
2580     op :: [a] -> a
2581
2582     op xs = let ys::[a]
2583                 ys = reverse xs
2584             in
2585             head ys
2586 </programlisting>
2587
2588
2589 (Not implemented in Hugs yet, Dec 98).
2590 </para>
2591 </listitem>
2592
2593 </itemizedlist>
2594
2595 </para>
2596
2597 </sect3>
2598
2599 <sect3>
2600 <title>Result type signatures</title>
2601
2602 <para>
2603
2604 <itemizedlist>
2605 <listitem>
2606
2607 <para>
2608  The result type of a function can be given a signature,
2609 thus:
2610
2611
2612 <programlisting>
2613   f (x::a) :: [a] = [x,x,x]
2614 </programlisting>
2615
2616
2617 The final <literal>:: [a]</literal> after all the patterns gives a signature to the
2618 result type.  Sometimes this is the only way of naming the type variable
2619 you want:
2620
2621
2622 <programlisting>
2623   f :: Int -> [a] -> [a]
2624   f n :: ([a] -> [a]) = let g (x::a, y::a) = (y,x)
2625                         in \xs -> map g (reverse xs `zip` xs)
2626 </programlisting>
2627
2628
2629 </para>
2630 </listitem>
2631
2632 </itemizedlist>
2633
2634 </para>
2635
2636 <para>
2637 Result type signatures are not yet implemented in Hugs.
2638 </para>
2639
2640 </sect3>
2641
2642 <sect3>
2643 <title>Where a pattern type signature can occur</title>
2644
2645 <para>
2646 A pattern type signature can occur in any pattern.  For example:
2647 <itemizedlist>
2648
2649 <listitem>
2650 <para>
2651 A pattern type signature can be on an arbitrary sub-pattern, not
2652 ust on a variable:
2653
2654
2655 <programlisting>
2656   f ((x,y)::(a,b)) = (y,x) :: (b,a)
2657 </programlisting>
2658
2659
2660 </para>
2661 </listitem>
2662 <listitem>
2663
2664 <para>
2665  Pattern type signatures, including the result part, can be used
2666 in lambda abstractions:
2667
2668 <programlisting>
2669   (\ (x::a, y) :: a -> x)
2670 </programlisting>
2671 </para>
2672 </listitem>
2673 <listitem>
2674
2675 <para>
2676  Pattern type signatures, including the result part, can be used
2677 in <literal>case</literal> expressions:
2678
2679
2680 <programlisting>
2681   case e of { (x::a, y) :: a -> x }
2682 </programlisting>
2683
2684 </para>
2685 </listitem>
2686
2687 <listitem>
2688 <para>
2689 To avoid ambiguity, the type after the &ldquo;<literal>::</literal>&rdquo; in a result
2690 pattern signature on a lambda or <literal>case</literal> must be atomic (i.e. a single
2691 token or a parenthesised type of some sort).  To see why,
2692 consider how one would parse this:
2693
2694
2695 <programlisting>
2696   \ x :: a -> b -> x
2697 </programlisting>
2698
2699
2700 </para>
2701 </listitem>
2702
2703 <listitem>
2704
2705 <para>
2706  Pattern type signatures can bind existential type variables.
2707 For example:
2708
2709
2710 <programlisting>
2711   data T = forall a. MkT [a]
2712
2713   f :: T -> T
2714   f (MkT [t::a]) = MkT t3
2715                  where
2716                    t3::[a] = [t,t,t]
2717 </programlisting>
2718
2719
2720 </para>
2721 </listitem>
2722
2723
2724 <listitem>
2725
2726 <para>
2727 Pattern type signatures 
2728 can be used in pattern bindings:
2729
2730 <programlisting>
2731   f x = let (y, z::a) = x in ...
2732   f1 x                = let (y, z::Int) = x in ...
2733   f2 (x::(Int,a))     = let (y, z::a)   = x in ...
2734   f3 :: (b->b)        = \x -> x
2735 </programlisting>
2736
2737 In all such cases, the binding is not generalised over the pattern-bound
2738 type variables.  Thus <literal>f3</literal> is monomorphic; <literal>f3</literal>
2739 has type <literal>b -&gt; b</literal> for some type <literal>b</literal>, 
2740 and <emphasis>not</emphasis> <literal>forall b. b -&gt; b</literal>.
2741 In contrast, the binding
2742 <programlisting>
2743   f4 :: b->b
2744   f4 = \x -> x
2745 </programlisting>
2746 makes a polymorphic function, but <literal>b</literal> is not in scope anywhere
2747 in <literal>f4</literal>'s scope.
2748
2749 </para>
2750 </listitem>
2751 </itemizedlist>
2752 </para>
2753
2754 </sect3>
2755 </sect2>
2756
2757 <sect2 id="newtype-deriving">
2758 <title>Generalised derived instances for newtypes</title>
2759
2760 <para>
2761 When you define an abstract type using <literal>newtype</literal>, you may want
2762 the new type to inherit some instances from its representation. In
2763 Haskell 98, you can inherit instances of <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
2764 <literal>Enum</literal> and <literal>Bounded</literal> by deriving them, but for any
2765 other classes you have to write an explicit instance declaration. For
2766 example, if you define
2767
2768 <programlisting> 
2769   newtype Dollars = Dollars Int 
2770 </programlisting> 
2771
2772 and you want to use arithmetic on <literal>Dollars</literal>, you have to
2773 explicitly define an instance of <literal>Num</literal>:
2774
2775 <programlisting> 
2776   instance Num Dollars where
2777     Dollars a + Dollars b = Dollars (a+b)
2778     ...
2779 </programlisting>
2780 All the instance does is apply and remove the <literal>newtype</literal>
2781 constructor. It is particularly galling that, since the constructor
2782 doesn't appear at run-time, this instance declaration defines a
2783 dictionary which is <emphasis>wholly equivalent</emphasis> to the <literal>Int</literal>
2784 dictionary, only slower!
2785 </para>
2786
2787
2788 <sect3> <title> Generalising the deriving clause </title>
2789 <para>
2790 GHC now permits such instances to be derived instead, so one can write 
2791 <programlisting> 
2792   newtype Dollars = Dollars Int deriving (Eq,Show,Num)
2793 </programlisting> 
2794
2795 and the implementation uses the <emphasis>same</emphasis> <literal>Num</literal> dictionary
2796 for <literal>Dollars</literal> as for <literal>Int</literal>. Notionally, the compiler
2797 derives an instance declaration of the form
2798
2799 <programlisting> 
2800   instance Num Int => Num Dollars
2801 </programlisting> 
2802
2803 which just adds or removes the <literal>newtype</literal> constructor according to the type.
2804 </para>
2805 <para>
2806
2807 We can also derive instances of constructor classes in a similar
2808 way. For example, suppose we have implemented state and failure monad
2809 transformers, such that
2810
2811 <programlisting> 
2812   instance Monad m => Monad (State s m) 
2813   instance Monad m => Monad (Failure m)
2814 </programlisting> 
2815 In Haskell 98, we can define a parsing monad by 
2816 <programlisting> 
2817   type Parser tok m a = State [tok] (Failure m) a
2818 </programlisting> 
2819
2820 which is automatically a monad thanks to the instance declarations
2821 above. With the extension, we can make the parser type abstract,
2822 without needing to write an instance of class <literal>Monad</literal>, via
2823
2824 <programlisting> 
2825   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
2826                          deriving Monad
2827 </programlisting>
2828 In this case the derived instance declaration is of the form 
2829 <programlisting> 
2830   instance Monad (State [tok] (Failure m)) => Monad (Parser tok m) 
2831 </programlisting> 
2832
2833 Notice that, since <literal>Monad</literal> is a constructor class, the
2834 instance is a <emphasis>partial application</emphasis> of the new type, not the
2835 entire left hand side. We can imagine that the type declaration is
2836 ``eta-converted'' to generate the context of the instance
2837 declaration.
2838 </para>
2839 <para>
2840
2841 We can even derive instances of multi-parameter classes, provided the
2842 newtype is the last class parameter. In this case, a ``partial
2843 application'' of the class appears in the <literal>deriving</literal>
2844 clause. For example, given the class
2845
2846 <programlisting> 
2847   class StateMonad s m | m -> s where ... 
2848   instance Monad m => StateMonad s (State s m) where ... 
2849 </programlisting> 
2850 then we can derive an instance of <literal>StateMonad</literal> for <literal>Parser</literal>s by 
2851 <programlisting> 
2852   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
2853                          deriving (Monad, StateMonad [tok])
2854 </programlisting>
2855
2856 The derived instance is obtained by completing the application of the
2857 class to the new type:
2858
2859 <programlisting> 
2860   instance StateMonad [tok] (State [tok] (Failure m)) =>
2861            StateMonad [tok] (Parser tok m)
2862 </programlisting>
2863 </para>
2864 <para>
2865
2866 As a result of this extension, all derived instances in newtype
2867 declarations are treated uniformly (and implemented just by reusing
2868 the dictionary for the representation type), <emphasis>except</emphasis>
2869 <literal>Show</literal> and <literal>Read</literal>, which really behave differently for
2870 the newtype and its representation.
2871 </para>
2872 </sect3>
2873
2874 <sect3> <title> A more precise specification </title>
2875 <para>
2876 Derived instance declarations are constructed as follows. Consider the
2877 declaration (after expansion of any type synonyms)
2878
2879 <programlisting> 
2880   newtype T v1...vn = T' (S t1...tk vk+1...vn) deriving (c1...cm) 
2881 </programlisting> 
2882
2883 where <literal>S</literal> is a type constructor, <literal>t1...tk</literal> are 
2884 types,
2885 <literal>vk+1...vn</literal> are type variables which do not occur in any of
2886 the <literal>ti</literal>, and the <literal>ci</literal> are partial applications of
2887 classes of the form <literal>C t1'...tj'</literal>.  The derived instance
2888 declarations are, for each <literal>ci</literal>,
2889
2890 <programlisting> 
2891   instance ci (S t1...tk vk+1...v) => ci (T v1...vp)
2892 </programlisting>
2893 where <literal>p</literal> is chosen so that <literal>T v1...vp</literal> is of the 
2894 right <emphasis>kind</emphasis> for the last parameter of class <literal>Ci</literal>.
2895 </para>
2896 <para>
2897
2898 As an example which does <emphasis>not</emphasis> work, consider 
2899 <programlisting> 
2900   newtype NonMonad m s = NonMonad (State s m s) deriving Monad 
2901 </programlisting> 
2902 Here we cannot derive the instance 
2903 <programlisting> 
2904   instance Monad (State s m) => Monad (NonMonad m) 
2905 </programlisting> 
2906
2907 because the type variable <literal>s</literal> occurs in <literal>State s m</literal>,
2908 and so cannot be "eta-converted" away. It is a good thing that this
2909 <literal>deriving</literal> clause is rejected, because <literal>NonMonad m</literal> is
2910 not, in fact, a monad --- for the same reason. Try defining
2911 <literal>>>=</literal> with the correct type: you won't be able to.
2912 </para>
2913 <para>
2914
2915 Notice also that the <emphasis>order</emphasis> of class parameters becomes
2916 important, since we can only derive instances for the last one. If the
2917 <literal>StateMonad</literal> class above were instead defined as
2918
2919 <programlisting> 
2920   class StateMonad m s | m -> s where ... 
2921 </programlisting>
2922
2923 then we would not have been able to derive an instance for the
2924 <literal>Parser</literal> type above. We hypothesise that multi-parameter
2925 classes usually have one "main" parameter for which deriving new
2926 instances is most interesting.
2927 </para>
2928 </sect3>
2929
2930 </sect2>
2931
2932
2933 </sect1>
2934 <!-- ==================== End of type system extensions =================  -->
2935   
2936 <!-- ====================== TEMPLATE HASKELL =======================  -->
2937
2938 <sect1 id="template-haskell">
2939 <title>Template Haskell</title>
2940
2941 <para>Template Haskell allows you to do compile-time meta-programming in Haskell.  The background 
2942 the main technical innovations are discussed in "<ulink
2943 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/papers/meta-haskell">
2944 Template Meta-programming for Haskell</ulink>", in 
2945 Proc Haskell Workshop 2002.
2946 </para>
2947
2948 <para>
2949 The documentation here describes the realisation in GHC.  (It's rather sketchy just now;
2950 Tim Sheard is going to expand it.)
2951 </para>
2952
2953 <sect2>  <title> Syntax </title>
2954 <para>
2955     Template Haskell has the following new syntactic constructions.  You need to use the flag  
2956                 <literal>-fglasgow-exts</literal> to switch these syntactic extensions on.
2957
2958         <itemizedlist>
2959               <listitem><para>
2960                   A splice is written <literal>$x</literal>, where <literal>x</literal> is an
2961                   identifier, or <literal>$(...)</literal>, where the "..." is an arbitrary expression.
2962                   There must be no space between the "$" and the identifier or parenthesis.  This use
2963                   of "$" overrides its meaning as an infix operator, just as "M.x" overrides the meaning
2964                   of "." as an infix operator.  If you want the infix operator, put spaces around it.
2965                   </para>
2966               <para> A splice can occur in place of 
2967                   <itemizedlist>
2968                     <listitem><para> an expression;</para></listitem>
2969                     <listitem><para> a list of top-level declarations;</para></listitem>
2970                     <listitem><para> a pattern;</para></listitem>
2971                     <listitem><para> a type;</para></listitem>
2972                     </itemizedlist>
2973                 </para></listitem>
2974
2975
2976               <listitem><para>
2977                   A expression quotation is written in Oxford brackets, thus:
2978                   <itemizedlist>
2979                     <listitem><para> <literal>[| ... |]</literal>, where the "..." is an expression;</para></listitem>
2980                     <listitem><para> <literal>[d| ... |]</literal>, where the "..." is a list of top-level declarations;</para></listitem>
2981                     <listitem><para> <literal>[p| ... |]</literal>, where the "..." is a pattern;</para></listitem>
2982                     <listitem><para> <literal>[t| ... |]</literal>, where the "..." is a type;</para></listitem>
2983                   </itemizedlist></para></listitem>
2984
2985               <listitem><para>
2986                   Reification is written thus:
2987                   <itemizedlist>
2988                     <listitem><para> <literal>reifyDecl T</literal>, where <literal>T</literal> is a type constructor; this expression
2989                       has type <literal>Dec</literal>. </para></listitem>
2990                     <listitem><para> <literal>reifyDecl C</literal>, where <literal>C</literal> is a class; has type <literal>Dec</literal>.</para></listitem>
2991                     <listitem><para> <literal>reifyType f</literal>, where <literal>f</literal> is an identifier; has type <literal>Typ</literal>.</para></listitem>
2992                     <listitem><para> Still to come: fixities </para></listitem>
2993                     
2994                   </itemizedlist></para>
2995                 </listitem>
2996
2997                   
2998         </itemizedlist>
2999 </para>
3000 </sect2>
3001
3002 <sect2>  <title> Using Template Haskell </title>
3003 <para>
3004 <itemizedlist>
3005     <listitem><para>
3006     The data types and monadic constructor functions for Template Haskell are in the library
3007     <literal>Language.Haskell.THSyntax</literal>.
3008     </para></listitem>
3009
3010     <listitem><para>
3011             If the module contains any top-level splices that must be run, you must use GHC with
3012             <literal>--make</literal> or <literal>--interactive</literal> flags.  (Reason: that 
3013             means it walks the dependency tree and knows what modules must be linked etc.)
3014    </para></listitem>
3015
3016     <listitem><para>
3017     You can only run a function at compile time if it is imported from another module.  That is,
3018             you can't define a function in a module, and call it from within a splice in the same module.
3019             (It would make sense to do so, but it's hard to implement.)
3020    </para></listitem>
3021
3022     <listitem><para>
3023             The flag <literal>-ddump-splices</literal> shows the expansion of all top-level splices as they happen.
3024    </para></listitem>
3025 </itemizedlist>
3026 </para>
3027 </sect2>
3028  
3029 </sect1>
3030
3031 <!-- ==================== ASSERTIONS =================  -->
3032
3033 <sect1 id="sec-assertions">
3034 <title>Assertions
3035 <indexterm><primary>Assertions</primary></indexterm>
3036 </title>
3037
3038 <para>
3039 If you want to make use of assertions in your standard Haskell code, you
3040 could define a function like the following:
3041 </para>
3042
3043 <para>
3044
3045 <programlisting>
3046 assert :: Bool -> a -> a
3047 assert False x = error "assertion failed!"
3048 assert _     x = x
3049 </programlisting>
3050
3051 </para>
3052
3053 <para>
3054 which works, but gives you back a less than useful error message --
3055 an assertion failed, but which and where?
3056 </para>
3057
3058 <para>
3059 One way out is to define an extended <function>assert</function> function which also
3060 takes a descriptive string to include in the error message and
3061 perhaps combine this with the use of a pre-processor which inserts
3062 the source location where <function>assert</function> was used.
3063 </para>
3064
3065 <para>
3066 Ghc offers a helping hand here, doing all of this for you. For every
3067 use of <function>assert</function> in the user's source:
3068 </para>
3069
3070 <para>
3071
3072 <programlisting>
3073 kelvinToC :: Double -> Double
3074 kelvinToC k = assert (k &gt;= 0.0) (k+273.15)
3075 </programlisting>
3076
3077 </para>
3078
3079 <para>
3080 Ghc will rewrite this to also include the source location where the
3081 assertion was made,
3082 </para>
3083
3084 <para>
3085
3086 <programlisting>
3087 assert pred val ==> assertError "Main.hs|15" pred val
3088 </programlisting>
3089
3090 </para>
3091
3092 <para>
3093 The rewrite is only performed by the compiler when it spots
3094 applications of <function>Control.Exception.assert</function>, so you
3095 can still define and use your own versions of
3096 <function>assert</function>, should you so wish. If not, import
3097 <literal>Control.Exception</literal> to make use
3098 <function>assert</function> in your code.
3099 </para>
3100
3101 <para>
3102 To have the compiler ignore uses of assert, use the compiler option
3103 <option>-fignore-asserts</option>. <indexterm><primary>-fignore-asserts
3104 option</primary></indexterm> That is, expressions of the form
3105 <literal>assert pred e</literal> will be rewritten to
3106 <literal>e</literal>.
3107 </para>
3108
3109 <para>
3110 Assertion failures can be caught, see the documentation for the
3111 <literal>Control.Exception</literal> library for the details.
3112 </para>
3113
3114 </sect1>
3115
3116
3117 <!-- =============================== PRAGMAS ===========================  -->
3118
3119   <sect1 id="pragmas">
3120     <title>Pragmas</title>
3121
3122     <indexterm><primary>pragma</primary></indexterm>
3123
3124     <para>GHC supports several pragmas, or instructions to the
3125     compiler placed in the source code.  Pragmas don't normally affect
3126     the meaning of the program, but they might affect the efficiency
3127     of the generated code.</para>
3128
3129     <para>Pragmas all take the form
3130
3131 <literal>{-# <replaceable>word</replaceable> ... #-}</literal>  
3132
3133     where <replaceable>word</replaceable> indicates the type of
3134     pragma, and is followed optionally by information specific to that
3135     type of pragma.  Case is ignored in
3136     <replaceable>word</replaceable>.  The various values for
3137     <replaceable>word</replaceable> that GHC understands are described
3138     in the following sections; any pragma encountered with an
3139     unrecognised <replaceable>word</replaceable> is (silently)
3140     ignored.</para>
3141
3142 <sect2 id="inline-pragma">
3143 <title>INLINE pragma
3144
3145 <indexterm><primary>INLINE pragma</primary></indexterm>
3146 <indexterm><primary>pragma, INLINE</primary></indexterm></title>
3147
3148 <para>
3149 GHC (with <option>-O</option>, as always) tries to inline (or &ldquo;unfold&rdquo;)
3150 functions/values that are &ldquo;small enough,&rdquo; thus avoiding the call
3151 overhead and possibly exposing other more-wonderful optimisations.
3152 </para>
3153
3154 <para>
3155 You will probably see these unfoldings (in Core syntax) in your
3156 interface files.
3157 </para>
3158
3159 <para>
3160 Normally, if GHC decides a function is &ldquo;too expensive&rdquo; to inline, it
3161 will not do so, nor will it export that unfolding for other modules to
3162 use.
3163 </para>
3164
3165 <para>
3166 The sledgehammer you can bring to bear is the
3167 <literal>INLINE</literal><indexterm><primary>INLINE pragma</primary></indexterm> pragma, used thusly:
3168
3169 <programlisting>
3170 key_function :: Int -> String -> (Bool, Double)
3171
3172 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
3173 {-# INLINE key_function #-}
3174 #endif
3175 </programlisting>
3176
3177 (You don't need to do the C pre-processor carry-on unless you're going
3178 to stick the code through HBC&mdash;it doesn't like <literal>INLINE</literal> pragmas.)
3179 </para>
3180
3181 <para>
3182 The major effect of an <literal>INLINE</literal> pragma is to declare a function's
3183 &ldquo;cost&rdquo; to be very low.  The normal unfolding machinery will then be
3184 very keen to inline it.
3185 </para>
3186
3187 <para>
3188 An <literal>INLINE</literal> pragma for a function can be put anywhere its type
3189 signature could be put.
3190 </para>
3191
3192 <para>
3193 <literal>INLINE</literal> pragmas are a particularly good idea for the
3194 <literal>then</literal>/<literal>return</literal> (or <literal>bind</literal>/<literal>unit</literal>) functions in a monad.
3195 For example, in GHC's own <literal>UniqueSupply</literal> monad code, we have:
3196
3197 <programlisting>
3198 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
3199 {-# INLINE thenUs #-}
3200 {-# INLINE returnUs #-}
3201 #endif
3202 </programlisting>
3203
3204 </para>
3205
3206 </sect2>
3207
3208 <sect2 id="noinline-pragma">
3209 <title>NOINLINE pragma
3210 </title>
3211
3212 <indexterm><primary>NOINLINE pragma</primary></indexterm>
3213 <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>NOINLINE</secondary></indexterm>
3214 <indexterm><primary>NOTINLINE pragma</primary></indexterm>
3215 <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>NOTINLINE</secondary></indexterm>
3216
3217 <para>
3218 The <literal>NOINLINE</literal> pragma does exactly what you'd expect:
3219 it stops the named function from being inlined by the compiler.  You
3220 shouldn't ever need to do this, unless you're very cautious about code
3221 size.
3222 </para>
3223
3224 <para><literal>NOTINLINE</literal> is a synonym for
3225 <literal>NOINLINE</literal> (<literal>NOTINLINE</literal> is specified
3226 by Haskell 98 as the standard way to disable inlining, so it should be
3227 used if you want your code to be portable).</para>
3228
3229 </sect2>
3230
3231     <sect2 id="specialize-pragma">
3232       <title>SPECIALIZE pragma</title>
3233
3234       <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
3235       <indexterm><primary>pragma, SPECIALIZE</primary></indexterm>
3236       <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
3237
3238       <para>(UK spelling also accepted.)  For key overloaded
3239       functions, you can create extra versions (NB: more code space)
3240       specialised to particular types.  Thus, if you have an
3241       overloaded function:</para>
3242
3243 <programlisting>
3244 hammeredLookup :: Ord key => [(key, value)] -> key -> value
3245 </programlisting>
3246
3247       <para>If it is heavily used on lists with
3248       <literal>Widget</literal> keys, you could specialise it as
3249       follows:</para>
3250
3251 <programlisting>
3252 {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Widget, value)] -> Widget -> value #-}
3253 </programlisting>
3254
3255       <para>To get very fancy, you can also specify a named function
3256       to use for the specialised value, as in:</para>
3257
3258 <programlisting>
3259 {-# RULES hammeredLookup = blah #-}
3260 </programlisting>
3261
3262       <para>where <literal>blah</literal> is an implementation of
3263       <literal>hammerdLookup</literal> written specialy for
3264       <literal>Widget</literal> lookups.  It's <emphasis>Your
3265       Responsibility</emphasis> to make sure that
3266       <function>blah</function> really behaves as a specialised
3267       version of <function>hammeredLookup</function>!!!</para>
3268
3269       <para>Note we use the <literal>RULE</literal> pragma here to
3270       indicate that <literal>hammeredLookup</literal> applied at a
3271       certain type should be replaced by <literal>blah</literal>.  See
3272       <xref linkend="rules"> for more information on
3273       <literal>RULES</literal>.</para>
3274
3275       <para>An example in which using <literal>RULES</literal> for
3276       specialisation will Win Big:
3277
3278 <programlisting>
3279 toDouble :: Real a => a -> Double
3280 toDouble = fromRational . toRational
3281
3282 {-# SPECIALIZE toDouble :: Int -> Double = i2d #-}
3283 i2d (I# i) = D# (int2Double# i) -- uses Glasgow prim-op directly
3284 </programlisting>
3285
3286       The <function>i2d</function> function is virtually one machine
3287       instruction; the default conversion&mdash;via an intermediate
3288       <literal>Rational</literal>&mdash;is obscenely expensive by
3289       comparison.</para>
3290
3291       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> pragma for a function can
3292       be put anywhere its type signature could be put.</para>
3293
3294     </sect2>
3295
3296 <sect2 id="specialize-instance-pragma">
3297 <title>SPECIALIZE instance pragma
3298 </title>
3299
3300 <para>
3301 <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
3302 <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
3303 Same idea, except for instance declarations.  For example:
3304
3305 <programlisting>
3306 instance (Eq a) => Eq (Foo a) where { 
3307    {-# SPECIALIZE instance Eq (Foo [(Int, Bar)]) #-}
3308    ... usual stuff ...
3309  }
3310 </programlisting>
3311 The pragma must occur inside the <literal>where</literal> part
3312 of the instance declaration.
3313 </para>
3314 <para>
3315 Compatible with HBC, by the way, except perhaps in the placement
3316 of the pragma.
3317 </para>
3318
3319 </sect2>
3320
3321 <sect2 id="line-pragma">
3322 <title>LINE pragma
3323 </title>
3324
3325 <para>
3326 <indexterm><primary>LINE pragma</primary></indexterm>
3327 <indexterm><primary>pragma, LINE</primary></indexterm>
3328 </para>
3329
3330 <para>
3331 This pragma is similar to C's <literal>&num;line</literal> pragma, and is mainly for use in
3332 automatically generated Haskell code.  It lets you specify the line
3333 number and filename of the original code; for example
3334 </para>
3335
3336 <para>
3337
3338 <programlisting>
3339 {-# LINE 42 "Foo.vhs" #-}
3340 </programlisting>
3341
3342 </para>
3343
3344 <para>
3345 if you'd generated the current file from something called <filename>Foo.vhs</filename>
3346 and this line corresponds to line 42 in the original.  GHC will adjust
3347 its error messages to refer to the line/file named in the <literal>LINE</literal>
3348 pragma.
3349 </para>
3350
3351 </sect2>
3352
3353 <sect2 id="rules">
3354 <title>RULES pragma</title>
3355
3356 <para>
3357 The RULES pragma lets you specify rewrite rules.  It is described in
3358 <xref LinkEnd="rewrite-rules">.
3359 </para>
3360
3361 </sect2>
3362
3363 <sect2 id="deprecated-pragma">
3364 <title>DEPRECATED pragma</title>
3365
3366 <para>
3367 The DEPRECATED pragma lets you specify that a particular function, class, or type, is deprecated.  
3368 There are two forms.  
3369 </para>
3370 <itemizedlist>
3371 <listitem><para>
3372 You can deprecate an entire module thus:</para>
3373 <programlisting>
3374    module Wibble {-# DEPRECATED "Use Wobble instead" #-} where
3375      ...
3376 </programlisting>
3377 <para>
3378 When you compile any module that import <literal>Wibble</literal>, GHC will print
3379 the specified message.</para>
3380 </listitem>
3381
3382 <listitem>
3383 <para>
3384 You can deprecate a function, class, or type, with the following top-level declaration:
3385 </para>
3386 <programlisting>
3387    {-# DEPRECATED f, C, T "Don't use these" #-}
3388 </programlisting>
3389 <para>
3390 When you compile any module that imports and uses any of the specifed entities, 
3391 GHC will print the specified message.
3392 </para>
3393 </listitem>
3394 </itemizedlist>
3395 <para>You can suppress the warnings with the flag <option>-fno-warn-deprecations</option>.</para>
3396
3397 </sect2>
3398
3399 </sect1>
3400
3401 <!--  ======================= REWRITE RULES ======================== -->
3402
3403 <sect1 id="rewrite-rules">
3404 <title>Rewrite rules
3405
3406 <indexterm><primary>RULES pagma</primary></indexterm>
3407 <indexterm><primary>pragma, RULES</primary></indexterm>
3408 <indexterm><primary>rewrite rules</primary></indexterm></title>
3409
3410 <para>
3411 The programmer can specify rewrite rules as part of the source program
3412 (in a pragma).  GHC applies these rewrite rules wherever it can.
3413 </para>
3414
3415 <para>
3416 Here is an example:
3417
3418 <programlisting>
3419   {-# RULES
3420         "map/map"       forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
3421   #-}
3422 </programlisting>
3423
3424 </para>
3425
3426 <sect2>
3427 <title>Syntax</title>
3428
3429 <para>
3430 From a syntactic point of view:
3431
3432 <itemizedlist>
3433 <listitem>
3434
3435 <para>
3436  Each rule has a name, enclosed in double quotes.  The name itself has
3437 no significance at all.  It is only used when reporting how many times the rule fired.
3438 </para>
3439 </listitem>
3440 <listitem>
3441
3442 <para>
3443  There may be zero or more rules in a <literal>RULES</literal> pragma.
3444 </para>
3445 </listitem>
3446 <listitem>
3447
3448 <para>
3449  Layout applies in a <literal>RULES</literal> pragma.  Currently no new indentation level
3450 is set, so you must lay out your rules starting in the same column as the
3451 enclosing definitions.
3452 </para>
3453 </listitem>
3454 <listitem>
3455
3456 <para>
3457  Each variable mentioned in a rule must either be in scope (e.g. <function>map</function>),
3458 or bound by the <literal>forall</literal> (e.g. <function>f</function>, <function>g</function>, <function>xs</function>).  The variables bound by
3459 the <literal>forall</literal> are called the <emphasis>pattern</emphasis> variables.  They are separated
3460 by spaces, just like in a type <literal>forall</literal>.
3461 </para>
3462 </listitem>
3463 <listitem>
3464
3465 <para>
3466  A pattern variable may optionally have a type signature.
3467 If the type of the pattern variable is polymorphic, it <emphasis>must</emphasis> have a type signature.
3468 For example, here is the <literal>foldr/build</literal> rule:
3469
3470 <programlisting>
3471 "fold/build"  forall k z (g::forall b. (a->b->b) -> b -> b) .
3472               foldr k z (build g) = g k z
3473 </programlisting>
3474
3475 Since <function>g</function> has a polymorphic type, it must have a type signature.
3476
3477 </para>
3478 </listitem>
3479 <listitem>
3480
3481 <para>
3482 The left hand side of a rule must consist of a top-level variable applied
3483 to arbitrary expressions.  For example, this is <emphasis>not</emphasis> OK:
3484
3485 <programlisting>
3486 "wrong1"   forall e1 e2.  case True of { True -> e1; False -> e2 } = e1
3487 "wrong2"   forall f.      f True = True
3488 </programlisting>
3489
3490 In <literal>"wrong1"</literal>, the LHS is not an application; in <literal>"wrong2"</literal>, the LHS has a pattern variable
3491 in the head.
3492 </para>
3493 </listitem>
3494 <listitem>
3495
3496 <para>
3497  A rule does not need to be in the same module as (any of) the
3498 variables it mentions, though of course they need to be in scope.
3499 </para>
3500 </listitem>
3501 <listitem>
3502
3503 <para>
3504  Rules are automatically exported from a module, just as instance declarations are.
3505 </para>
3506 </listitem>
3507
3508 </itemizedlist>
3509
3510 </para>
3511
3512 </sect2>
3513
3514 <sect2>
3515 <title>Semantics</title>
3516
3517 <para>
3518 From a semantic point of view:
3519
3520 <itemizedlist>
3521 <listitem>
3522
3523 <para>
3524 Rules are only applied if you use the <option>-O</option> flag.
3525 </para>
3526 </listitem>
3527
3528 <listitem>
3529 <para>
3530  Rules are regarded as left-to-right rewrite rules.
3531 When GHC finds an expression that is a substitution instance of the LHS
3532 of a rule, it replaces the expression by the (appropriately-substituted) RHS.
3533 By "a substitution instance" we mean that the LHS can be made equal to the
3534 expression by substituting for the pattern variables.
3535
3536 </para>
3537 </listitem>
3538 <listitem>
3539
3540 <para>
3541  The LHS and RHS of a rule are typechecked, and must have the
3542 same type.
3543
3544 </para>
3545 </listitem>
3546 <listitem>
3547
3548 <para>
3549  GHC makes absolutely no attempt to verify that the LHS and RHS
3550 of a rule have the same meaning.  That is undecideable in general, and
3551 infeasible in most interesting cases.  The responsibility is entirely the programmer's!
3552
3553 </para>
3554 </listitem>
3555 <listitem>
3556
3557 <para>
3558  GHC makes no attempt to make sure that the rules are confluent or
3559 terminating.  For example:
3560
3561 <programlisting>
3562   "loop"        forall x,y.  f x y = f y x
3563 </programlisting>
3564
3565 This rule will cause the compiler to go into an infinite loop.
3566
3567 </para>
3568 </listitem>
3569 <listitem>
3570
3571 <para>
3572  If more than one rule matches a call, GHC will choose one arbitrarily to apply.
3573
3574 </para>
3575 </listitem>
3576 <listitem>
3577 <para>
3578  GHC currently uses a very simple, syntactic, matching algorithm
3579 for matching a rule LHS with an expression.  It seeks a substitution
3580 which makes the LHS and expression syntactically equal modulo alpha
3581 conversion.  The pattern (rule), but not the expression, is eta-expanded if
3582 necessary.  (Eta-expanding the epression can lead to laziness bugs.)
3583 But not beta conversion (that's called higher-order matching).
3584 </para>
3585
3586 <para>
3587 Matching is carried out on GHC's intermediate language, which includes
3588 type abstractions and applications.  So a rule only matches if the
3589 types match too.  See <xref LinkEnd="rule-spec"> below.
3590 </para>
3591 </listitem>
3592 <listitem>
3593
3594 <para>
3595  GHC keeps trying to apply the rules as it optimises the program.
3596 For example, consider:
3597
3598 <programlisting>
3599   let s = map f
3600       t = map g
3601   in
3602   s (t xs)
3603 </programlisting>
3604
3605 The expression <literal>s (t xs)</literal> does not match the rule <literal>"map/map"</literal>, but GHC
3606 will substitute for <VarName>s</VarName> and <VarName>t</VarName>, giving an expression which does match.
3607 If <VarName>s</VarName> or <VarName>t</VarName> was (a) used more than once, and (b) large or a redex, then it would
3608 not be substituted, and the rule would not fire.
3609
3610 </para>
3611 </listitem>
3612 <listitem>
3613
3614 <para>
3615  In the earlier phases of compilation, GHC inlines <emphasis>nothing
3616 that appears on the LHS of a rule</emphasis>, because once you have substituted
3617 for something you can't match against it (given the simple minded
3618 matching).  So if you write the rule
3619
3620 <programlisting>
3621         "map/map"       forall f,g.  map f . map g = map (f.g)
3622 </programlisting>
3623
3624 this <emphasis>won't</emphasis> match the expression <literal>map f (map g xs)</literal>.
3625 It will only match something written with explicit use of ".".
3626 Well, not quite.  It <emphasis>will</emphasis> match the expression
3627
3628 <programlisting>
3629 wibble f g xs
3630 </programlisting>
3631
3632 where <function>wibble</function> is defined:
3633
3634 <programlisting>
3635 wibble f g = map f . map g
3636 </programlisting>
3637
3638 because <function>wibble</function> will be inlined (it's small).
3639
3640 Later on in compilation, GHC starts inlining even things on the
3641 LHS of rules, but still leaves the rules enabled.  This inlining
3642 policy is controlled by the per-simplification-pass flag <option>-finline-phase</option><emphasis>n</emphasis>.
3643
3644 </para>
3645 </listitem>
3646 <listitem>
3647
3648 <para>
3649  All rules are implicitly exported from the module, and are therefore
3650 in force in any module that imports the module that defined the rule, directly
3651 or indirectly.  (That is, if A imports B, which imports C, then C's rules are
3652 in force when compiling A.)  The situation is very similar to that for instance
3653 declarations.
3654 </para>
3655 </listitem>
3656
3657 </itemizedlist>
3658
3659 </para>
3660
3661 </sect2>
3662
3663 <sect2>
3664 <title>List fusion</title>
3665
3666 <para>
3667 The RULES mechanism is used to implement fusion (deforestation) of common list functions.
3668 If a "good consumer" consumes an intermediate list constructed by a "good producer", the
3669 intermediate list should be eliminated entirely.
3670 </para>
3671
3672 <para>
3673 The following are good producers:
3674
3675 <itemizedlist>
3676 <listitem>
3677
3678 <para>
3679  List comprehensions
3680 </para>
3681 </listitem>
3682 <listitem>
3683
3684 <para>
3685  Enumerations of <literal>Int</literal> and <literal>Char</literal> (e.g. <literal>['a'..'z']</literal>).
3686 </para>
3687 </listitem>
3688 <listitem>
3689
3690 <para>
3691  Explicit lists (e.g. <literal>[True, False]</literal>)
3692 </para>
3693 </listitem>
3694 <listitem>
3695
3696 <para>
3697  The cons constructor (e.g <literal>3:4:[]</literal>)
3698 </para>
3699 </listitem>
3700 <listitem>
3701
3702 <para>
3703  <function>++</function>
3704 </para>
3705 </listitem>
3706
3707 <listitem>
3708 <para>
3709  <function>map</function>
3710 </para>
3711 </listitem>
3712
3713 <listitem>
3714 <para>
3715  <function>filter</function>
3716 </para>
3717 </listitem>
3718 <listitem>
3719
3720 <para>
3721  <function>iterate</function>, <function>repeat</function>
3722 </para>
3723 </listitem>
3724 <listitem>
3725
3726 <para>
3727  <function>zip</function>, <function>zipWith</function>
3728 </para>
3729 </listitem>
3730
3731 </itemizedlist>
3732
3733 </para>
3734
3735 <para>
3736 The following are good consumers:
3737
3738 <itemizedlist>
3739 <listitem>
3740
3741 <para>
3742  List comprehensions
3743 </para>
3744 </listitem>
3745 <listitem>
3746
3747 <para>
3748  <function>array</function> (on its second argument)
3749 </para>
3750 </listitem>
3751 <listitem>
3752
3753 <para>
3754  <function>length</function>
3755 </para>
3756 </listitem>
3757 <listitem>
3758
3759 <para>
3760  <function>++</function> (on its first argument)
3761 </para>
3762 </listitem>
3763
3764 <listitem>
3765 <para>
3766  <function>foldr</function>
3767 </para>
3768 </listitem>
3769
3770 <listitem>
3771 <para>
3772  <function>map</function>
3773 </para>
3774 </listitem>
3775 <listitem>
3776
3777 <para>
3778  <function>filter</function>
3779 </para>
3780 </listitem>
3781 <listitem>
3782
3783 <para>
3784  <function>concat</function>
3785 </para>
3786 </listitem>
3787 <listitem>
3788
3789 <para>
3790  <function>unzip</function>, <function>unzip2</function>, <function>unzip3</function>, <function>unzip4</function>
3791 </para>
3792 </listitem>
3793 <listitem>
3794
3795 <para>
3796  <function>zip</function>, <function>zipWith</function> (but on one argument only; if both are good producers, <function>zip</function>
3797 will fuse with one but not the other)
3798 </para>
3799 </listitem>
3800 <listitem>
3801
3802 <para>
3803  <function>partition</function>
3804 </para>
3805 </listitem>
3806 <listitem>
3807
3808 <para>
3809  <function>head</function>
3810 </para>
3811 </listitem>
3812 <listitem>
3813
3814 <para>
3815  <function>and</function>, <function>or</function>, <function>any</function>, <function>all</function>
3816 </para>
3817 </listitem>
3818 <listitem>
3819
3820 <para>
3821  <function>sequence&lowbar;</function>
3822 </para>
3823 </listitem>
3824 <listitem>
3825
3826 <para>
3827  <function>msum</function>
3828 </para>
3829 </listitem>
3830 <listitem>
3831
3832 <para>
3833  <function>sortBy</function>
3834 </para>
3835 </listitem>
3836
3837 </itemizedlist>
3838
3839 </para>
3840
3841 <para>
3842 So, for example, the following should generate no intermediate lists:
3843
3844 <programlisting>
3845 array (1,10) [(i,i*i) | i &#60;- map (+ 1) [0..9]]
3846 </programlisting>
3847
3848 </para>
3849
3850 <para>
3851 This list could readily be extended; if there are Prelude functions that you use
3852 a lot which are not included, please tell us.
3853 </para>
3854
3855 <para>
3856 If you want to write your own good consumers or producers, look at the
3857 Prelude definitions of the above functions to see how to do so.
3858 </para>
3859
3860 </sect2>
3861
3862 <sect2 id="rule-spec">
3863 <title>Specialisation
3864 </title>
3865
3866 <para>
3867 Rewrite rules can be used to get the same effect as a feature
3868 present in earlier version of GHC:
3869
3870 <programlisting>
3871   {-# SPECIALIZE fromIntegral :: Int8 -> Int16 = int8ToInt16 #-}
3872 </programlisting>
3873
3874 This told GHC to use <function>int8ToInt16</function> instead of <function>fromIntegral</function> whenever
3875 the latter was called with type <literal>Int8 -&gt; Int16</literal>.  That is, rather than
3876 specialising the original definition of <function>fromIntegral</function> the programmer is
3877 promising that it is safe to use <function>int8ToInt16</function> instead.
3878 </para>
3879
3880 <para>
3881 This feature is no longer in GHC.  But rewrite rules let you do the
3882 same thing:
3883
3884 <programlisting>
3885 {-# RULES
3886   "fromIntegral/Int8/Int16" fromIntegral = int8ToInt16
3887 #-}
3888 </programlisting>
3889
3890 This slightly odd-looking rule instructs GHC to replace <function>fromIntegral</function>
3891 by <function>int8ToInt16</function> <emphasis>whenever the types match</emphasis>.  Speaking more operationally,
3892 GHC adds the type and dictionary applications to get the typed rule
3893
3894 <programlisting>
3895 forall (d1::Integral Int8) (d2::Num Int16) .
3896         fromIntegral Int8 Int16 d1 d2 = int8ToInt16
3897 </programlisting>
3898
3899 What is more,
3900 this rule does not need to be in the same file as fromIntegral,
3901 unlike the <literal>SPECIALISE</literal> pragmas which currently do (so that they
3902 have an original definition available to specialise).
3903 </para>
3904
3905 </sect2>
3906
3907 <sect2>
3908 <title>Controlling what's going on</title>
3909
3910 <para>
3911
3912 <itemizedlist>
3913 <listitem>
3914
3915 <para>
3916  Use <option>-ddump-rules</option> to see what transformation rules GHC is using.
3917 </para>
3918 </listitem>
3919 <listitem>
3920
3921 <para>
3922  Use <option>-ddump-simpl-stats</option> to see what rules are being fired.
3923 If you add <option>-dppr-debug</option> you get a more detailed listing.
3924 </para>
3925 </listitem>
3926 <listitem>
3927
3928 <para>
3929  The defintion of (say) <function>build</function> in <FileName>PrelBase.lhs</FileName> looks llike this:
3930
3931 <programlisting>
3932         build   :: forall a. (forall b. (a -> b -> b) -> b -> b) -> [a]
3933         {-# INLINE build #-}
3934         build g = g (:) []
3935 </programlisting>
3936
3937 Notice the <literal>INLINE</literal>!  That prevents <literal>(:)</literal> from being inlined when compiling
3938 <literal>PrelBase</literal>, so that an importing module will &ldquo;see&rdquo; the <literal>(:)</literal>, and can
3939 match it on the LHS of a rule.  <literal>INLINE</literal> prevents any inlining happening
3940 in the RHS of the <literal>INLINE</literal> thing.  I regret the delicacy of this.
3941
3942 </para>
3943 </listitem>
3944 <listitem>
3945
3946 <para>
3947  In <filename>ghc/lib/std/PrelBase.lhs</filename> look at the rules for <function>map</function> to
3948 see how to write rules that will do fusion and yet give an efficient
3949 program even if fusion doesn't happen.  More rules in <filename>PrelList.lhs</filename>.
3950 </para>
3951 </listitem>
3952
3953 </itemizedlist>
3954
3955 </para>
3956
3957 </sect2>
3958
3959 </sect1>
3960
3961 <sect1 id="generic-classes">
3962 <title>Generic classes</title>
3963
3964     <para>(Note: support for generic classes is currently broken in
3965     GHC 5.02).</para>
3966
3967 <para>
3968 The ideas behind this extension are described in detail in "Derivable type classes",
3969 Ralf Hinze and Simon Peyton Jones, Haskell Workshop, Montreal Sept 2000, pp94-105.
3970 An example will give the idea:
3971 </para>
3972
3973 <programlisting>
3974   import Generics
3975
3976   class Bin a where
3977     toBin   :: a -> [Int]
3978     fromBin :: [Int] -> (a, [Int])
3979   
3980     toBin {| Unit |}    Unit      = []
3981     toBin {| a :+: b |} (Inl x)   = 0 : toBin x
3982     toBin {| a :+: b |} (Inr y)   = 1 : toBin y
3983     toBin {| a :*: b |} (x :*: y) = toBin x ++ toBin y
3984   
3985     fromBin {| Unit |}    bs      = (Unit, bs)
3986     fromBin {| a :+: b |} (0:bs)  = (Inl x, bs')    where (x,bs') = fromBin bs
3987     fromBin {| a :+: b |} (1:bs)  = (Inr y, bs')    where (y,bs') = fromBin bs
3988     fromBin {| a :*: b |} bs      = (x :*: y, bs'') where (x,bs' ) = fromBin bs
3989                                                           (y,bs'') = fromBin bs'
3990 </programlisting>
3991 <para>
3992 This class declaration explains how <literal>toBin</literal> and <literal>fromBin</literal>
3993 work for arbitrary data types.  They do so by giving cases for unit, product, and sum,
3994 which are defined thus in the library module <literal>Generics</literal>:
3995 </para>
3996 <programlisting>
3997   data Unit    = Unit
3998   data a :+: b = Inl a | Inr b
3999   data a :*: b = a :*: b
4000 </programlisting>
4001 <para>
4002 Now you can make a data type into an instance of Bin like this:
4003 <programlisting>
4004   instance (Bin a, Bin b) => Bin (a,b)
4005   instance Bin a => Bin [a]
4006 </programlisting>
4007 That is, just leave off the "where" clasuse.  Of course, you can put in the
4008 where clause and over-ride whichever methods you please.
4009 </para>
4010
4011     <sect2>
4012       <title> Using generics </title>
4013       <para>To use generics you need to</para>
4014       <itemizedlist>
4015         <listitem>
4016           <para>Use the flags <option>-fglasgow-exts</option> (to enable the extra syntax), 
4017                 <option>-fgenerics</option> (to generate extra per-data-type code),
4018                 and <option>-package lang</option> (to make the <literal>Generics</literal> library
4019                 available.  </para>
4020         </listitem>
4021         <listitem>
4022           <para>Import the module <literal>Generics</literal> from the
4023           <literal>lang</literal> package.  This import brings into
4024           scope the data types <literal>Unit</literal>,
4025           <literal>:*:</literal>, and <literal>:+:</literal>.  (You
4026           don't need this import if you don't mention these types
4027           explicitly; for example, if you are simply giving instance
4028           declarations.)</para>
4029         </listitem>
4030       </itemizedlist>
4031     </sect2>
4032
4033 <sect2> <title> Changes wrt the paper </title>
4034 <para>
4035 Note that the type constructors <literal>:+:</literal> and <literal>:*:</literal> 
4036 can be written infix (indeed, you can now use
4037 any operator starting in a colon as an infix type constructor).  Also note that
4038 the type constructors are not exactly as in the paper (Unit instead of 1, etc).
4039 Finally, note that the syntax of the type patterns in the class declaration
4040 uses "<literal>{|</literal>" and "<literal>|}</literal>" brackets; curly braces
4041 alone would ambiguous when they appear on right hand sides (an extension we 
4042 anticipate wanting).
4043 </para>
4044 </sect2>
4045
4046 <sect2> <title>Terminology and restrictions</title>
4047 <para>
4048 Terminology.  A "generic default method" in a class declaration
4049 is one that is defined using type patterns as above.
4050 A "polymorphic default method" is a default method defined as in Haskell 98.
4051 A "generic class declaration" is a class declaration with at least one
4052 generic default method.
4053 </para>
4054
4055 <para>
4056 Restrictions:
4057 <itemizedlist>
4058 <listitem>
4059 <para>
4060 Alas, we do not yet implement the stuff about constructor names and 
4061 field labels.
4062 </para>
4063 </listitem>
4064
4065 <listitem>
4066 <para>
4067 A generic class can have only one parameter; you can't have a generic
4068 multi-parameter class.
4069 </para>
4070 </listitem>
4071
4072 <listitem>
4073 <para>
4074 A default method must be defined entirely using type patterns, or entirely
4075 without.  So this is illegal:
4076 <programlisting>
4077   class Foo a where
4078     op :: a -> (a, Bool)
4079     op {| Unit |} Unit = (Unit, True)
4080     op x               = (x,    False)
4081 </programlisting>
4082 However it is perfectly OK for some methods of a generic class to have 
4083 generic default methods and others to have polymorphic default methods.
4084 </para>
4085 </listitem>
4086
4087 <listitem>
4088 <para>
4089 The type variable(s) in the type pattern for a generic method declaration
4090 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:
4091 <programlisting>
4092   class Foo a where
4093     op :: a -> Bool
4094     op {| p :*: q |} (x :*: y) = op (x :: p)
4095     ...
4096 </programlisting>
4097 </para>
4098 </listitem>
4099
4100 <listitem>
4101 <para>
4102 The type patterns in a generic default method must take one of the forms:
4103 <programlisting>
4104        a :+: b
4105        a :*: b
4106        Unit
4107 </programlisting>
4108 where "a" and "b" are type variables.  Furthermore, all the type patterns for
4109 a single type constructor (<literal>:*:</literal>, say) must be identical; they
4110 must use the same type variables.  So this is illegal:
4111 <programlisting>
4112   class Foo a where
4113     op :: a -> Bool
4114     op {| a :+: b |} (Inl x) = True
4115     op {| p :+: q |} (Inr y) = False
4116 </programlisting>
4117 The type patterns must be identical, even in equations for different methods of the class.
4118 So this too is illegal:
4119 <programlisting>
4120   class Foo a where
4121     op1 :: a -> Bool
4122     op1 {| a :*: b |} (x :*: y) = True
4123
4124     op2 :: a -> Bool
4125     op2 {| p :*: q |} (x :*: y) = False
4126 </programlisting>
4127 (The reason for this restriction is that we gather all the equations for a particular type consructor
4128 into a single generic instance declaration.)
4129 </para>
4130 </listitem>
4131
4132 <listitem>
4133 <para>
4134 A generic method declaration must give a case for each of the three type constructors.
4135 </para>
4136 </listitem>
4137
4138 <listitem>
4139 <para>
4140 The type for a generic method can be built only from:
4141   <itemizedlist>
4142   <listitem> <para> Function arrows </para> </listitem>
4143   <listitem> <para> Type variables </para> </listitem>
4144   <listitem> <para> Tuples </para> </listitem>
4145   <listitem> <para> Arbitrary types not involving type variables </para> </listitem>
4146   </itemizedlist>
4147 Here are some example type signatures for generic methods:
4148 <programlisting>
4149     op1 :: a -> Bool
4150     op2 :: Bool -> (a,Bool)
4151     op3 :: [Int] -> a -> a
4152     op4 :: [a] -> Bool
4153 </programlisting>
4154 Here, op1, op2, op3 are OK, but op4 is rejected, because it has a type variable
4155 inside a list.  
4156 </para>
4157 <para>
4158 This restriction is an implementation restriction: we just havn't got around to
4159 implementing the necessary bidirectional maps over arbitrary type constructors.
4160 It would be relatively easy to add specific type constructors, such as Maybe and list,
4161 to the ones that are allowed.</para>
4162 </listitem>
4163
4164 <listitem>
4165 <para>
4166 In an instance declaration for a generic class, the idea is that the compiler
4167 will fill in the methods for you, based on the generic templates.  However it can only
4168 do so if
4169   <itemizedlist>
4170   <listitem>
4171   <para>
4172   The instance type is simple (a type constructor applied to type variables, as in Haskell 98).
4173   </para>
4174   </listitem>
4175   <listitem>
4176   <para>
4177   No constructor of the instance type has unboxed fields.
4178   </para>
4179   </listitem>
4180   </itemizedlist>
4181 (Of course, these things can only arise if you are already using GHC extensions.)
4182 However, you can still give an instance declarations for types which break these rules,
4183 provided you give explicit code to override any generic default methods.
4184 </para>
4185 </listitem>
4186
4187 </itemizedlist>
4188 </para>
4189
4190 <para>
4191 The option <option>-ddump-deriv</option> dumps incomprehensible stuff giving details of 
4192 what the compiler does with generic declarations.
4193 </para>
4194
4195 </sect2>
4196
4197 <sect2> <title> Another example </title>
4198 <para>
4199 Just to finish with, here's another example I rather like:
4200 <programlisting>
4201   class Tag a where
4202     nCons :: a -> Int
4203     nCons {| Unit |}    _ = 1
4204     nCons {| a :*: b |} _ = 1
4205     nCons {| a :+: b |} _ = nCons (bot::a) + nCons (bot::b)
4206   
4207     tag :: a -> Int
4208     tag {| Unit |}    _       = 1
4209     tag {| a :*: b |} _       = 1   
4210     tag {| a :+: b |} (Inl x) = tag x
4211     tag {| a :+: b |} (Inr y) = nCons (bot::a) + tag y
4212 </programlisting>
4213 </para>
4214 </sect2>
4215 </sect1>
4216
4217
4218
4219 <!-- Emacs stuff:
4220      ;;; Local Variables: ***
4221      ;;; mode: sgml ***
4222      ;;; sgml-parent-document: ("users_guide.sgml" "book" "chapter" "sect1") ***
4223      ;;; End: ***
4224  -->